大型厚壁不锈钢卫生级球罐制造组焊关键技术

许婧洁 桂军文

中国化学工程第六建设有限公司 湖北襄阳 441100

目前，国内外市场大型不锈钢球罐多用于存储液化天然气，球壳厚度一般相对较薄。传统上，各行业中大型厚壁球罐一般采用碳钢或低合金钢材质，对于清洁度、耐腐蚀要求较高时，多采用碳钢或低合金钢内表面喷涂或复合处理，但其寿命相对较短。随着人们对健康、环保要求的不断提高，不锈钢球罐以其不易锈蚀、清洁环保、寿命长等优点，成为行业未来的发展方向。特别是在食品医药等行业，不锈钢大型厚壁球罐将得到越来越多的应用。

1 项目简介

某施工项目中有1 台316L 材质、3590m3环氧丙烷球罐，其土建基础、采购、制造、组装到绝热等由中国化学工程第六建设有限公司（以下简称中化六建）总承包。其材质特殊、体积大、球壳厚度大、原材价格高，且整套装置最终产品卫生等级为食品级，对设备内部清洁度有特殊要求。球罐参数见表1。

表1 球罐参数表

2 重点、难点分析

（1）因原材价格高，需最大限度提高原材料的利用率，以降低成本；

（2）因储存介质特殊，规范及生产制造工艺对设备接口要求互斥，需采取特殊措施解决；

（3）由于不锈钢材料塑性及回弹量与常规球罐的差异，需研究球壳板压制成型精度控制措施；

（4）本工程仅1 台球罐，需优化各工序衔接，保证各工种、各专业工作连续，以提高施工效率；

（5）因不锈钢材料特性使其焊缝无损检测方法不同，而球罐焊接、焊缝无损检测、绝热施工等均需脚手架；三者对脚手架要求不同，需整合不同作业对脚手架的要求，减少脚手架反复拆改，提高施工效率；

（6）由于不锈钢材料特性差异，需优化焊缝结构，采取合理焊接工艺，以降低焊缝应力，减小焊接变形；

（7）因不锈钢材料晶间结构特性不同，对不同焊缝结构须采取不同无损检测方法，且保证检测方法对焊缝质量缺陷的敏感性及准确性；

（8）因食品级不锈钢材料对防腐及洁净度要求高，需严格控制制造、组装、焊接清根等施工全过程渗碳污染材质，并采取特殊措施保证设备内部清洁度。

3 关键技术

3.1 优化结构设计，提高主材利用率，减小焊缝长度

根据GB/ T17261- 2011《钢制球形储罐型式与基本参数》的规定，3500m3球罐混合式结构可采用4 带10 柱、4 带12 柱、5 带14 柱结构。以常用的4 带12 柱为例，赤道带球心角50°、上温带球心角40°、极带球心角90°，球壳板焊缝总长约625m，其极板宽度达2.99m。根据市场调查，目前国内钢厂中厚不锈钢板最大轧制宽度为2.6m，均无法轧制如此宽的不锈钢钢板。如采用五带十四柱结构，赤道带球心角39°、温带球心角38°、极带球心角65°，球壳板焊缝总长约793m，其赤道板、极板宽度约2.150m。

根据市场调查，目前国内钢厂宽度2.6m 以内板幅可定且价格差异不大。针对市场情况，经与设计协商优化，最终采用5 带12 柱结构，将赤道带球心角改为45°、温带球心角30°、极带球心角75°，极板球壳板宽度降为约2.49m，满足了钢板同订货尺寸要求。实际订货板幅仅2.33m 及2.52m 两种，实际球壳板材料利用率（球壳表面积/ 实际订货面积）为87.35%，材料利用率远大于规范中结构，仅主材订货成本费一项节约达82 万元。同时球壳板焊缝总长降为578m，大幅减少焊材用量、焊接量、焊缝酸洗及无损检测等成本费用，节省了球罐现场安装时间，综合经济效益显著。优化后5 带12 柱结构尺寸示意图见图1，球罐结构形式及优劣势对比见表2。

图1 优化后5 带12 柱结构尺寸示意

表2 球罐结构形式及优劣势对比

3.2 与国家标准对接，解决规范及生产工艺对设备接口要求互斥问题

标准GB/ T 12337- 2014《钢制球形储罐》5.6.5 条“盛装毒性程度为极度或高度危害介质的球罐，进出口应在上极开孔。经与国家锅标委对接，其主要目的是防止重大地质灾害导致进出口管拉断破裂时，毒性介质会大量溢出，造成二次灾害性后果。

