压力容器设计工程师培训教材球形储罐

1、 压力容器设计工程师 培训教材 目 录 24.1 型式24.2 球壳板24.3 装量高度24.4 标准24.5 设计24.6 材料 24.6.1 球罐用钢板 24.6.2 球罐用锻件24.6.3 焊条24.7 零部件附件 24.7.1 人孔接管 24.7.2 支柱拉杆 24.7.3 平台梯子 24.7.4 隔热保冷 24.7.5 附件(消防喷淋装置压力表温度计液位计安全阀紧急切断口接地) 目 录24.8 球壳板成形 24.8.1 下料 24.8.2 成形24.9 组焊 24.9.1 零部件组焊 24.9.2 组焊 1、组焊 2、焊接24.10 无损检测 24.10.1 射线检测与超声检测 24

2、.10.2 磁粉检测与渗透检测24.11 焊后整体热处理24.12 产品焊接试板24.13 压力试验和气密性试验 24.13.1 液压试验 24.13.2 气密性试验24.14 特种球罐 24.14.1 液化石油气球罐 24.14.2 液氨球罐 24.14.3 氧气球罐 24.14.4 天然气球罐24.14.5 低温球罐球形储罐简介 球形容器在石油化工冶金城市煤气等工业领域被广泛应用于储存液化石油气液化天然气液氨液氮液氢液氧天然气城市煤气压缩空气等物料在原子能发电站作核安全壳在造纸厂用作蒸煮球在化工行业作反应器等。我们把用于储存液体和气体物料的球形容器称为球形储罐。 球形储罐壳体受力均匀,在相

3、同直径和相同工况下,球形容器的薄膜应力仅为圆筒形容器环向应力的一半,相应承压能力强且相同容积下球壳表面积最小,质量轻但因球形储罐容积大,需制造厂成形球壳板,安装单位现场组装焊接,制造安装有一定难度,技术要求相对较高。 24.1 型式 球形储罐型式多样,从形状看,有圆球形和椭球形从壳体的层数看,有单层多层双金属层和双重壳球罐从支承方式看,有柱式和裙式从球壳板结构型式分有桔瓣式足球瓣式和混合式(见图24-1)。 (a)桔瓣式 (b)足球瓣式 (c)混合式图24-1 球壳板结构型式 桔瓣式是先用纬线将球壳切割成球带,再以相邻两条径线将球带分割成球壳板,这种分瓣法叫桔瓣式分瓣法。其特点是球壳的拼装焊缝

4、规则施工组装较简便。缺点是各带因位置不一,球壳板尺寸规格多,只能在本带或上下对称带之间互换,原材料利用率低,焊缝较长,球极板往往因宽度窄小,使接管布置拥挤,甚至造成焊缝难以错开。 足球瓣式是将球体沿径纬方向切割,每块球壳板的结构尺寸完全相同,互换性好,下料成型规格化,材料利用率高,拼装焊缝长度短,相应检测工作量亦小。缺点是球壳板交接处有Y型焊缝,焊缝布局复杂,施工组装困难,对球壳板的精度要求高。 混合式兼备了桔瓣式和足球瓣式两者的特点,是将球壳除极板采用足球瓣式外,其余均用桔瓣式球壳板。相对桔瓣式而言,混合式的优点是材料利用率较高,焊缝长度有所缩短,球壳板数量减少,故特别适用于大型球罐。缺点是

5、因具有两种型式的球壳板,组装校正较麻烦,仍有Y型接缝,制造精度要求高。 以引进1000m3丙烯球罐为例,一台是桔瓣式结构,另一台是混合式结构,将其球壳板数量及焊缝长度列入表24.1中,不难看出,同样是1000m3的丙烯球罐,采用混合式球壳板数量大大减少,焊缝总长较桔瓣式缩短了23%。 目前工程中广泛采用的是桔瓣式和混合式球罐。 GB/T17261规定了钢制球形储罐的型式与公称容积,球壳内直径, 球壳分带数,各带球心角,各带分块数球罐基础中心圆直径,支柱底板面至球壳中心的距离及支柱根数等基本参数,供设计时参照选取。 GB/T17261标准采用了桔瓣式和混合式两种型式。桔瓣式容积从50m3(DI=

6、4.6m)到10000m3(DI=26.8m)混合式容积从1000m3(DI=12.3m)到10000m3。 GB/T17261中所列1000m3数据见表24.1。 思考题 1、 球形储罐的主要特点是什么2、球壳板结构型式分几种各有什么优缺点 表 24.1 1000m3桔瓣式与混合式球罐比较表 型式 球壳分带数 支柱根数 总块数 各带分块数 焊缝长度 桔瓣式 5 8 54 3+16+16+16+3 352 引进球罐 混合式 3 10 28 7+14+7 272 桔瓣式 5 8 10 54 66 3+16+16+16+3 3+20+20+20+3 GB/T17261 混合式 3 4 8 10 3

7、0 54 7+16+7 7+20+20+7 24.2 球壳板设计 球壳板设计要点 （1）球壳板的几何尺寸应尽可能大。GB12337规定了每块球壳板均不得拼接,球壳板最小宽度不小于500mm。 球罐的破裂事故,绝大多数都发生在焊接接头处,缩短球壳的焊缝长度是提高球罐质量及安全可靠性的关键措施之一。缩短焊缝长度的根本途径是加大球壳板尺寸,选择最佳的球壳分带数和各带分块数,从而使安装焊接检测工作量相应减少。 从表24.1中我们发现,同样是3带8柱的1000m3混合式球罐。GB/T17261球壳板总数为30块,而引进球罐是28块。引进球罐在确保支柱与球壳板纵焊缝错开的前提下加大了赤道带球壳板的宽度,其

