大型球罐材料选用及安装要求

大型球罐材料选用及安装要求 摘 要 介绍了大型球罐的选材原则、主要考虑的技术参数，目前国内外球罐的常用材料以 及球罐在制造、安装过程中，有关材料方面的主要技术要求。 关键词 大型球罐 选材 原则 焊接 安装 1 前言 伴随石化行业的迅猛发展，球罐需求的大型化（高压力、高容积）给球罐设计、制造、安装 提出了更高的要求。较一般压力容器而言，球罐因其现场组装，组装时对口多、再变形大、 相应局部应力大；球罐野外施焊、焊接条件苛刻，相应焊接性能保证难度大等特点，要求球 罐设计特别是选材要充分考虑。 2 选材原则 球罐用材要求在满足强度条件下，具有良好的焊接性能、耐蚀性能、成型性能及经济性能， 同时还要考虑其配套的锻件。 2.1 足够的强度指标 强度指标主要指屈服强度。抗拉强度，它们决定着球罐受力状况和造价。目前用作球罐的材 料有高强钢、中强钢，在低压大型球罐中还有低强钢。 高强钢因其强度高、球壳壁薄、有时不需热处理而越来越多应用在盛装丙烯、乙烯这类压力 较高的大中型球罐中。而中强钢以其性能稳定、生产技术、制造、安装技术成熟，且对所盛 介质要求不甚苛刻而广泛应用在中压球罐中，如液化石油气球罐。 2.2 充足的韧性储备 韧性是衡量材料抗开裂能力和止裂能力的重要性能参数。韧性与材料的化学成份、冶炼工艺、 使用状态及本身厚度、热处理状态等因素有关。 2.3 良好的焊接性能 焊接性能是指是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能。常用焊接处出现各种缺陷的倾 向来衡量。化学成份中 C 含量是影响焊接性能的主要元素，通常判别焊接性能指标有：碳当 量 Ceq、裂纹敏感性指数 Pc、裂纹敏感性组成 Pcm，Pcm≤0.20 的钢通常称为焊接无裂纹钢。 为保证材料的焊接性能，主要控制 C 含量。但在焊接过程中，还可以采取诸如焊前预热、焊 后消氢、控制焊接电流、线能量、层间温度等手段来改善焊接性能，提高焊接质量。采用整 体热处理则用来消除焊接过程中产生的焊接残余应力。 2.4 优良的抗 H2S 应力腐蚀性能 材料的耐蚀性能是指材料抵抗各种介质的侵蚀能力。对球罐而言，主要指其 H2S 应力腐蚀 能力。球罐耐 H2S 腐蚀能力与其用的材料强度、钢质纯净程度以及球罐的应力水平有关， 高强钢耐腐蚀能力比中强钢弱。高强钢应用到球罐上应严格控制 H2S 含量，据有关资料报 道：H2S ≤50ppm，而中、低强度钢没有这方面要求。 2.5 易成形不须预热 因热成形破坏调质钢板机械性能，设备复杂、劳动复杂、劳动强度大，能量消耗大、加工减 薄量较大，且成型难以保证球罐瓜片的几何尺寸，目前大型球罐的制造都采用冷成型MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713905792140_3。 这种方法相应要求钢板具有良好的塑性及经过塑性变形后还能保持较完善的综合力学性能。 2.6 经济性好 球罐本身造价高，其投资在项目中占相当大的比例，因此除满足上述性能指标外，还应具有 较好的经济性，即造价最低。若有多种材料可供选择，应选择韧性值高、造价合理的材料， 做到使用性、安全性、经济性三方面和谐统一。 2.7 有配套的锻件和焊材 球罐的锻件主要用于人孔颈、人孔盲板、法兰及接管，人孔规格通常为 DN500，相应锻件毛 坯达Ф 1000mm 以上，为保证球罐的整体质量，配置相应的锻件至关重要。应考虑到：一是 锻件要有良好的综合机械性能及焊接性能；二是锻件级别要达到应有的要求；三是锻件要和 采用的钢板匹配、不同钢板配置不同的锻件。常用材料的配套锻件见表 1。 3 球罐选材 3.1 国内外球罐常用材料 国外球罐用材：发展较早，以日本、西德、美国为代表的国家在六、七十年代就能生产出性 能稳定、规格齐全的中、高强度钢。如我国引进的 SPV355（日）WEL—TEN62CF（日）等。 国内球罐用材：八十年代未以前，大型高参数球罐用材基本上以进口为主（少量自产，且用 在小型球罐上），八十年代末以后，开始研制、开发，应用自己的材料，目前以能生产满足 大型球罐使用、制造、安装要求的各种钢材，且其价格远低于进口材料的价格，如武钢和通 用所共同研制的 20R（WH400）、16MnR（WH510）、15MnNbR（WH530）及 07MnCrMoVR （CF-62），这些材料与国外同强度级别材料相比，强度、韧性、焊接性能都接近，甚至超过 国外材料，使我国球罐用材从强度级别上达到系列化，其力学性能及化学成份分别见表 2、 表 3。 