1500m3球罐设计

2002年12月 长 炼 科 技 第28卷第4期 62 长 炼 科 技 2002年 第4期 戴一兰. 1500m3丙烯球罐设计 61 1500m3丙烯球罐的设计 戴一兰 (岳阳长岭炼化工程有限公司) 摘要：介绍了1500m3丙烯球罐的主要设计过程。如主体材质的确定、整体结构的设计等，并作了简要的理论分析。 关键词：丙烯球罐 钢板性能 混合式结构 1 设计 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 因我厂发展的需要，液化气罐区实施扩容改造，增设一台1500 m3丙烯球罐。其工艺设计参数为：（1）公称容积：1500m3（2）球壳内直径：φ14200mm（3）存储介质：丙烯（4）操作压力：1.93MPa（5）设计压力：2.16MPa（6）设计温度：50℃。 根据设计参数的确定，以下从丙烯球罐的选材、结构、制造、检测、安装等方面进行论述。 2 设计选材 2.1 选材原则 球罐选材必须符合GB150-1998《钢制压力容器》的规定。但因球壳承受双向拉应力， 而且须在现场组装、焊接，球壳焊缝长、焊接条件差且焊缝质量要求高，球罐体积大，一旦失效其危害性也大，因而对材料提出了特殊要求。（1）为了承受双向拉应力，以及控制球壳厚度，要求材料具备一定的强度级别。随着板厚增加，材料综合力学性能不够稳定，焊接质量及热处理难以保证，因此选中厚板较好。（2）除强度指标外，韧度指标和可焊性，对球罐而言尤为重要。材料韧度好，可避免球壳产生裂纹，防止快速断裂，提高球罐安全性能。由于大量的双曲面球瓣须在现场组装、焊接，因此 材料的可焊性也是选材原则之一。目前，一般以碳当量Ceq和裂纹敏感性组织Pcm加以衡量。（3）优良的抗H2S应力腐蚀性能。（4）钢板具有良好的塑性变形后还能保持完善的综合力学性能。（5）由于钢材价格占整个球罐造价比重很大，其经济性也应加以权衡。（6）有配套的锻件和焊材。 2.2　选材 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 钢中添加合金元素总量5%以下，屈服强度275MPa以上，仍具有良好的综合力学性能的称之为低合金高强钢。参照有关单位建造的丙烯球罐，根据确定下的设计参数。丙烯球罐材料可选用低合金高强钢16MnR、15MnNbR和07MnCrMoVR。以下对这三种材料进行比较： 2.2.1 高韧度16MnR钢板性能 16MnR钢板是使用量最大的压力容器专用钢板，广泛用于建造各类压力容器和中小型球罐，但其韧度指标偏低,实物水平与日本、德国相比差距更大。在标准许可范围内通过添加微量V、Nb和少量的Ni元素,可大幅度地提高16MnR钢板的韧度指标和实物水平(与日本生产的SPV355相当)。其化学成分和力学性能见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1和表2。 2.2.2 15MnNbR钢板性能 15MnNbR焊接性能与16MnR相近，但强度和韧度均高于16MnR,其强度指标较15MnVR钢板高6%，比16MnR钢高10%,并于1998年被列入国标，成为压力容器用低合金高强度正火钢板。其化学成分和力学性能见表3和表4。 2.2.3 07MnCrMoVR钢板性能( 07MnCrMoVR钢是采用低碳多元微合金以严格控制碳当量（Ceq≤0.42%）和焊接裂纹敏感性组织（Pcm≤0.20%）, 并通过合理的调质热处理获得强韧比最佳的组织结构,从而从根本上保证了其焊接性能和优良的低温韧度。该钢的化学成分和力学性能见表5和表6。 