8、赤道带球壳板数为14块(GB/T17261是16块)从而减少了二条赤道带的纵焊缝(见图24-2)。因赤道带球壳板板间连接是垂直方向的焊接接头,焊缝成形较差,属质量控制困难区,减少此类组焊工作量将有利于提高球罐质量。 图24-2 引进1000m3丙烯罐俯视图 目前国内3带10柱2000m3球罐的赤道板尺寸已做到8221x3288,极边板尺寸达到10347x3288。 （2）选择合适的钢板规格,提高板材利用率。 制作600m3球罐若采用7m长的钢板来下料,其板材利用率可达85%,随着板片加长,其利用率将急剧下降。表24.2-1是我国引进的1900m3乙烯球罐下料汇总表,球罐表面积是746m2,因温

9、带板极侧板采用了套裁的方法,使其供下料的钢板面积仅810.83m2,利用率高达92%。 (3)规格要少,互换性要好。(4)相邻带纵焊缝应相互错开。(5)焊缝布局应均匀,减少装配应力拘束应力与残余应力。(6)必须考虑压机及起重能力。 设计时须综合考虑以上各要点,经验表明,采用宽而不很长的钢板来制作球壳板是比较经济的。表24.2-2摘录了某国外公司部分系列,供参阅。 表 24.2.1 1900m3乙烯球罐下料表 名称 块数 球壳板尺寸 长 x 宽(弧长)mm 原材料钢板尺寸 长 x 宽,mm 赤道板 温带板 极中板 极侧板 20 40 2 4 6047.6x2237.6 6047.6x2237.6

10、 6155x2450 (20 块) 6250 x3515 (20 块) 6085x3055 (2 块) 5330 x3065 (2 块) 面积总和 m2 746 810.83 思 考 题 球 壳 板 设 计 应 考 虑 哪 些 要 点 ？ 表 24.2-2 国外某公司液体球罐球壳板分割表 公称容积 内径 各带板数 各带球心角 (m3) (mm) L M N 型式 S1 S2 S3 S4 S5 支柱数 焊缝 长度 (m) 400 9150 12 A 90 30 30 6 154.4 500 9850 12 A 90 30 30 6 166.2 600 10500 12 A 90 30 30 6

11、177.1 700 11050 12 A 90 30 30 6 186.4 800 11550 12 B 60 24 24 8 224.5 900 12000 12 B 60 24 24 8 233.3 1000 12450 16 B 70 22 22 8 274.5 1500 14250 16 B 70 22 22 8 314.2 2000 15650 15 B 70 22 20 10 335.5 2500 16850 18 B 80 20 20 12 402.9 3000 17900 18 18 C 10 40 18 18 12 494.6 3500 18850 21 21 D 50 22

12、.5 17 17 14 513.6 4000 19700 24 24 D 50 25 16 16 16 708.7 5000 21250 24 24 D 50 27.5 15 15 16 775.5 6000 22550 24 24 24 E 40 30 20 14 14 16 892.5 24.3 装量高度 规定了盛装液化气体(含液化石油气)的固定式压力容器装量系数一般取0.9。对容器容积经实际测定者,可取大于0.9,但不得大于0.95。 球罐装量系数与装量高度关系: 装量系数K系球缺体积V与球壳体积V之比值: 3234)3(iRHRiHVVK 型型型型型已知装量系数K,查表24.3得k值.

13、按公式H=kDi便可计算出装量高度H值。例如:1000m3丙烯球罐,内径Di=12300mm,装量系数K=0.9,求装量高度?只需查表24.3:K=0.9得 k=0.8042。则其装量高度为: H=kDi=0.8042x12300=9891.66mm 思考题:1、 对盛装液化石油气的球罐装量系数有何规定2、试计算内径15700mm,2000m3乙烯罐,其装量高度为12300时的装量系数是多少 表 24.3 装量系数 K 与装量高度系数 k 的关系 K k K k K k K k K k 0.50 0.5000 0.60 0.5671 0.70 0.6368 0.80 0.7129 0.90 0

14、.8042 0.51 0.5067 0.61 0.5739 0.71 0.6440 0.81 0.7211 0.91 0.8150 0.52 0.5133 0.62 0.5807 0.72 0.6513 0.82 0.7294 0.92 0.8263 0.53 0.5200 0.63 0.5876 0.73 0.6587 0.83 0.7380 0.93 0.8383 0.54 0.5367 0.64 0.5945 0.74 0.6661 0.84 0.7467 0.94 0.8510 0.55 0.5334 0.65 0.6014 0.75 0.6736 0.85 0.7556 0.95 0

15、.8646 0.56 0.5401 0.66 0.6084 0.76 0.6813 0.86 0.7647 0.96 0.8796 0.57 0.5468 0.67 0.6154 0.77 0.6890 0.87 0.7741 0.97 0.8964 0.58 0.5535 0.68 0.6225 0.78 0.6968 0.88 0.7838 0.98 0.9160 0.59 0.5603 0.69 0.6296 0.79 0.7048 0.89 0.7938 0.99 0.9411 令:装量系数 K 相对应的装量高度 H 为:H=kDi k 为装量高度系数 则:K=3k2-2k3 解此方程

16、较麻烦,现将结果整理成下表,供设计时查取。 24.4 标准 国内现行的球罐标准有GB12337-1998钢制球形储罐,GB50094-98,GB/T17261-1998 ,SH512-90,SH3048-99等。 GB12337标准规定了碳素钢和低合金钢制球形储罐的设计制造组焊检验与验收的要求。适用于设计压力不大于4M Pa的桔瓣式或混合式以支柱支撑的球罐。不适用于:受核辐射的球罐经常相对运动(如车载或船载)的球罐公称容积小于50m3的球罐要求作疲劳分析的球罐和双壳结构的球罐。 GB12337-1998和 GB50094-98在我国都具有技术法规的效用,且为球罐工程建造的强制性国家标准。GB5

