07MnNiVDR钢5 000 m3全压式液化石油气船液货罐建造质量控制

马庆生，郭 亮，马星驰，李 栋

（鞍山华信重工机械有限公司，辽宁 鞍山 114200）

大型液化石油气（LPG）船用输送储罐具有装载量大、成本低、安全性能高、方便快捷等优点，是海上石油运输的有效手段和能源储运领域可持续发展的有力保障。2019-05，鞍山华信重工机械有限公司受中船广西船舶与海洋工程有限公司的委托，承建首台国产化07MnNiVDR钢5 000 m3全压式LPG船液货罐（以下简称LPG罐）。

1 LPG罐设计概况

LPG罐由单罐W19-07和单罐W19-08组成。这2台单罐的结构和技术参数相同。单罐为卧式圆筒球形封头结构，材质07MnNiVDR钢，公称容积2 500 m3，总长度30 464 mm，净质量500 t。筒体壁厚52 mm，内径10 906 mm，长度19 800 mm,设计温度-10～45℃，气密试验压力1.76 MPa；封头壁厚30 mm，内径10 906 mm，最高工作压力1.766 MPa,水压试验压力2.66 MPa，焊接接头系数1.0。单罐W19-07和单罐W19-08在船体中纵向排列，每个罐体与船体甲板之间采用V型支座进行焊接安装定位，采用的设计方法为有限元应力分析设计。

2 LPG罐建造方案

目前国内07MnNiVDR低温高强钢生产厂家主要有鞍钢、宝武钢、南京钢厂等大型钢铁企业，轧制板辐宽度在2 400～3 500 mm，单张钢板交货质量约10～15 t，综合考虑07MnNiVDR钢钢板厂家供货能力及材料综合利用率指标，力争材料的综合利用率达到90%以上，确定筒体部分数量为9节，每节筒体为三拼结构，单个筒节约33.6 t，球形封头用顶圆板加裙板结构，顶圆板为三拼结构，裙板为12拼结构。

3 LPG罐材料及接焊工艺

3.1 罐体材料

3.1.1 钢板要求

按照项目要求，07MnNiVDR钢板力学性能应符合GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》［1］及中国船级社（CCS）《材料与焊接规范》（2018年）［2］规定的抗拉强度 Rm≥610 MPa，延伸率A≥17%，-40℃KV2≥80 J。钢材的厚度允许偏差应符合GB/T 709—2019《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》［3］的 B 类偏差，所用08MnNiCrMoVD锻件应符合 NB/T 47009—2017《低温承压设备用合金钢锻件》［4］Ⅳ级锻件的规定，并应具有5级或更细的实际晶粒度，晶粒度按GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》［5］进行测定，对应力学性能指标为Rm≥600 MPa、A≥17%、-40℃的 KV2≥80 J，上述材料应同时满足CCS《材料与焊接规范》（2018年）的要求。

3.1.2 钢板供货

罐体钢板由鞍钢股份有限公司供货，产品检验在CCS指派的船检师的监督下完成，检验结果合格。公司对到货的罐体钢板化学成分（按炉号）、力学性能及-40℃冲击功（按批号）进行了抽样复验,确认其力学性能符合GB 19189—2011及CCS《材料与焊接规范》（2018年）的规定要求。罐体钢板逐张按NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》［6］进行 100%超声（UT）检测（钢板周边100 mm范围内全部进行检测），TI级合格。钢板的力学性能复验部分结果见表1。

表1 07MnNiVDR 钢板的力学性能复验部分结果

储罐法兰及接管所用08MnNiCrMoVD锻件产品质量由CCS指定船检师对产品质量监督检验合格，公司对到货的锻件产品进行力学性能复验，其结果见表2。

表2 08MnNiCrMoVD锻件试样力学性能复验结果

表1和表2中，每个批号钢板冲击功包含3个抽检结果。ReL为材料拉伸的屈服强度。

3.2 罐体焊接

3.2.1 焊条采购要求

按照本项目要求，罐体焊接所用焊条力学性能指标应符合NB/T 47018—2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》［7］及CCS《材料与焊接规范》（2018年）中W03的规定要求，具体为熔覆金属Rm≥600 MPa、A≥17%、-40 ℃ KV2≥54 J，以及607RH超低氢高韧性焊条的熔覆金属扩散氢含量小于等于1.5×10-2mL/g（水银法或气相色谱法［8］）。

