3000m3丙烯球罐的设计要点

刘琳琳

摘 要：介绍了3000m3丙烯球罐的设计要点，包括设计参数的确定，设计选材、球壳结构型式的选择以及焊后热处理和无损检测等。

关键词：球罐;选材;设计

丙烯球罐是石化工业中的重要设备。随着球罐日渐大型化发展，制造技术和选用材料也发生较大变化。在对某石化企业改造项目中，需要建造2台3000m3丙烯球罐，根据国内有关技术标准和规范以及工艺设计条件确定设计参数、结构形式及材料选择等，具体如下：

1.球罐设计参数的确定

工作压力：1.57MPa;设计压力：2.09/-0.1MPa;工作温度：ATM;设计温度-45/50℃;操作介质：丙烯;介质密度：479～538kg/m3;安全阀整定压力：2.16MPa;腐蚀裕量取2mm.

因为球罐中储存介质丙烯属于易爆的液化气体，需要做气密性试验，且由于在球罐本体上装有安全阀，根据固容规要求“带有安全阀、爆破片等超压泄放装置的压力容器，如果设计时提出气密性试验要求，则设计者应当给出该压力容器的最高允许工作压力”[1]。故考虑为球罐规定最高允许工作压力（取1.05倍的安全阀整定压力为2.27MPa），用最高允许工作压力进行计算强度校核，并按最高允许工作压力的1.25倍取为液压试验压力。

2.球罐主体材料的确定

丙烯球罐的最高设计温度按当地的极端最高气温加上6～8℃，一般取50℃;根据GB/T150-2011中3.1.9条中最低设计金属温度为设计时，容器在运行过程中预期的各种可能条件下各元件金属温度的最低值。这里所指的各种可能条件包括正常工作情况，还应考虑可能出现的最低工作温度、工作中的不正常情况、自动制冷、大气环境温度及其他制冷因素。丙烯球罐在运行过程中出现安全阀超压排放或不适当的料液排放时，高压气体通过阀门或管道时急剧减压，绝热膨胀至常压，根据焦耳-汤姆逊效应原理，此时气体温度会骤降，导致安全阀或排料管附近壳体金属快速降低至很低的温度，而在此过程中球罐的工作压力几乎不变，使得安全阀或排放管附近壳体处于低温、高压的运行状态，极易出现低温脆断事故。考虑到紧急排放后的汽化降温，为了防止此类事故的发生，丙烯球罐的设计温度选为-45℃，选材取用在-45℃适用的材料[2]。

由于GB/T12337-2014中规定球壳用钢板厚度不宜大于50mm，设计时宜采用强度级别高的材料来设计，符合最低设计温度的几种钢中，仅07MnNiMoDR为高强度用钢，而且07MnNiMoDR的塑性、韧性好，可焊性较高，故选用07MnNiMoDR既能控制钢板厚度，又符合工艺要求。

3.球壳结构型式的选择

球壳板结构型式有桔瓣式、混合式和足球瓣式三种。国内自行设计、制造、安装的球罐多为橘瓣式和混合式。

足球瓣式球罐的球壳划分和足球壳一样，所有球壳板大小相同，所以又叫均分法。优点是每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高，互换性好，组装焊缝较短，焊接及检验工作量小，缺点是焊缝布置复杂，不适用于支柱支撑结构，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高，由于受钢板规格及自身结构的影响，一般只适用于制造容积小于1000 m3的球罐。

橘瓣式球罐的球壳划分就像桔瓣，是一种最通用的型式。优点是焊缝布置简单，组装容易，球壳板制造简单，缺点是材料利用率低。

混合式球罐的球壳组成是：赤道带和温带采用桔瓣式，极板采用足球瓣式。由于取其桔瓣式和足球瓣式两种结构型式之优点，材料利用率较高、焊缝长度缩短，球壳板数量减少，且特别适合大型球罐。本设备选择混合式球罐更为合适[3]。