17、0094施工及验收所包括的范围是参照GB12337第3.1条编写的,故在其各章内容上与GB12337基本相同。表24.4-1列出了两项标准在编制颁发适用范围内容上的差异。 GB50094从施工现场出发,对组装过程中的质量控制提出了一些具体要求如球罐赤道带组装后,每块球壳板的赤道线水平误差相邻两球壳板的赤道线水平误差任意两块球壳板的赤道线水平误差,组装时对球罐的最大直径与最小直径之差的控制值及拉杆中部挠度的控制值等等。 有些如球壳板厚度周边100mm范围内超声检测及低温球罐钢板的逐张超声检测要求是针对制造厂在出厂前已做了全面检测,在GB50094中只提现场抽检,应该说是合理的。但两个标准在某些项

18、目控制值上仍存在差异,请设计人员注意(见表24.4-2)。 表 23.4-1 GB12337 与 GB50094 比较表 序号 项目 GB12337-1998 GB50094-98 1 编制颁发 全国压力容器标准化技术 委员会提出 国家质量技术监督局发布 建设部编制 建设部与国家技术监督局联合发布 2 适用范围 P?4MPa V50m3 桔瓣或混合式 支柱支撑 碳钢或低合金钢制球形储罐 0.1MPaP4MPa V50m3 桔瓣或混合式 支柱支撑 碳钢或低合金钢制球形储罐 3 内容 设计制造组焊 检验与验收 仅从现场施工出发,规定了施工与验收要求 至今国际标准化组织(ISO)欧美各国均没有编制专

19、用的球罐标准,这些国家的球罐建造技术要求与本国的压力容器标准通用。世界上仅有日本液化石油气协会编制了JLPA201,该标准内容比较完整,包括管理体制材料结构制造检验修补附属设备涂料和标志等部分。日本是建造球罐数量最多的国家,我国从日本引进的球罐数也最多。现行JLPA2012000(第四版)对1989年(第三版)在最大壁厚焊接工艺评定予热状况整体热处理超声检测磁粉检测渗透检测合格级别等内容作了修改对最高设计温度与最低设计温度作了定义,明确了设计思路设计压力考虑方法更趋合理计算存贮能力时将常用温度定为40追加了新钢种及许用应力值等,具体内容请阅读原文。 表 24.4-2 GB12337 与 GB5

20、0094 控制值的差异 序号 项 目 GB12337-1998 GB50094-98 1 支柱安装找正后,H8m 时,在球罐径向和周向两个方向的垂直允许偏差mm 10 12 2 碳素钢球壳对接接头应进行100%射线或超声检测的厚度 mm 30 38 3 碳素钢应进行焊后热处理的厚度 mm n32 n34 4 20R 16MnR 热处理工艺 60025 62525 5 热处理升降温控制起始点 400 300 6 压力试验时对液体温度要求 5 0 思考题: 1、 GB12337-1998主要包括哪些内容2、GB12337-1998适用范围是什么3、GB12337-1998与GB50094-98两者

21、关系如何 24.5 设计 设计压力和设计温度是球罐设计的两大参数。 设计压力指设定球罐顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件,其值不低于工作压力。 球罐上装有超压泄放装置,应按GB150附录B“超压泄放装置”的规定确定设计压力。 对于盛装液化气体的球罐,在规定的充装系数范围内,设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。 设计温度指球罐在正常工作情况下,设定的受压元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值) 。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。 设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度,设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

22、对于不同工况的球罐,应按最苛刻的工况设计,并在图样或相应技术文件中注明各工况的压力和温度值。 球壳的计算需计入液柱净压力。 球罐的腐蚀裕量取不小于1mm。 当球罐铭牌上规定有最大允许工作压力时,在计算试验压力时,公式中应以最大允许工作压力代替设计压力。 对盛装毒性程度极度或高度危害的物料易燃的压缩气体或液化气体的球罐应进行气密性试验。 设计图样的技术文件中,应写明所盛装介质的名称成分组成适用的标准主要工艺参数特殊要求等。 球罐设计时应考虑以下载荷: 1、压力 2、液体静压力 3、球罐自重（包括内件）及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷 4、附属设备与隔热材料管道支柱拉杆梯子平台等

23、的重力载荷 5、风载荷,地震力,雪载荷。 球罐因结构的对称性和形状特点,质量可近似地集中于球壳中心,故球罐可视为单自由度体系。因为球罐在脉动情况下按剪切型振动,即结构在水平力作用下,整个体系会产生平移,球罐本身不发生偏移,所以求解球罐在水平力作用下的位移便可能化为求支柱在该力作用下的位移问题。风力及地震力等水平力的合力Fmax通过球心,该合力在赤道平面上由几根支柱分担,各支柱受力可能不同,但其合力一定是水平力Fmax。当支柱在水平力Fmax作用下发生位移时,拉杆将被拉长或压短,从而限制了支柱的位移。支柱的地脚螺栓使其底部不产生水平位移及转角,即相当于固定端支承,支柱便相当于悬臂梁。 当支柱底板

24、与基础的摩擦力Fs大于等于拉杆作用在支柱上的水平力Fc时,理论上球罐不需设置地脚螺栓,但为了固定球罐位置,规定应设置一定数量的定位地脚螺栓。 球罐设计中应校核表24.5所列的内容。表 24.5 球罐设计中应校核的内容 序号 内容 公式 备注 1 设计温度下球壳的计算应力 eeDiPcit4)(t Pci计算压力包括液柱静压力 MPa t设计温度下球壳材料许用应力 MPa 操作状态下 cWWZmMAWEXp)8 . 01 (000 2 支柱稳定性 液压试验状态下 cWWZmMAWEXTpT)8 . 01 (0 c支柱材料许用应力 5 . 1sc，MPa 3 地脚螺栓的螺纹小径 dB BBdCnF