环氧丙烷具有自聚特性，有在球罐下部停滞区产生自聚引发爆炸的风险。如果球罐液体出口开在上极，无法通过泵将液体从球罐抽出，导致泵产生严重的气缚和气蚀，不能保证装置的长周期安全稳定操作运行。且球罐现场组焊等施工作业也必须从下人孔进入。

为解决以上两方面要求互斥问题，经业主、设计、监理、施工会商，决定采取以下措施：

（1）罐底中心设置人孔，人孔盖采用反向法兰型式，反向法兰小端焊接出口接管，人孔法兰与人孔盖（反向法兰）采用焊接密封；

（2）球罐所有管口及仪表端口压力都设计为300lb；（3）球罐外围设置围堰；

（4）提高应力计算地震烈度计算，地震烈度由1.3提高到2.0。

通过以上措施，既能避免重大地质灾害造成二次灾害性后果，又能满足制造和检修的需要，也避免了人孔中的环氧丙烷介质不流动，且不会产生严重的气缚和气蚀，保证装置的长周期安全稳定操作运行。经报请锅标委组织专家审核批准，成功解决了规范及生产工艺对设备接口要求互斥问题。

3.3 以球罐组装精度控制为目标，通过模拟试验，优化工艺及质量控制措施

由于大型厚壁不锈钢球罐目前国内外应用很少，其球壳板压制时的回弹量、模具设计、压点布置及球壳板移动量等参数，均无成熟的可借鉴的经验。经与制造商对接，综合多方经验，制定了多层次、多点数的压片工艺方法。为提高压制精度，先用一块2.52m×2.5m×0.024m 的同批钢板样品进行试压制。试压时按正向横压、纵向压、反向横压、整体调整复压校形四遍成型；前两遍施压不压到底，每遍分多级施压，每级施压均准确记录压力、变形量、回弹量、钢板外形伸缩量，并据以调整后续施压参数。通过试制，准确掌握了不锈钢球壳板压制压力和回弹量的关系比及相关技术参数，为模具设计、压点布置、球壳板移动量提供了可靠依据。根据试压时钢板外形伸缩量，准确计算下料尺寸。

根据球壳板试压制结果，选择了两次下料、三遍压制成型、整体复压校形的球壳板压制方法，始终以球罐的组装精度为球壳板制造的控制目标。规定球壳板制造的顺序，加大检验样板尺寸，且每种球壳板的检查结果作为下一种球壳板制造时公差确定的前提，制订出从模具设计、压点布置、球壳板移动量、精确下料样板制作、极板Y 形缝精度控制、累积偏差控制等一整套球壳压制工艺技术线路。实现了球壳压制精度控制目标，最终球壳板曲率用2.5m 样板检测，最大偏差均小于0.002m。

3.4 研发设计一种特殊挂架，保证各工种各专业工作连续以提高施工效率

本工程仅1 台球罐，各工种作业无法按照传统的方法通过多台球罐切换实现各工种连续作业。为此，中化六建利用现场已有的不锈钢定位块、脚手杆、圆形楔子等材料设计制作了一种挂架。地面预安装在球壳板上并随球壳板吊装后，利用此挂架而不依赖满堂内外脚手架即可完成球罐组装及精度调整。同时，内外脚手架可在组装调整过程中穿插完成，从而保证脚手架搭设、球罐组装、调整、焊接均能连续进行，避免窝工，极大提高了施工效率。挂架结构形式见图2、优化后的施工程序见图3。

图2 挂架与球壳板连接结构形式

图3 优化后的施工程序

（1）根据球罐外形、焊缝布置及球壳板尺寸，确定挂架安装位置，计算确定挂架耳板与水平杆夹角。用卡扣连接并调整挂架拉杆、斜撑长度，保证耳板与球壳板贴合。球壳板吊装就位后水平杆处于水平方位，确保施工作业平台稳定和安全。

（2）球壳板吊装前，在地面将三角挂架安装在球壳板上。挂架安装受力点用球罐同材质定位块，与球壳板满焊。耳板用不锈钢板制作，中间开设与定位外形相适应的方孔，并与水平杆焊接。定位块与耳板间用圆楔固定。挂架其他材料用Φ48m×3.5m 镀锌钢管，再用卡扣连接并调整挂架拉杆、斜撑长度，上铺钢跳板并用镀锌铁丝固定。