3.2.2 焊条货源认证

罐体焊接所用焊条电弧焊焊条为经CCS认证的四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的J607RH超低氢高韧性焊条，埋弧自动焊焊接材料为同一公司生产的CHW-S30R焊丝与CHF105Q焊剂组合。

3.2.3 焊接工艺评定

按照中国船级社《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（2018年）（简称IGC规范）［9］的要求，制定焊接工艺评定项目6项，①项目编号PQR-CG-01。覆盖罐体、球形封头厚度30 mm 07MnNiVDR焊条电弧焊（SMAW）向上立焊位置工艺评定。②项目编号PQR-CG-02。覆盖罐体、球形封头厚度30 mm的07MnNiVDR的SMAW横焊位置工艺评定。③项目编号PQR-CG-03。覆盖罐体厚度52 mm的07MnNiVDR埋弧自动焊（SAW）平焊位置工艺评定。④5 mm的08MnNiCrMoVD锻件与法兰的氩弧焊立焊位置工艺评定焊工艺评定。⑤10 mm的08MnNiCrMoVD锻件与法兰的氩弧焊立焊位置工艺评定。⑥覆盖气室筒体厚度30 mm的Q345R SMAW的向上立焊位置焊焊接工艺评定。其中焊接工艺评定项目PQR-CG-01～PQR-CG-03相对重要，其所用电流种类和极性均为DPEC，其所用焊材代号、规格型号、焊接电流、电弧电压、焊接速度、输入热详情见表3。

表3 07MnNiVDR钢主要焊接工艺评定项目

评定试件按设计图样及IGC规范要求进行焊后热处理，对于焊接工艺评定项目PQR-CG-01～PQR-CG-03，每项检测项目包括：①焊接接头和焊接材料熔覆金属的拉伸试验。其中，焊接接头板状拉伸试验，试样2件，进行抗拉强度Rm的定量测定；焊接材料熔覆金属拉伸试验，试样1件，分别进行抗拉强度Rm和屈服强度ReL的定量测定。②焊接接头完好性侧向弯曲D=40（180°）试验。试样4件，进行合格定性判断。③冲击试验。分别进行焊缝金属、熔合线、熔合线附近区域的-40℃冲击功KV2定量测定。其中，熔合线附近区域按照距离定位为3个，分别为距离熔合线1mm、3mm、5mm。试样各3件，共15件。④宏观酸蚀检验。试样1件，进行金相合格性定性判断。⑤焊接接头硬度检测。按焊缝金属、热影响区、母材分区每个区域15个检测点，进行维氏硬度（HV10）定量检测。焊接工艺评定结果见表4和表5。

表4 焊接工艺评定项目PQR-CG-01～PQR-CG-03评定结果（1）

表5 焊接工艺评定项目PQR-CG-01～PQR-CG-03评定结果（2）

3.2.4 焊接质量评价

焊接工艺评定项目由鞍山华信重工机械有限公司按照IGC规范要求进行下料、焊接、无损检测及焊后热处理，委托经CCS认可的理化检验单位进行检验与试验，试验过程由CCS船检师参与现场见证，试验结果符合IGC规范及设计产品要求。

4 LPG罐建造工序

4.1 罐体

钢板、法兰锻件和焊接材料的质量证明书核对—材料性能复验、验收—焊接工艺评定—罐体钢板数控下料—罐体钢板坡口切割—罐体钢板几何尺寸检测—卷筒、焊接（球形封头壳板压制）—产品焊接试件制备、焊接—校圆（球形封头壳板修型）超声检测（UT）、超声波衍射时差法检测（TOFD）、磁粉检测（MT）—筒体组对焊接、球形封头组对、焊接—UT、TOFD、MT—两端球形封头与筒体总体组对、焊接（内附件安装）—UT、TOFD、MT、筒体与气室、深井泵、积液槽等组对焊接—罐体几何尺寸检测焊接—焊后MT、VT、UT及几何尺寸—整体热处理—MT检测—耐压试验—MT泄漏试验—喷砂及检测—喷漆及检测—竣工资料整理—交付使用。