25、sFc13. 1 B地脚螺栓材料许用剪应力 sB4 . 0，MPa 4 底板厚度 bbbbcbCL23 b底板材料许用弯曲应力 5 . 1sb，MPa 5 拉杆螺纹小径 TTrCFd13. 1 拉杆材料许用应力 5 . 1s，MPa 销子直径 prpTd8 . 0 p销子材料的许用剪应力 sp4 . 0，MPa 耳板厚度 cpTcdF c耳板材料许用应力 5 . 1sc，MPa 翼板厚度 2ssca s翼板材料的屈服点 MPa 耳板与支柱的焊缝 WTSLF1141. 1 w焊缝材料的许用剪应力 sw4 . 0，MPa 5 拉杆 焊 缝 强度 拉杆与翼板的焊缝 wTSLF2282. 2 w焊缝的

26、许用剪应力 sw4 . 0，MPa 操作状态下 t001 t设计温度下球壳材料许用应力 MPa 6 支柱与球壳连接最低点a的应力 液压试验状态下 s9 . 01 s试验温度下球壳材料的屈服点,MPa 7 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 wwwSLW41. 1 w焊缝的许用剪应力 asw4 . 0，MPa 思考题: 1、 球罐设计应考虑哪些载荷？2、 怎样计算球壳厚度？ 24.6 材料 球罐用钢应考虑球罐的使用条件(如设计温度设计压力物料特性等)材料的焊接性能球罐的制造工艺和组焊要求以及经济合理性。球罐用钢许用应力按GB12337 3.6节选取。 24.6.1球壳用钢板 压力容器用钢板种类繁多,国

27、产碳素钢和低合金钢钢板用于球罐的钢板仅有20R, 16MnR,15MnNbR,16MnDR,07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR六个钢种。钢板的标准及使用状态见表24.6-1。15MnNbR比16MnR含碳量略低(C0.18%)并添加了Nb(0.010.04%),既细化了晶粒又产生了弥散强化的效果,钢的强度和韧性指标均优于16MnR,也优于日本的SPV355,该钢种厚板力学性能稳定,性能价格比较高。 表 24.6-1 钢板的标准使用状态 钢号 20R 16MnR 15MnNbR 07MnCrMoVR 16MnDR 07MnNiCrMoVDR 钢板标准 GB6654 GB3531 使

28、用状态 30 热轧 30 正火 正火 调质 正火 调质 厚度 6-100 6-120 10-60 16-50 6-100 16-50 设计者若需求更高性能指标,可通过生产厂企业标准或专门制定订货合同来解决。武钢企业标准Q/WG(ZB)05-2000中的WHD1(16MnDR)和WHD4(09MnNiDR)标准性能值和实物性能值见表24.6-2 。 表 24.6-2 WHD1 和 WHD4 标准及实物性能值 AKV 牌号 交货状态 厚度 mm b MPa S MPa S % J 1636 470600 295 标准值 正火 3660 450580 275 21 -40 34 WHD1 实物值 2

29、648 505595 350460 2236 -40 61167 1016 440560 300 1636 430550 280 标准值 正火或 正火+回火 3660 430550 270 23 -70 31 WHD4 实物值 1265 450530 345405 2641 -70 42248 注 随机抽取 143 批 随机抽取 205 批 引进常温球罐用钢均为一般的C-Mn系铁素体锅炉和压力容器用钢,如UNION36Nb, SPV355等。引进低温球罐用钢为CREUSELSO34SS, N-TUF50,WEL-TEN62及RIVERACE60L等,其化学成分和力学性能见表24.6-3。 第2

30、3条规定:压力容器主要受压元件采用新研制的材料(包括国内外没有应用实例的进口材料)或未列入GB150等标准的材料试制压力容器,材料的研制生产单位应将实验验证资料的第三方的检测报告提交全国压力容器标准化技术委员会进行技术评审并获得委员会出具的准许试用的证明文件（应注明使用条件）,并按第7条规定办理批准手续。全国压力容器标准化技术委员会于2001年5月31日发布了“压力容器用材料技术评审管理办法”。该办法内容包括总则使用范围评审方式技术评审程序技术评审证书收费标准说明。经评审准许使用的材料可上网查阅“压力容器用材料技术评审公告栏”。 GB12337对球壳用钢板的要求: (1)对设计温度低于0而高于

31、-20的球壳用钢板的要求。当设计温度低于0时:厚度大于25mm的20R；或厚度大于38mm的16MnR；或设计温度低于-10时:厚度大于12mm的20R；或厚度大于20mm的16MnR； 应每批取一张钢板进行夏比（V型缺口）低温冲击试验。试验温度为球罐的设计温度或按图样的规定,试样取样方向为横向。 (2)球罐的设计温度低于或等于-20时钢板的使用状态及最低冲击试验温度应符合表24.6-4的规定。 表 24.6-4 低温时钢板的使用状态及最低冲击试验温度 钢号 使用状态 厚度 mm 最低冲击试验温度 热轧 625 16MnR 正火 6120 15MnNbR 正火 1060 07MnCrMoVR

32、调质 1050 -20 16MnDR 正火 636 36100 -40 -30 07MnNiCrMoVDR 调质 36100 -40 对 07MnNiCrMoVDR 钢制乙烯球罐为了提高母材的韧性储备能力,有的设计单位要求JAKV8045(单个56J),赤道板JAKV10045；有的提出JAKV8040(单个56J),并提供-50冲击数据的要求。 （3）钢板逐张超声检测要求 凡符合下列条件的球壳用钢,应逐张进行超声检测: a)厚度大于 30mm 的 20R 和 16MnR 钢板 b)厚度大于 20mm 的 16MnDR 钢板 c)调质状态供货的钢板 d)上下极板与支柱连接的赤道板 锻件级别由设

