4 000 m3丙烯球罐两种设计和建造方案对比

2020-01-07黄金国吴国俊

石油化工设备技术 2020年1期

黄金国，蒋军，王利，吴国俊

(合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031)

作为三大合成材料的基本原料，丙烯主要用于生产丙酮、环氧丙烷、丙烯腈、异丙烯等【1】。丙烯的基本性质为：分子量42.08、密度0.513 9 g/cm3、冰点-185.3 ℃、沸点-47.4 ℃，属低毒类物质。丙烯的存储一般分为：低温常压、低温压力和常温压力。在一般仓储企业或大部分工艺装置中的丙烯都是采用常温压力球罐存储，设计压力通常按照50 ℃时的饱和蒸气压来确定，即为2.16 MPa，建造材质选用Q370R或07MnMoVR；但有些设计院设计温度也会根据地域不同、工艺条件不同或基于本质安全的设计理念，将最低设计温度取为-48 ℃，这时则需选用JFE-HITEN610U2L、 07MnNiMoDR或15MnNiNbDR建造。

随着球罐设计水平、钢板质量及制造和安装水平的不断提高，丙烯球罐的最大建造容积从原来的1 500 m3逐渐增大到现在的4 000 m3。在满足一定库容要求的前提下，建造4 000 m3丙烯球罐减少了设备数量、占地面积以及配套管道、阀门及仪器仪表的数量，同时也降低了球罐运行后维护及停检修费用。

4 000 m3丙烯球罐由于设计压力较高，为实现轻量化，都采用分析设计方法。本文结合近年来国内建造的-20 ℃丙烯球罐较多的情况，对常温设计参数下4 000 m3丙烯球罐的两种建造方案进行了分析对比。

1 4 000 m3丙烯球罐的设计参数

本次建造的4 000 m3丙烯球罐主要设计参数见表1。

2 4 000 m3丙烯球罐的选材方案

针对4 000 m3丙烯球罐设计压力为2.16 MPa，分别选用中强度Q370R钢和高强度07MnMoVR钢进行建造，两种建造方案球壳板厚度及净质量见表2。

3 两种方案主体材料技术要求

3.1 方案一(Q370R)主体材料技术要求

球壳用Q370R钢板交货状态为正火，须进行100%超声检测，按NB/T 47013.3—2015Ⅰ级合格，杂质元素P含量由标准的不大于0.020%降低到不大于0.015%，S含量由标准的不大于0.010%降低到不大于0.008%。Q370R钢板的力学性能和冷弯性能见表3。从表3可以看出：其低温冲击韧性比GB 713—2014标准要求有较大幅度的提高。

按JB 4732标准、配套的锻件需选用20MnMoD锻件，调质状态交货，杂质元素P含量由标准的不大于0.020%降低到不大于0.015%，S≤0.008%，-40 ℃低温冲击功平均值KV2≥60 J(单个值≥42 J)。

表2 4 000 m3球罐两种方案球壳板厚度

表3 Q370R钢板的力学性能和冷弯性能

球罐开罐检查表明：裂纹约80%产生在焊缝上，焊缝的质量决定了球罐的质量。因此本次丙烯球罐主体焊接(球壳板之间、球壳板和凸缘之间等)用焊条的熔敷金属必须有较大的韧性储备，选用E5515-N2(J557RH)高韧性超低氢型焊条，其熔敷金属杂质元素P含量由标准的不大于0.025%降低到不大于0.020%，S含量由标准的不大于0.015%降低到不大于0.010%，采用微合金化技术，-50 ℃低温冲击功平均值KV2≥60 J(单个值≥42 J)相比标准要求，有较大幅度的提高，且对立焊位置的焊接线能量不太敏感。

3.2 方案二(07MnMoVR)主体材料技术要求

球壳用07MnMoVR钢板交货状态为调质，100%超声检测，按NB/T 47013.3—2015Ⅰ级合格，P≤0.015%，S≤0.005%。钢板的力学性能和冷弯性能见表4。

表4 07MnMoVR钢板的力学性能和冷弯性能

配套的锻件选用08MnNiMoVD锻件，调质状态交货，其中P≤0.015%，S≤0.008%，-40 ℃低温冲击功平均值KV2≥70 J(单个值≥49 J)。

球罐主体焊接(球壳板之间、球壳板和凸缘之间等)采用与07MnMoVR钢板相匹配的E6215-N2M1(J607RH)高韧性超低氢型焊条。其熔敷金属P≤0.015%，S≤0.010%，-50 ℃低温冲击功平均值KV2≥60 J(单个值≥42 J)。

4 4 000 m3丙烯球罐结构设计及有限元分析

两种方案设计的球罐结构型式基本类似，均采用分析设计。

先根据JB 4732设计标准的相关公式，初步确定球罐各部件的尺寸【2】，再利用有限元分析软件ANSYS对球罐的整体及上、下极开孔结构等局部结构进行有限元应力分析计算，然后根据JB 4732 标准进行应力分类和评定，并根据计算结果对一些部件的尺寸和结构进行调整和优化，形成最终的球罐结构图。