表1 高韧度16MnR化学成分 % C Si Mn P S Ni V Nb ≤0.20 0.20～0.60 1.20～1.60 ≤0.035 ≤0.020 ≤0.30 ≤0.05 ≤0.035 表2 高韧度16MnR力学性能 厚度/mm 交货状态 拉力试验 冲击试验 σb /MPa σs /MPa δs /% 温度/℃ Akv(横向) /J 38～60 正火 470～600 ≥305 ≥21 -20 ≥31 表3 15MnNbR化学成分 % C Si Mn P S Nb ≤0.18 0.20～0.55 1.20～1.60 ≤0.025 ≤0.015 0.010～0.040 表4 15MnNbR力学性能 厚度/mm 交货状态 拉力试验 冲击试验 σb/MPa σs/MPa δs/% 温度/℃ 38～60 正火 520～640 ≥350 ≥20 -20 ≥34 表5 07MnCrMoVR化学成分 % C Si Mn P S Ni Cr Mo V B Pcm ≤0.09 0.15～0.40 1.20～1.60 ≤0.030 ≤0.020 ≤0.30 0.10～0.30 0.10～0.30 0.02～0.06 ≤0.003 ≤0.20 表6 07MnCrMoVR力学性能 厚度 /mm 交货 状态 取样方向 及部位 拉力试验 冲击试验 σb/MPa σs/MPa δs/% 温度/℃ Akv(横向)/J 16～50 调质 横向1/4厚度处 610～740 ≥490 ≥17 -20 ≥47（平均值）≥33（单个值） 2.3 钢板性能对比和应用情况 上述的3种钢板材料中15MnNbR和07MnCrMoVR钢板的磷、硫等有害元素的控制均较高韧度16MnR严格，而且强度和韧度均高于16MnR，见表7。可以看出，07MnCrMoVR钢强度较16MnR(WH510)高29%，较15MnNbR高17%，而且韧度最好。若用07MnCrMoVR建造1500m3丙烯球罐，其壳体厚度42mm较为合适,质量较16MnR可减轻16%，虽然其钢板价格比16MnR贵,经济性不十分明显，但它仍是1500m3丙烯球罐的首选材料之一。 综上所述，决定1500m3丙烯球罐壳体板材采用07MnCrMoVR,锻件采用与之配套的08MnNiCrMoVD，焊条采用J607RH。 表7 3种材料力学性能对比 钢 号 许用应力值/MPa -20℃冲击韧度值/J 许用应力值对比 16MnR(WH510) 157 31 1 15MnNbR(WH530) 173 34 1.1 07MnCrMoVR 203 47 1.29 3 球罐设计方案的确定 3.1　混合式结构 正确进行球壳设计，首先必须解决对球体的经济合理的分割。其主要原则是：球瓣尺寸必须尽量的大，球瓣数量必须尽量的少，球罐焊缝总长度要短，球罐焊缝的配置要便于焊接。目前各国球瓣组合形式颇为繁多，主要有足球式分瓣法、桔瓣式分瓣法、足球桔瓣混合分瓣法、带式分瓣法和变形分瓣法等多种。 球罐破坏事故绝大多数发生在焊接接头部位， 因此减少球壳焊缝总长度，是提高球罐安全性的关键措施之一。减少球壳焊缝总长度的途径有2条，一是采用混合式排板结构，二是尽量加大球壳板单片尺寸。设计中第一版采用丁字形接缝桔瓣式，第二版采用足球桔瓣混合式，见图1。两种方案的球壳主要尺寸对照见表8。第二版设计中球壳板数量比第一版减少了12块，且最大板幅净尺寸达2230.6x7886.1（单位：mm）。球壳焊缝总长度为412.8m，比第一版457.6m减少了近45m，相对增大了球罐使用的安全性。 图1 丁字形接缝桔瓣式和足球桔瓣混合式结构图 表8 两版设计球壳主要结构尺寸 版号 各带球心角 各带球壳板数量 球壳板总张数 最大球壳板单片尺寸/ mm 上极 上温 赤道 下温 下极 上极 上温 赤道 下温 下极 1 54 36 54 36 54 3 20 20 20 3 66 1987.4x6691.6 2 90 28 62 90 7 20 20 7 54 2230.6x7886.1 3.2　上支柱的结构设计 支柱与球壳的连接处可采用直接连接结构型式、加托板的结构型式、U形柱结构型式或支柱翻边结构型式及赤道正切支柱型式。 