33、计者确定,并在图样中注明如16Mn。人孔锻件的级别不应低于级,大于DN150的接管用锻件级别一般也不应低于级。 设计温度低于或等于-20时,锻件的热处理状态及最低冲击试验温度应符合表24.6-6的要求。 表 24.6-6 设计温度低于或等于-20时锻件热处理状态及最低冲击试验温度 钢号 热处理状态 公称厚度 mm 最低冲击试验温度 16MnD 正火加回火,调质 300 -40 08MnNiCrMoVR 调质 300 -40 24.6.3 焊条 焊条应具有质量部门证明书,质量证明书应包括熔敷金属的化学成分力学性能扩散氢含量等。各项指标应符合 GB/T5117,GB/T5118,GB/T984等标

34、准的有关规定。 球罐的焊缝以及直接与球罐焊接的焊缝,应选用低氢型药皮焊条,并按批号进行扩散氢试验,方法按 GB/T3965的规定进行。 钢板的超声检测应按JB4730的规定,热轧正火状态供货的钢板质量等级应不低于级,调质状态供应的钢板质量等级应不低于级。 (4)逐张进行拉伸和夏比(V型缺口)常温或低温冲击试验的钢板符合下列条件的球罐用钢板,应逐张进行拉伸和夏比(V型缺口) 常温或低温冲击试验。 a)调质状态供货的钢板 b)厚度大于60mm的钢板。 24.6.2球罐用锻件 球罐用锻件主要用于人孔和接管。锻件应有足够强度塑性和韧性,用于焊接时还应注意其可焊性。锻件用材一般依据球壳用材进行选取,见表

35、24.6-5。 表 24.6-5 按球壳用钢选取锻件钢号 球壳钢号 20R 16MnR 15MnNbR 16MnDR 07MnNiCrMoVDR 锻件钢号 20 16Mn 20MnMo 16MnR 08MnNiCrMoVD 锻件标准 JB4726 JB4727 思考题: 1、 球罐所用材料许用应力如何选取2、球罐用钢应考虑哪些因素3、球罐用国产钢板有哪些对其使用状态有何要求4、设计温度低于0而高于-20的球罐用钢板有什么要求5、球罐用钢板什么情况下应逐张进行超声检测,其检测标准号及质量等级是什么 24.7零部件附件 球罐除球壳板外,通常还有人孔接管支柱拉杆平台梯子安全附件等组成。 24.7.1

36、人孔接管 球罐上一般开设有物料进出口压力表温度计液位计口安全阀口放空口排污口等。球壳上下极板上应各设置一个公称直径不小于500mm的人孔。对需要进行焊后热处理的球罐,人孔又成为进风口燃烧口及烟气排放口,此时人孔设置在上下极带的中心。人孔应选用回转盖或水平吊盖结构。人孔与球壳板相焊部分应选用与球壳板相同或相当的材质。补强可采用整体锻件凸缘补强或补强板补强。人孔法兰一般采用带颈对焊法兰,密封面大多采用凹凸面形式。球罐的开孔及开孔补强按GB150第8章“开孔和开孔补强”的规定进行设计与制造。接管多采用厚壁管或整体锻件凸缘补强措施,球罐接管应尽量设计在上下极带上,便于集中控制。球罐底部接管数目应最小化

37、,推荐国外仅接一根管线的先进设计方案。对贮存液化石油气球罐底部接管的第一道阀门,法兰垫片的压力等级应提高一级,按2.5MPa选用,法兰选用对焊法兰,垫片选用带有金属保护圈的缠绕垫片。为减少残余应力,人孔接管与极板的组焊应在制造厂进行,并进行消除应力热处理。球壳与接管的焊缝应采用全焊透结构,可参照GB150附录J“焊接结构”的有关规定。接管法兰应采用凹凸面法兰,法兰面应设计成水平或垂直状态,减少工艺配管的附加应力。接管上用加焊支撑来提高强度和耐疲劳性能。接管端部为降低应力集中应打磨成圆角。 24.7.2支柱拉杆 球罐支承有柱式和裙式两大类。裙式包括圆筒裙式支承,锥形支承及用钢筋混凝土连续基础支承

38、的半埋式支承锥底支承。柱式包括赤道正切柱式支承V型柱式支承和三合一柱式支承。 所谓赤道正切结构是:由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置,与球壳相切或近似相切(相割)而成的焊接结构。支柱支承了球罐的重量,为承受风载和地震力,保证球罐稳定性,在支柱之间设置拉杆相连接。这种支座的优点是受力均匀,弹性好,能承受热膨胀的变形,组焊方便,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。GB12337选用的就是赤道正切柱式支承。 1.支柱 支柱顶部与球壳的连接结构分平板式半球式和椭圆式三种。GB12337规定用球形或椭圆形的防雨盖板。 支柱下部与球壳的连接结

39、构有直接连接加托板U形柱和翻边四种,见图24.7-1。 支柱盖板壳体盖板支柱壳体壳体盖板支柱支柱形柱连接板壳体盖板托板向视图向视图形柱翻边加托板直接连接图24.7-1支柱与壳体的连接形式 U形柱结构既避免了支柱与球壳连接部下端由于夹角小而造成的焊接困难,又保证了支柱与球壳焊接质量的可靠性。U形柱由钢板弯制而成,特别适用于低温球罐对支柱的要求。翻边结构不但解除了连接部位下端施焊困难,确保了焊接质量,对该部位的应力状态也有所改善。 支柱一般采用钢管制作。下段支柱可分段, 分段的长度不宜小于支柱总长的1/3。段间的环 向接头应全焊透,可采用沿焊缝根部全长有紧贴 金属垫板的对接接头。对于大型球罐支柱,