4.支柱设计

支柱与球壳的连接，既要能充分传递应力，又要局部应力水平尽可能低，故焊缝必须具有足够的焊接长度和强度，同时要采取必要措施减少应力集中。本设备考虑使用赤道正切柱式支撑且为加U形托板结构。

赤道正切柱式支座的结构特点是：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，支柱中心线与球壳内壁相切或近似相切。有以下优点：

a.避免了支柱与球壳连接部下端由于夹角小而造成焊接的困难，保证了支柱与球壳焊接质量的可靠性;

b.改变了尖角焊缝的受力状态，使球壳板与支柱最低点焊缝由原来的点接触改为线接触;

c.焊缝全部在外表面，易于焊接、便于检验。

支柱支承球罐的重量，为了承受风载荷和地震载荷，保证球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆连接。这种支座的优点是受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修也方便，且适用于多种规格的球罐;缺点是重心高，稳定性较差。

支柱下端设置防火结构，以防发生火灾时支柱被烧软失稳倒塌，直接危及球罐的安全。在支柱的底板上开设通气孔，以利积水的排除。支柱底板上开设的地脚螺栓孔设为径向长圆孔，以利于调整支柱垂直度和球罐整体热处理时支柱的径向移动。

5.球罐的整体热处理

由于球罐焊后存在较大的残余应力，而焊后热处理可以消除存在于球罐上由于组装和焊接造成的残余应力，并改善焊接接头性能。根据GB/T150-2011的规定，07MnNiMoDR焊接接头厚度大于32mm（如焊前预热100℃以上时，焊接接头厚度大于38mm时）应进行焊后热处理。故本设备要求进行焊后热处理。

热处理前应在支柱下部设置移动装置。热处理过程中，监测柱脚位移，按计算位移值及时调整柱脚位移。并在热处理后，测量并调整支柱垂直度。

6.焊接

球壳板的焊接，应选用低氢碱性焊条，并进行扩散氢复验。

球罐焊接前应进行焊前预热，预热温度按GB/T12337-2014中表28选取为100～125℃。此设备符合8.3.4.7中a的条件，故应在焊后立即进行后热消氢处理，可以促进焊缝中氢的逸出，防止产生冷裂纹，后热温度200～250℃，保温时间应为0.5～1h。

7.无损检测

球罐对接接头焊后应进行100%射线检测或100%TOFD检测，当采用100%TOFD检测时，TOFD检测完毕后还应进行100%超声检测复验。所有坡口、工夹具的焊痕除均须进行100%磁粉检测;热处理前，所有零部件组焊的焊接接头表面均须进行100%磁粉检测。磁粉检测应在射线或超声探伤发现的缺陷修补合格后进行，离焊接完成后的时间不应小于36h;热处理后，所有焊接接头表面均须进行100%磁粉检测。嵌入式接管与球壳连接的对接接头及公称直径不小于250mm的接管与法兰、接管与接管间的对接焊接接头进行100%射线检测，并应对每条焊接接头进行超声检测复验，复验长度不少于其焊缝长度的20%。水压试验后，还应对所有焊缝内外表面进行100%磁粉检测。

8.基础沉降

球罐在充、放液过程中，应对基础的沉降进行观察，每个支柱基础都应测定沉降量，各支柱基础应均匀沉降。

9.结语

综上所述3000 m3丙烯球罐应采用07MnNiMoDR材料、混合式排板，球罐需要整体热处理等技术要点，是在实践中总结出的经验分享，是否妥当，请各位同行一起探讨。

参考文献：

[1].TSG 21-2016，固定式压力容器安全技术监察规程，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局颁布，2016年2月22日。

[2]. GB/T 12337-2014，《钢制球形储罐》标准释义，寿比南，北京，新华出版社，2015年5月。

[3]. GB/T 12337-2014，钢制球形储罐，北京，中国标准出版社，2015年2月1日。

作者简介：

劉琳琳，1986年8月9日出生，女，汉族，籍贯辽宁省抚顺市，现供职单位：中国昆仑工程有限公司辽宁分公司，工程师，学士学位，研究方向：压力容器设计