支柱与球壳的连接，既要能充分地传递应力，又要求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。基于以上考虑，本球罐上支柱结构采用赤道正切支柱型式带U型横托板联接结构（图2），这种结构有如下优点： （1）由于支柱正切于球体赤道线，球壳的附加弯距等于零，球壳不会产生局部较大的法向力； （2）支柱间等距，并与拉杆组成立体行架式结构，使球罐支撑稳定，安全度大； （3）这种支承对球罐热膨胀性及各种受力变形具有较大的弹性，现场组装施工方便。 （4）不用增加带支柱赤道板厚度，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。 （5）支柱可分体运输，现场组焊方便，容易找正。 （6）这种支柱结构，焊缝全部在外表面，易于焊接，便于检验。 图2 上支柱型式 3.3　接管结构设计 球罐人孔及接管处是球罐强度最薄弱应力状态最复杂的部位。由于接管设计不合理，造成球罐整体失效和破坏已有先例，应引起重视。此次接管补强结构全部选用厚壁管补强和凸缘补强。选用原则为：接管直径小于或等于公称直径80mm者，采用厚壁管补强；接管直径大于公称直径100mm者，采用整体凸缘补强。设计要点如下： （1）接管开口位置在上、下极板上，两相邻孔尽量分散，保证两相邻接管的焊缝距离大于球瓣厚度的3倍以上，且不小于100mm； （2）所有接管的法兰面保持在同一个水平面上，使得与外界工艺管道配合时不会产生附加的管道应力； （3）接管的补强凸缘与球壳连接时，使补强凸缘的轴线垂直于球体开孔表面。 4 结论 丙烯球罐质量第一，既是用户的要求，也是设计单位的指导思想和设计原则。 在设计选材上，选用能抵抗H2S应力腐蚀的低硫磷的钢材，同时加强钢材的内部和外观检验，严格控制S、P、Ni、Mn的含量；在结构上对罐体合理分割，尽量减少球瓣数量，缩短焊缝总长度，便于焊接，减少隐患。提高球罐的安全可靠性，除从材料、结构考虑外，其制造、安装、工艺操作及管理等各个环节也必须加以控制，不可忽视。 参考资料 1全国压力容器标准化委员会GB12337-1998《钢制球形容器》.中国标准出版社，1999 2全国压力容器标准化委员会JB4732-95《钢制压力容器分析设计标准》.中国标准出版社，1995 3中国天然气总公司GB50094-98《球形储罐施工及验收规范》.中国 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 出版社，1998 （上接第58页）变送器被雷击损坏，则是由于温度变送器本身不防雷，同时，损坏的温度变送器没有保护接地，造成电荷无泻放通道。 例4：2002年7月17日中午，因雷电造成机电公司网络设备损坏数台，造成电气二班、三班及仪表七班无法上网汇报生产情况。原因为雷电感应电压馈入220VAC电源导致两台HUB、三台光纤收发器完全烧坏。 类似的情况还很多，我只举了几个发生在我身边的几件比较有代表性的例子，来说明雷电对我们的安全生产所造成的影响。 6 结束语 雷电灾害被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。我们应当充分认识这一点，综合治理，采取有效措施减少雷电对我们周围生产、生活的危害。 总之，由于自动控制系统大量采用大规模CMOS集成电路和分散控制用的CPU单元，使其对瞬间过电压承受能力大幅度减弱，同时控制系统各种线路伸入到工厂各种环境之中，采用任何一种单一防雷器件都难以保证其安全，必须采取综合防护的措施，将雷电所能造成的危害降低至最低点。 (收稿日期：2002-06-10 作者简介：戴一兰，1974年生，1996年毕业于浙江大学化工设备与机械专业，工程师，现在从事化工设备设计工作。 61 _1091362596.dwg _1091362812.dwg