40、由于无 大直径钢管,可选用相应钢板卷制,应尽量减少环 缝的数量。支柱上设置通气口是出于安全防火的需 要,一旦遇到火灾,支柱内的气体会急剧膨胀,压力 迅速升高,短时间内造成支柱爆裂,球罐倒塌,为避 免此类情况发生,在支柱上应设置通气口,见 图24.7-2。对储存易燃物料及液化石油气的球罐, 还应设置放火层。 图24.7-2 支柱各部分名称 地脚螺栓壳体盖板上段支柱上支耳支柱防火层下段支柱沉降测量板通气孔底板基础地脚螺栓下支耳通气孔 具有低温要求或球壳用钢板标准抗拉强度下限值大于540MPa及球罐容积大于或等于2000m3时, 支柱一般都分段。有时考虑制造安装运输的方便也将支柱分成两段。支柱与低温

41、球罐本体相连的上段支柱必须选用与球壳板相同的低温钢, 规定其与赤道板的组焊在制造单位进行,同时在制造单位做消除焊缝残余应力热处理。下段支柱可选用一般结构钢。 为对球罐基础沉降量进行观察,在各支柱上水平焊有永久性的测定板,以便测定每根支柱的沉降量,是球罐沉降观察的依据。 在支柱底板上开设通孔以利积水的排除。支柱底板的地脚螺栓孔应为径向长圆孔。2.拉杆 拉杆结构有可调式和固定式两种。拉杆与支柱的上下连接点应分别在同一标高上。固定式拉杆的交叉处采用十字相焊或固定板相焊。可调式拉杆的立体交叉处不得相焊,见图24.7-3。固定式拉杆结构简单稳定抗弯能力大,近年来国外10005000m3球罐已大量采用固定

42、式拉杆,但GB12337-1998标准中仅提供了可调式拉杆的计算方法。 松紧节拉杆支耳支耳拉杆固定板可调式固定式图24.7-3 拉杆的连接形式 24.7.3平台梯子 球罐外部设有顶部平台,中间平台以及为了从地面进入这些平台的斜梯直梯或盘梯。大型球罐为便于检修可在内部设置旋转的内梯。 24.7.4隔热保冷 储存液化石油气可燃性气体及有毒气体的球罐壳体和支柱,应设置隔热设施。隔热设施可采用水喷淋装置或采用不燃性绝热材料覆盖。降温喷淋装置应设计成可向整个球罐表面均匀淋水,其淋水量按球罐外表面积的0.03L/S.m2进行计算。 当球罐中储存低温物料(如乙烯液化天燃气液氨等)时应设置保冷设施,保冷结构应

43、充分防止外界热量侵入储罐本体。保冷材料的厚度原则上应为保证在外层材料表面不结露的厚度。保冷结构要在地震风载雨消防水的压头影响下,能保证绝热的效果。 24.7.5附件 1.消防喷淋装置对储存易燃易爆物料的球罐,特别是液化石油气球罐必须设置消防喷淋装置,按我国建筑设计防火规范,其供水强度应不小于0.15L/S.m2,着火储罐的保护面积按其全面积计算,距着火罐直径1.5倍范围内的相邻储罐按其面积的一半计算,直径超过20m的地上固定顶立式罐冷却延续时间按6h计算。液化石油气火灾的延续时间按6h小时计算。为防止支柱因直接受火过早失去支撑能力,对储存易燃易爆物料和LPG物料的球罐支柱应采用非燃性材料进行隔

44、热保护,其火灾延续时间不应小于2小时。 2、压力表应在球罐顶部和底部各设置一个量程相同并经校正的压力表,为校表时 能取下压力表,压力表前应安装截止阀。选用压力表的量程为试验压力2倍左右为宜,但不应低于1.5倍或高于4倍试验压力。压力表直径以不小于150mm为宜。 3、温度计应在球罐上安装一个以上的温度计。保护管应具有足够强度。低温球罐或在寒冷地区装设的球罐,必须防止雨水湿气等流入测温保护管内而结冰,从而影响正确的温度测定。 4、液位计贮存液体或液化气体的球罐应装设现场和远传液位计,不推荐选用玻璃板液位计。液位计要有高低液位报警装置,防止装载过量抽空,特别在装载液化石油气时更应慎重,应单独设高液

45、位报警和带联锁的高高液位报警,以免发生事故。 5、安全阀为防止运行异常造成超压,应在气相部分设置一个以上的安全阀,同时在气相部分还要设置一个以上的火灾安全阀。若安全阀开启压力设定在操作异常时的压力,而泄放量为操作与火灾时两者中较大的泄放量,则可只设一个安全阀。但储存液化石油气的球罐必须设置两个安全阀,每个都能满足事故状态下最大泄放量的要求,安全阀应设手动切断阀,切断阀口径与安全阀一致,并保持全开状态安全阀释放和气相放空的液化气原则上应排至全厂火炬系统,当受条件限制时,可直接排入大气,排放口应高于罐区中最高罐顶2m以上。当排放量较大时,应引至安全地点排放。 6、紧急切断阀:液化石油气球罐底部入口

46、管线应设置紧急切断阀,入口紧急切断阀应与球罐高高液位报警联锁。 7、接地:凡罐区不设置单独的避雷装置时,每台球罐支柱必须设置两个以上接地电阻10以下的接地凸缘。 1、 球罐采用赤道正切柱式支承有什么优缺点2、球壳与支柱连接有哪些形式常用何种结构3、支柱结构设计时应考虑哪些因素4、在什么情况下球罐要装设水喷淋装置5、球罐安全阀设置有何规定 思考题: 24.8 球壳板成形 球壳板由制造单位压制成形。制造单位下料前应按质量证明书对钢材进行验收,必要时尚应复验,并按标准或图样要求进行冲击试验和超声检测。 24.8.1下料 球壳板下料方法有二次下料法和一次下料法两种。 二次下料法是先对球壳用钢板进行近似