4.2 罐体附件

每个储罐的附件包括1个气室、1个人孔及盖板、1个深井泵座及积液槽、1个深井梯、1个液位计井、1套罐内接管及固定装置、2个制荡舱壁、4个吊耳、2个鞍座、1圈防水隔板、4个止浮支座、1个安全阀接管等。制造工序为，材料确认—样板下料—加工—几何尺寸检测—焊接—PT/MT—喷砂及检测—喷漆及检测—包装。

5 LPG罐建造质量控制

按照CCS船检师确认的07MnNiVDR钢5 000 m3全压式LPG船液货罐质量检验计划，设备制造过程共设置制造准备、原材料（钢板/锻件）、下料及坡口加工、焊接、无损检测、热处理、耐压试验、泄漏试验、最终检验等16个控制环节35个控制点（包括26个审核点R、4个见证点W、5个停止点H），设备制造过程中我公司主要进行了以下方面控制。

5.1 人员资格

焊工必须取得CCS颁发的焊工资格证书，证书的W03类别必须在有效期内。无损检测人员必须持有国家市场监督管理总局颁发的资格证书。

5.2 工厂制造

5.2.1 罐体

控制罐体下料切割尺寸精度及公差指标。采用2台CNC-CG4000A型数控切割下料，最终罐体钢板下料满足长度方向公差±2 mm、宽度方向公差±1.5 mm、对角线方向公差±3 mm的精制造度指标。

5.2.2 封头

采用专用计算软件［10］提高球形封头瓣片的排版计算自动化程度，采用专利技术装置［11］提高球壳板尺寸精度及焊接坡口精度。最终2台储罐球形封头60块球壳板尺寸偏差统计结果如下，①纬向弦长尺寸偏差±2.0 mm、弧长尺寸偏差±2.0 mm。②径向弦长尺寸偏差±2.5 mm、弧长尺寸偏差±2.5 mm。③对角线弦长尺寸偏差±3.0 mm。④对角线之间间距小于等于5 mm。球壳板几何尺寸偏差严于GB 12337—2014《钢制球形储罐》［12］的要求。按照NB/T47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》［13］进行球壳板坡口100%MT检测，结果为I级合格。

5.2.3 筒节

创造条件提高筒节成型和焊接过程控制。预制水泥钢结构平台，配备船厂50 t龙门起重机，在水泥钢结构平台上利用起重机进行组对作业。

抽检18个卷制成型的单个筒节，结果表明，①上下口外周长允差为±20 mm（每个筒节测量上、下口）。②最大直径与最小直径差（不圆度）允差小于等于25 mm。③上、下口水平度偏差小于等于3 mm。④高度偏差±2 mm，焊缝错边量允差小于等于3 mm。⑤间隙允差（2±2）mm。⑥棱角度允差小于等于5 mm。

按照每间隔500 mm一次的频次检测棱角度和错边量，共完成1 644点的检测，其中对口错边量在1.0～2.0 mm的共1 584点，占总统计点数的96.3%。

5.3 现场组焊

5.3.1 焊接工艺

现场组焊分为筒体焊接与球形封头焊接2部分。其中，52 mm厚筒节纵、环焊缝及两端与球形封头的对接接头采用经评定合格的SAW规程进行施焊，焊接材料采用经CCS认证的四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的CHW-S30R焊丝配套CHF105Q焊剂，环焊缝SAW在2台500 t焊接滚轮架的配合下进行，焊前清理坡口两侧各20 mm范围内的油污、铁锈，预热150℃以上，焊后在200～250℃进行0.5～1.0 h焊后热消氢处理。球形封头部分采用经评定合格的SMAW工艺规程进行施焊，焊接材料采用经CCS认证的四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的J607RH超低氢高韧性焊条，焊丝焊前清理坡口两侧各20 mm范围内的油污、铁锈，预热100℃以上，焊后在200～250℃进行0.5～1.0 h焊后热消氢处理。从中心向两端依次进行筒节组装焊接，然后依次组对焊接两端球形封头。