（3）为了方便球罐的组装，球罐赤道带板吊装前先搭设外架至赤道带板上口位置。

（4）为了便于球罐赤道带板组装调整，下温带及下极带壳板的挂架安装在罐内侧，上温带及上极带壳板的挂架安装在罐外侧。随各带板吊装，将各排挂架用跳板连接成一体，以方便通行。

（5）下温带及下极带壳板组装的同时，外脚手架继续搭设到球罐最高点相适应的高度。下温带及下极带壳板组装完成后，开始搭设下温带及下极带外架，同时开始吊装组装上温带及上极带壳板。外架完成后将外架与挂架联接，用三防布覆盖，要求达到防火、防风、防雨，满足焊接及无损检测的要求。各部位外加搭设时，同步搭设斜梯及休息平台安全通道。

（6）球罐组装完成后，将脚手架材料自罐底部人孔输送至罐内，并在罐顶人孔处设置吊装滑轮提升，完成球罐内脚手架的安装并铺设跳板。

3.5 整合不同作业对脚手架的要求，减少脚手架反复拆改，提高施工效率

根据规范要求，对于奥氏体型钢制球罐的对接焊接接头应优先采用射线检测，其他材料制球罐应优先采用衍射时差法超声检测；不宜采用Y 射线全景曝光射线检测；且不锈钢球罐因材料晶粒粗大等致使其焊缝无损检测方法多采用X 射线定向曝光。而大型厚壁不锈钢球罐所需X 射线机及其移动小车尺寸较大，重量较重，要求球罐内外脚手架均不能影响X 射线机及其移动小车移动。而球罐组装焊接、绝热施工对脚手架需求也各有不同。为此，需要整合各专业的需求对脚手架进行优化，见图4。

图4 球罐内部脚手架搭设示意图

（1）内脚手架采用满堂红形式搭设，总共10 层，底层以下人孔为中心，边长6m 的正方形为基本架构，每边设置4 根立杆。立杆相互间用扫地杆相连。而后以横杆及斜撑的形式向外扩展立杆，间距约1.7m。横杆延长至球壳板内表面，以用做镀锌跳板的支撑。每层均用横杆相连接。

（2）外脚手架与防护棚连为一体，采用双排结构为基本架构，按照球罐总高度进行分层搭设。第一层在距下方环缝约1m 的下方搭设一层脚手架，根据小横杆的长度加搭斜支撑，每层的层距不高于1.8m，依次类推，在片架搭设过程中逐层搭设操作平台。脚手架外部用阻燃篷布进行覆盖，要求达到防风、防雨及防坠落目的。

（3）球罐上半部无损检测采用从外向内透照，下半部无损检测采用从内向外透照。因此要求球罐上半部外架、下半部内架所有杆件及扣件距离焊缝横向距离大于0.2m，竖向距离大干0.4m。为满足绝热施工需要，外架与球壳板外表面距离为0.15m。

3.6 采取合理焊接工艺，降低焊缝应力，减小焊接变形

3.6.1 控制材料铁素体含量

316L 不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹及耐蚀性。奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁素体对防止焊接热裂纹、提高焊缝抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力都有十分重要的作用，但在一些特定的环境，如高温、超低温及选择腐蚀环境，又有不利作用。综合考虑本工程焊接及抗晶间腐蚀和应力腐蚀要求，增加了原材料及焊接材料中铁素体含量3%～8%的控制要求。

3.6.2 优化焊缝结构

采用X 型不对称坡口，以减小焊缝截面尺寸。对于下温带下极带之间焊缝及下温带与赤道带之间焊缝，采用同大外小的X 型不对称坡口，其他焊缝采用同小外大的X 型不对称坡口，减少仰焊工作量。

3.6.3 制订合理焊接工艺

根据焊接工艺评定，焊条应采用直流电源、焊条接正极，可进行全位置焊接，严格控制焊接线能量不超过32kJ/ cm。施焊时，采用窄焊道、薄层多层焊。所有焊缝第一层焊道均采取分段退焊法。先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝。焊缝外部全部焊完后，进行内部清焊根，并经渗透检测合格后再焊焊缝内部。极板的纵缝从中间向两侧焊。球罐焊缝焊接参数见表3。

表3 球罐焊缝焊接参数

3.7 针对不锈钢材料晶间结构特性，对不同焊缝结构需采取不同无损检测方法

（1）球壳厚度为24～28mm，其C、D 焊接接头因为结构特点、透照角度、贴片位置等原因（均为角焊缝）难以进行射线检测，清晰度、缺陷检出率均不能达到效果。鉴于以上实际情况，经设计审定，取消C、D 类焊缝RT 检测要求，改为分层PT 检测。