47、平面展开(球面是不能在平面上展开的,故此近似平面展开带来较大误差),加上适当的预放量和压制回弹量进行第一次粗下料,然后用圆弧模板校正两维坐标的球面曲率圆弧,再进行第二次精下料,获得所需球壳板。这种方法设计者仅提供球壳板主要外形尺寸,其设计放样程序在制造单位进行,具体尺寸由制造单位自行决定。 一次下料法由设计者根据球壳板的空间曲面尺寸经过计算,提供制造单位完整的立体标定施工图,制造单位按图一次下料压制成型。一次下料法需借助数控切割机对钢板进行精确切割(包括坡口),这种下料方法成型后的球壳板精度较高,为球罐现场组焊一次吊装就位奠定了基础。 目前多数制造单位仍采用二次下料法,最后采用双枪气割一次完成

48、坡口的制备。 24.8.2成型 球壳板可采用冷压或热压(温压)成形,热压是指将钢板加热到临界点(AC3)以上某一温度(如9001000,一般950左右)并在这个温度下成形。温压是指将钢板加热到低于AC1某一温度下(一般为400500)压制成形。热压(温压)需要整体胎具,热压成形的球壳板,其力学和弯曲性能须由热压工艺保证。冷压是指没有人为加热在室温下按一定压制顺序采用点压使其成形的方法。调质钢应采用冷压成形法。 成形后的球壳板应逐张进行厚度检测,其实际厚度应不小于名义厚度减去钢板的负偏差。除几何尺寸外还必须仔细检查坡口表面,不得有分层和裂纹等缺陷,材料标准抗拉强度下限值b540MPa的钢材气割表

49、面应磁粉或渗透检测,球壳板周边100mm范围内应按JB4730的规定进行超声检测。坡口表面及其内外边缘50mm的范围内要涂可焊性防锈涂料。 思考题: 1、 球壳板表面质量曲率几何尺寸允差有何要求 2、 球壳板坡口表面应符合哪些要求 3、 用 07MnCrMoVR,07MnNiCrVDR 钢板制造球壳板应采用什么方法成形 24.9 组焊 24.9.1零部件组焊 分段支柱上段与赤道板人孔接管与极板应在制造单位组焊,并进行消除应力热处理。若有后热消氢处理要求者应焊后立即进行。 组焊后用弦长不小于1000mm的样板检查赤道板开孔周边100mm范围内及开孔中心一倍开孔直径外的极板曲率,最大间隙不得大于3

50、mm。人孔接管开孔位置及外伸高度允差不大于5mm。 法兰面应垂直接管中心线,且保持水平或垂直,支柱直线度应控制在允差内(L/1000,且10mm)。支柱与底板组焊应垂直,其偏差2mm。 每台球罐制造单位还应提供与球壳板具有相同钢号相同规格的4块产品焊接试板母材,试板宜与其他零部件装箱运输。 24.9.2组焊 球罐组焊前应对基础尺寸进行检查,对零部件进行复验。底板与基础拉杆与支柱的固定连接应在压力试验合格后进行。 1、组焊 组焊方法从装与焊的关系来看,有整体组焊法和分带组焊法之分,足球式球壳板宜采用整体组焊法,桔瓣式球壳多采用分带组焊或拼带组焊法。从合理选用起重机具减少高空作业改善焊接作业位置(

51、如减少仰焊立焊),提高焊接质量等方面考虑,即按地面予加工深度看,又可分为单片组装,拼大片组装和环带组装。大型球罐通常采用单片组焊法(也称散装法) 。 球壳不得采用机械方法强力组焊。组焊后的对口间隙对口错边量对接接头的棱角度不得超差。 支柱安装找正后,在球罐径向和周向两个方向侧量垂直度偏差,偏差值应小于GB12337的规定值。可调式拉杆应对称均匀拉紧。 连接板包括予焊件应与球壳紧密贴合,并在热处理前装焊完毕,若其角焊缝是连续焊,应在最低部位留出通气缝隙。 2、焊接 组焊单位在焊接工艺评定前,应针对钢板的钢号厚度焊接方法及焊接材料选取适宜的方法进行裂纹试验。焊接予热温度由组焊单位通过焊接裂纹试验及

52、焊接工艺评定确定。 可焊性是一个相对概念,评价钢材可焊性试验方法很多,最高硬度试验铁研抗裂试验窗形拘束试验落锤试验宽板拉伸试验等都可用来检验焊接接头的抗裂性能机械性能及金相组织,从而证明焊接工艺的可靠性。 裂纹试验国内一般采用Y型斜Y型窗形拘束三种方法。Y型坡口焊缝裂纹试验的坡口型式见图24.9,试验方法参照GB4675.1,主要用来评价熔敷金属根部冷裂纹倾向,裂纹率应为零。斜Y坡口焊接试验又称小铁研试验,是一种苛刻的抗裂试验,试验目的是检查焊缝热影响区断面裂纹纵向裂纹的敏感性,由于其拘束度大,日本铃木春等认为:只要该试验焊缝表面裂纹率小于20%,实际构件焊接时就不会产生冷裂纹(不包括定位焊短

53、段焊和补焊), 但是人们习惯上仍以试验焊道表面和断面裂纹率为零作为不出现冷裂纹的依据。窗形拘束试验模拟了球罐的高拘束度,主要用于评价高强度钢多层焊时焊缝产生横向裂纹的敏感性,其结果可验证施工工艺的正确性,所以球壳板厚度大于25mm时,还应做窗形拘束裂纹试验。 球罐焊接工艺评定应按JB4708的规定,且应按立焊横焊位置分别进行试板评定,抗拉试验和弯曲试验结果应符合相应材料标准的规定,低温冲击试样为两组(每组三件)缺口分别开在焊缝金属及热影响区上。焊接规程按图样技术要求和评定合格的焊接工艺制定。 图24.9 型坡口 焊接过程中应加强对焊工焊材施工环境的管理。 定位焊工卡具焊接工艺及其对焊工的要求与