5.3.2 焊接试件

无论哪种焊接方法和焊接位置，只要焊接间隔不大于35 m，均制备产品焊接试件1块。共制作产品焊接试件8件，其中包括筒体52 mm埋弧焊试件4件，前后2个球形封头30 mm焊条电弧焊立焊试件2件，横焊试件2件，与罐体一同进行（570±20）℃、2.1 h的焊后热处理。

产品焊接试件经加工后分别制成拉伸、弯曲、冲击试件并委托CCS认可的理化检验单位进行试件的检验和试验。CCS船检师对各项试验数据进行了确认，认定检验结果符合IGC规范及设计图样要求。其中，52 mm埋弧焊试件-30℃的KV2在60～120 J,30 mm焊条电弧焊立焊试件-20℃的KV2在 65～182 J,30 mm SMAW横焊试件 -20℃的 KV2在82～204 J，显著优于IGC规范中KV2不小于27 J的技术要求。

5.4 无损检测

依据LPG罐设计图样提出的技术条件，委托湖北鑫宏图检测科技有限公司（有无损检测核准资质）对焊接完成且焊缝外观检测合格的罐体按NB/T 47013.3—2015、NB/T 47013.4-2015、NB/T 47013.10—2015《承压设备无损检测 第10部分:衍射时差法超声检测》［14］分别进行100%UT、100MT、100%TOFD。单罐罐体焊缝总长568.1 m,检测结果表明，罐W19-07的罐体TOFD检测数据601组，其中不合格数据为25组，缺陷性质均为线性缺陷，一次合格率为95.8%；罐W19-08的罐体TOFD检测数据601组，其中不合格数据为37组，缺陷性质均为线性缺陷，一次合格率为93.8%，2台单罐体焊缝一次返修合格率均为100%。设备热处理前后及耐压试验后分别对A、B、D、E类焊接接头进行 100%MT，结果满足 NB/T 47013.4—2015中I级合格标准。

5.5 焊后热处理及应力检测

罐体焊接接头经外观及各项无损检测合格后，按GB/T 30583-2014《压力容器焊后热处理规程》［15］的相关规定采用燃油法在（570±20） ℃下进行2.1 h的整体热处理，每台罐体上共设测温点62处，其中47个测温点设在罐体主体部分，15个测温点分设在深井泵、气室及产品焊接试件等位置。升温速度55～105℃/h，降温速度55～130℃/h。综合考虑罐体结构特点、燃油进口及排烟口位置，在罐体内部设置导流装置，有效保证了升温、保温及降温过程中罐体温度均匀性。

委托华中科技大学材料学院材料技术实验中心对储罐整体热处理效果进行验证。验证方法为盲孔应力释放法，分别在罐体热处理前、后对焊接接头进行局部应力测试。测试数据表明，罐W19-07、罐W19-08热处理前最大应力值为682.80 MPa,最小残余应力为326.30 MPa,整体热处理后最大残余应力为291.15 MPa,最小残余应力为121.84 MPa,储罐残余应力消除的下降比例为 52.47%～64.76%。

5.6 其他

储罐W19-07、储罐W19-08热处理完成后，对罐体进行了试验压力2.66 MPa的耐压试验，试验结果满足IGC规则及GB/T 150.1～150.4—2011《压力容器》［16］中相关规定要求。此外，按照设计图样要求进行了试验压力1.88 MPa的泄漏试验，试验结果合格。单罐检验及试验全部合格后，按GB/T 8923.1—2011《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》［17］进行喷砂除锈，合格级别为Sa21/2并按建造方要求进行底漆、中间漆及面漆涂装，交工验收。

6 结语

07MnNiVDR钢5 000 m3全压式LPG船液货罐于2020-12交付中船广西船舶和海洋工程有限公司使用。此罐的建造具有国产化、首台、大型特征，实现了重大石化技术装备的国产化，达到了替代进口产品的目标。该项研制成果2021年被认定为辽宁省首台套重大技术装备，对推动此类产品的国产化发展具有积极意义和借鉴作用。