3.2 盛装常用介质的球罐用材 这里主要介绍盛装液化石油气、丙烯、液化气丙烯“混装”三种情况。 盛装液化石油气：介质为含 C3、C4 的液态烃类混和物，且含有一定量的 H2S，宜选用中强 钢，尤以其中的高韧性值钢种最理想，如 16MnR（WH510）。 盛装丙烯：丙烯纯度较高，几乎不含 H2S，宜选用高强钢，既满足使用要求，又减少了壁厚， 降低了整体选价。 “混装”：高强钢装丙烯有性能、价格优势，但满足不了装液化石油气耐 H2S 应力腐蚀要求。 中强钢装液化石油气为较理想钢种，但用其装丙烯球罐壁太厚，给制造、安装带来困难，因 而两种钢材都有其局限性，只有选用一种既具有足够的强度、又有良好的耐 H2S 腐蚀性能 材料方能解决问题，武钢新近研制的低合金钢 15MnNbR（WH530），是用在这种工况下的理 想材料。 4 制造、安装要求 球罐的制造包含瓜片的压制、极带上开口锻件的焊接，上支柱与瓜片的组焊以及焊缝局部热 处理。球罐的安装包含球罐壳现场组对，现场焊接以及有关的试验，检验内容，其中与材料 有关的主要要求如下： 4.1 原材料质量要求 球罐用钢必须严格按照选材有关 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 生产，并在制造、安装之前按照球罐标准及图样要求进 行相关参数的复验。 4.2 焊接质量要求 为确保焊接质量，焊接过程中应控制的重要参数有：焊接材料、焊接线能量、焊前预热、焊 后消氢以及整体热处理。 焊接材料：要求焊接材料能保证焊缝具有母体同等的韧性和强度值，不同母体材料应选用相 应的焊接材料，一般选用超低氢型焊条（手工焊时）以减少氢的危害，保管焊条时，注意焊 条的烘干、保温。 焊接线能量：其值与焊接电流、电压及焊接 速度有关，它直接影响焊缝和熔敷金属的强度、韧性、塑性等参数。不同材料的线能量值不 等。 焊前预热和消氢（焊后）：焊前预热是降低焊后冷却速度的有效措施，有利于氢的逸出，可 以减少焊接应力，防止冷裂纹的产生，其值取决于母材及焊接材料成份、球壳厚度、环境温 度。焊后消氢也叫后热处理，其作用与焊前预热相同。对于球罐应在焊后立即进行消氢处理。 一般消氢处理与焊前预热配合使用，效果更好。焊后消氢温度与材料、球壳厚度有关。 热处理：球罐的热处理目的是改善焊缝及热影响区的性能，降低焊接过程中产生的残余应力。 在制造厂进行的是局部热处理。通常采用电阻丝加热，现场安装之后进行的是整体热处理， 一般采用喷咀燃油加热。不同材料热处理温同，但对同一材料也应控制好热处理保温温度和 时间，因为保温温度过高或时间过长，反而造成机械性能、韧性值的下降，保温温度过低或 时间过短则达不到热处理的效果。 无损检测：球罐制造完毕，为了检测焊缝质量，要对焊缝进行无损检测。检测方法有射线、 超声波及磁粉、着色检测，方法的选用要考虑球罐的用材和球罐的检测比例。目前球罐的无 损检测多以 100%的射线及磁粉为主，并辅以一定比例的超声波检 07MnCrMoVR 球罐的裂纹分析及防止 上海宝山钢铁股份有限公司能源部一台 650m3 氮气球罐，在原施工单位安装过程中焊缝和 热影响区出现裂纹，并且已经扩展，被上海市锅炉压力容器检验所判定为报废球罐。新球罐 的施工由上海市安装工程有限公司负责。笔者参加了新球罐施工 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 编制及施工全过程，本 文就球罐裂纹产生原因及对应措施作简单分析，供同类工程参考。 一、球罐基本参数 容积：650m3；结构型式：混合三带球；材质：07MnCrMoVR；内径：10700mm；壁厚： 44mm；介质：氮气；设计压力：3.09Mpa；设计温度：-10-60oC；选用焊条：J607RH。 二、裂纹产生的原因分析 1.裂纹种类。焊接裂纹主要有以下五种：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和 层状撕裂。层状撕裂主要关系到出厂的钢板问题，与球罐制作安装无多大关系。