（2）支柱对接焊缝因结构型式所限，经设计审定，取消UT 检测要求，改为分层PT 检测。

（3）球壳板及接管对接焊缝采用X 射线检测。

3.8 应用因素分析法，全面分析影响设备内部清洁度因素，并制订相应控制措施

3.8.1 通过对比及试验，消除焊缝碳弧气刨清根所带来的渗碳污染及其他不利影响

不锈钢焊缝背面清根有手持砂轮机和碳弧气刨两种方法。使用手持砂轮机清除奥氏体不锈钢焊缝缺陷及清根，能满足设备内部清洁度及抗腐蚀性能。但由于奥氏体不锈钢材料塑性强，打磨困难，需耗费大量人力及资源，同时焊缝缺陷极为不易发现。采用碳弧气刨工艺进行焊缝背面清根具有高效、快捷、方便、易操作，以及气刨过程中容易发现焊缝缺陷的特点。但对于不锈钢球罐焊缝特别是超低碳不锈钢，采用碳弧气刨处理奥氏体不锈钢材料焊缝容易带来不可接受的风险，例如表面渗碳、夹碳；二次受热引起材料变形；熔渣飞溅造成板材渗碳污染；引起焊缝及母材晶间变化，降低材料耐腐蚀性。综上分析，消除焊缝碳弧气刨清根所带来的渗碳污染及其他不利影响，是保证设备内部清洁度及满足抗腐蚀要求的关键因素。

为研究碳弧气刨清根对焊缝的影响，利用球壳板下料边角料现场制作了多组条形试板对碳弧气刨清根进行试验和验证。根据现场球壳板对接焊缝结构尺寸，选择4×355 的碳棒，分别采用140A、160A、180A、200A、220A电流分段进行试刨，观察发现，采用电流140A 时电弧不稳，易产生夹碳缺陷；采用电流160～200A 时，随着气刨电流增大，刨宽刨深有所增加，且刨槽光滑；当采用电流220A 时，碳棒易发红，镀铜皮有脱落形成铜斑现象。试刨时，用测温枪检测刨槽表面温度发现，虽然气刨电流与焊接电流相比较大，但因奥氏体不锈钢导热系数小，碳弧气刨产生的热量很快被压缩空气吹走，其表面温度约120℃左右，远低于焊接时焊缝温度及普通碳钢合金钢气刨时温度，因此气刨对不锈钢焊缝并无变形等二次受热影响。通过进一步对试样切割打磨测量发现，采用电流160～200A时，其渗碳层厚度为0.1～0.2mm；采用电流140A 和220A 时，其渗碳层厚度0.2～0.4mm,使用手持砂轮机完全可以清除轻易渗碳层。

采用同样方法，选择5×355 的碳棒，采用电流180～220A 时，可获得理想光滑的刨槽。其渗碳层厚度均在0.3mm 以内，使用手持砂轮机完全可以清除轻易渗碳层。

通过试验，现场确定了气刨后再用手持砂轮机打磨0.3mm 的焊缝清根工艺。清根后，试样经化学成份分析及晶间磨蚀试验证实，无渗碳及晶间耐磨蚀性能变化。极大地提高了焊缝清根效率，又消除焊缝碳弧气刨清根所带来的渗碳污染及其他不利影响。焊缝清根工艺参数见表4。

表4 焊缝清根工艺参数

3.8.2 通过过程控制，避免不锈钢材料与碳素钢接触产生渗碳、污染、损伤等

（1）球壳板压制过程，球壳板与下模具铺设牛皮纸隔离，球壳板与压制胎具间用不锈钢皮隔离；

（2）脚手架全部采用镀锌材料，防止铁锈污染，脚手杆与球壳接触处用不锈钢薄板隔离；

（3）定位块等所有需与球壳焊接的工装件均用不锈钢制作，定位卡具、楔子均喷砂除锈并刷漆处理；

（4）焊缝在焊接及气刨前两侧涂刷白垩粉，防止飞溅污染，焊后用酸洗膏酸洗并清除干净；

（5）试压用水采用脱盐水，严格控制水质；气密采用洁净干燥无油的压缩空气；

（6）投用封闭前整体用化学喷洗并干燥。

综上所述，通过以上关键技术的实施，实现了良好的工程经济效益。