54、球壳焊接相同,它们的引弧点和熄弧点应按规定进行，严禁在非焊接位置任意引弧和熄弧。工卡具折除时不得损伤球壳板,切除后应打磨平滑。 要求焊前予热的焊缝,施焊时层间温度不应低于予热温度下限。焊接线能量应不超过经焊接工艺评定合格的线能量上限。应采用后退起弧法,终端应将弦坑填满。多层焊的层间接头要错开。双面焊对接焊缝单侧焊接后应用碳弧气创进行背面清根,清根后用砂轮磨除渗透层并修整坡口。材料标准抗拉强度下限值b540MPa的钢材清根后须进行100%渗透检测。承压焊缝应连续施焊,因故中断焊接时,要采取防裂纹措施,再次施焊前应经磁粉或渗透检测确认无裂纹后,方可按原工艺要求继续施焊。 需消氢处理者焊后须立即进行

55、后热消氢处理,后热温度宜为200250,后热时间应为0.51h。 焊后检查: 对接焊缝形成的棱角E不得大于10mm;球壳两极间净距与设计内直径之差和赤道截面最大与最小内直径之差均应小于球壳设计内直径的0.7%,且不大于80mm;焊缝表面不得有裂纹咬边气孔弧坑和夹渣等缺陷,并不得保留有熔渣与飞溅物;焊缝余高不得超标;角焊缝应打磨圆滑过渡至母材的几何形状。 思考题: 1、分段支柱的上段与赤道板的组焊为什么要在制造单位进行组焊后质量控制有何要求 2、球罐在焊接工艺评定前对裂纹试验有什么要求 3、在什么情况下球壳焊缝焊后必须立即进行消氢处理24.10 无损检测 从事球罐无损检测人员,必须持有质量技术监

56、督部门颁发的有效期内的锅炉压力容器无损检测人员技术等级资格证书。取得级以上证书的人员方可填写和签发检验报告。焊缝表面的形状尺寸及外观检查合格后,方可进行无损检测。用有延迟裂纹倾向钢材制作的球罐,应在焊接结束至少经36h后.方可进行焊缝的无损检测。 24.10.1射线检测与超声检测 GB12337规定凡符合下列条件之一的球罐对接接头应按图样规定的检测方法,进行100%射线或超声检测。 a)厚度s大于30mm的碳素钢和16MnR钢制球罐; b)材料标准抗拉强度下限值b540MPa的钢制球罐; c)进行气压试验的球罐; d)图样注明盛装易燃和毒性为极度危害物料的球罐; e)图样规定须100%检测的球

57、罐。 除上述的焊接接头外,允许做局部射线或超声检测。检测方法按图样规定。检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%,局部无损检测应包括每个焊工所施焊的部分部位。以下部位应全部检测,其检测长度计入局部检测之内。 a)焊缝的交叉部位; b)嵌入式接管与球壳连接的对接接头; c)以开孔中心为圆心,1.5倍开孔直径为半径的圆内所包容的焊接接头; d)公称直径不小于250mm的接管与长颈法兰接管与接管对接连接的焊接接头; e)凡被补强圈支柱垫板内件等所覆盖的焊接接头。 对进行100%射线或超声检测的焊接接头,是否需采用超声或射线进行复测,以及复测的长度,由设计者在图样上予以规定。 射线检测与超声检测按JB

58、4730进行,合格级别按图样和GB12337的规定。 24.10.2磁粉检测与渗透检测 磁粉或渗透检测前应打磨受检表面至露出金属光泽,并应使焊缝与母材平滑过渡。 B12337规定符合下列条件的部位应按图样规定的方法,对其表面进行磁粉或渗透检测: a)图样注明有应力腐蚀的球罐,材料标准抗拉强度下限值b540MPa的钢制球罐及用有延迟裂纹倾向钢材制造的球罐的所有焊接接头表面;嵌入式接管与球罐连接的对接接头表面; b)焊补处的表面; c)工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面; d)支柱与球罐连接处的角焊缝表面; e)凡进行100%射线或超声检测的公称直径小于250mm的接管与长颈法兰接管与接管对

59、接接头表面。 磁粉检测与渗透检测按JB4730进行,I级为合格。 不少工程设计单位对碳素钢16MnR钢制球罐的对接焊缝均要求进行100%射线检测,当厚度超过38mm时,还追加20%超声复检,焊缝表面焊后要求进行100%磁粉或渗透检测。对材料标准抗拉强度下限值b540MPa的钢材及低温钢材制作的球罐对接接头需进行100%射线检测,并要求进行100%超声检测复检,焊缝表面在焊后及水压试验后均要求进行一次100%磁粉或渗透检测。 思考题: 1、 对有延迟裂纹倾向的钢材,在探伤时有何规定 2、球罐对接接头在什么情况下要进行 100%的射线或超声检测 24.11 焊后整体热处理 球罐焊后整体热处理应在水

60、压试验前进行。焊后热处理的目的是释放残余应力,改善焊接接头的塑性和韧性,恢复冷作时的予应变和时效而丧失的性能,以避免应力腐蚀。热处理也会带来一些负面效应,主要是回火脆性,微量的锑硫锡和砷是脆性元素,而铬锰镍的存在又加剧了脆化,少量的钼有助于防止脆化,当Mn0.5%时对碳素钢回火脆性不敏感。焊接结构中最敏感的回火脆性部位在焊缝金属及热影响区。符合下列情况之一的球罐GB12337规定要进行焊后整体热处理:a)图样要求进行焊后热处理者;b)厚度大于32mm(若焊前予热100以上时,厚度大于38mm)的碳素钢和07MnCrMoVR钢制球壳;c)厚度大于30mm(若焊前予热100以上时,厚度大于34mm