4.1 4 000 m3丙烯球罐的结构设计

球罐结构设计对球罐制造和安装的质量及投用后的可靠性和安全性都有极大的影响。合理的球罐布片结构可有效改善球罐的受力状况，同时也可最大限度地增大钢板利用率、减少主体焊缝的总长度以及降低成本。在综合考虑生产钢厂的轧制、制造厂的球片压制和安装单位的安装等能力后，两种方案的4 000 m3丙烯球罐都选定了4带12支柱混合式结构(见图1)，只是考虑到单块板重，在球壳板分带角度上略有差异。

图1 两种方案球罐整体结构

大部分球罐的厚壁管和球罐球壳板连接部位采用直插式结构，为角接接头，无法进行射线检测，其焊缝的焊接质量很难保证。此两种设计方案在设计时，将所有球壳板与凸缘和接管之间全部采用对接接头(见图2)【3】，可进行射线检测，提高了球罐焊缝质量，但由于厚壁管不是沿球罐的径向布置，增加了厚壁管的机加工难度。

两种方案4 000 m3丙烯球罐整体结构分别做了设计、压力试验和地震工况的有限元分析验算，对上、下极开孔接管局部结构做了设计和压力试验工况的有限元分析验算，并根据验算的结果进行了结构尺寸的优化。考虑到工艺管口载荷对相应接管及接管附近球壳结构、扶梯平台自重和风载对球壳及其附近支撑件的应力影响，增加了两种附加工况的计算。具体的计算工况及考虑载荷见表5。

图2 厚壁管和球壳板的对接接头形式

表5 有限元计算工况及考虑载荷

5 4 000 m3丙烯球罐建造技术要求

两种方案建造的4 000 m3丙烯球罐都具有一定的难度。方案一的Q370R钢制4 000 m3丙烯球罐厚度达56 mm(已超过标准中球壳厚度不宜超过50 mm的要求)；方案二的07MnMoVR钢制4 000 m3丙烯球罐厚度达47 mm，也接近此种材料建造球罐的上限厚度。故在采用这两种方案建造球罐时，除上述在材料方面所做的提高外，还在设计的其他方面提高了部分技术指标，以确保球罐的建造质量，主要表现以下几个方面。

5.1 进行专家评审备案

GB 150.1～150.4—2011《压力容器》和GB/T 12337—2014《钢制球形储罐》标准中都提出“球壳板厚度不宜大于50 mm”的要求，而方案一采用Q370R钢板制造的56 mm厚球壳板虽已突破50 mm，但此建造方案采取了组织专家评审等方式，并进行评审备案，对球罐设计、原材料订货、制造和安装等各个环节提出更高的技术要求，确保球罐安全可靠【3-4】。

5.2 提高球壳板等制造精度

球壳板等附件的制造尺寸精度越高，越接近设计理论尺寸。避免安装时强力组装，可减小球罐的残余应力。

将检查球壳板曲率的样板由标准弦长不小于2 m 增大至不小于3 m，精度更高；同时球壳板几何尺寸允许偏差也较标准要求做了一定程度的提高。

5.3 焊接工艺控制及安装过程技术要求

技术文件中明确规定了球罐主体焊缝不得采用φ5.0 mm的焊条；对焊前预热、焊接层间温度、焊接电流、焊接线能量、焊后消氢处理等事项均提出了严于标准的技术要求。

在焊接工艺评定中，方案一(Q370R)规定了焊接接头(热影响区及焊缝金属)经(610 ℃±15 ℃×5.0 h)焊后热处理后，-20 ℃低温冲击功平均值KV2≥41 J(单个值≥29 J)；方案二(07MnMoVR)规定了焊接接头(热影响区及焊缝金属)经(580 ℃±15 ℃×5.0 h)焊后热处理后，-20 ℃低温冲击功平均值KV2≥47 J(单个值≥33 J)。为了保证结构的连续性，使其受力状况良好，技术文件要求将球罐焊后棱角值由标准要求的不小于10 mm提高到不小于8 mm，且所有对接焊缝都应打磨至与母材圆滑过渡。

技术条件中要求热处理单位应制订详细的热处理方案，并对热处理工艺等提出了明确的技术要求和控制措施。

5.4 无损检测技术要求

为了提高大容积球罐的安全可靠性，两种建造方案的技术文件中，都对球罐焊接接头提出了比标准要求更高的无损检测比例和合格等级，见表6【5-6】。

6 4 000 m3丙烯球罐两种建造方案造价对比

国内球罐除材料费用之外，制造、运输和安装一般是按照吨单价进行测算，其中运输也占据了造价中不小的份额。两种方案建造的4 000 m3丙烯球罐造价是基于除钢板外其他条件一致的情况下进行的对比，按照目前的市场价格测算，单台4 000 m3丙烯球罐造价见表7。从表7中可以看出：两种方案建造的4 000 m3丙烯球罐性价比基本相当。