因此，施工 时主要针对焊接的热裂纹、再热裂纹、冷裂纹和应力腐蚀裂纹进行分析和研究。 2.裂纹形成原因分析。裂纹的产生主要有以下几个因素： (1)材质因素：氢含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加导致韧性下降，扩散氢量对 冷裂纹的产生和扩展起了决定性的作用，含氢量较高，而预热温度不足的情况下，肯定产生 裂纹。合金元素对热裂纹中的结晶裂纹产生有很大影响，硫、磷的微量存在也都会增高结晶 裂纹的倾向，从许多研究也能证明 C、S、P 对结晶裂纹影响最大。 (2)组装因素：球罐在组装过程中，如果各种尺寸达不到 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求而进行强力组装，就 会产生约束应力，焊后应力无法释放，是产生裂纹的重要因素。在结构复杂和十字缝等部位 常会出现这种情况。 (3)焊接因素：焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑裂纹等，容易产生微裂纹，在球 罐加压使用时裂纹容易扩张。焊接次序的不合理，易使球体内的应力不能尽最大的释放，而 后的残余应力就很大，从而比较容易形成冷裂纹、热裂纹。球罐焊接采用的焊接方法、焊接 线能量的大小、焊接的预热、后热对裂纹的产生也起到很大作用。 (4)机械损伤因素：组装临时工夹具部位，其硬度高于其他部位，残余应力也较高，容 易产生裂纹。球罐板在运输、压制、组装过程中的碰伤等部位也是容易产生裂纹的地方。 三、施工对策 针对球罐施工中产生裂纹的原因，施工时应着重从以下几方面采取措施进行控制。 1．材料复验 (1)材料表面不允许有裂纹气泡、夹杂等缺陷；(2) 对球壳板进行逐张超声检测，按 JB4730 验收，标准不低于Ⅱ级。(3)对进厂的 07MnCrMoVR 进行复验，其复验数值包括 C、P、S 的 含量必须在质保书规定范围内。(4)对焊接选用的 J607RH 焊条进行复验，一方面要保证其强 度必须与 07MnCrMoVR 匹配，另一方面特别强调要超低氢, 复验结果是 1.43ml/100mg，与 GB12337-1998 的 1.5ml/100mg 完全符合。通过复验，主要板材、焊材的化学成份、机械性 能、含氢量等参数均达到规范标准。 2．工厂压制 (1)下料时，坡口表面应平滑，粗糙度大于等于 25mm，且表面不得有裂纹和其他缺陷存 在。压制的球壳板几何尺寸应严格按照规范的要求进行控制和验收。(2)支柱及组焊件焊接 时，要求球壳板在中间支撑好，成自然状态，所有的组焊件焊接采用对称均布焊，分层分道， 对线能量的控制与球罐本体焊接的工艺参数一样。焊件的焊接要进行预热、后热及控制其层 间温度。球壳板出厂吊装时要加强保护，避免碰伤。(3)现场施工主要控制以下三个环节： a. 组装时严禁进行强力组装，组装方法是先利用工装夹具组对好，然后进行整体的间隙、 错边量和棱角度的测量和调整，直至完全符合规范要求，最后进行整体定位。定位要在小坡 口侧，采用与本体焊接相同的工艺，定位焊长度采用 80mm，间距 250mm。b．焊接时，首 先根据 07MnCrMoVR 这种钢材形成裂纹的机理，制定了一个切实可行的焊接工艺。制定焊 接工艺参数时，特别强调线能量，因为线能量过大会产生一方面输入的热量多，晶界低熔相 的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，液化裂纹的倾向就增大；另一方面会引起热影响 区过热，使晶粒粗大，会降低焊缝的抗裂性能。而线能量过小会产生一方面增加焊缝金属应 变率，从而增加结晶裂纹的倾向；另一方面会降低冷却时间，会使热影响区淬硬，也会不利 于氢的逸出，故而增加裂纹倾向。因此制定了线能量的上下限焊接工艺参数。在制定焊接顺 序时，尽量使用大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝受力较小。球罐整体的焊接 顺序如下：先外侧后内侧，先纵向后横向。即：焊赤道外侧→上下极盖、上下 Y 缝外侧→ 赤 道内侧→上下极盖、上下 Y 缝内侧→上下环缝外侧→上下方块缝外侧→上下环缝内侧→上下 方块缝内侧。焊接时应采取以下针对性技术措施：纵焊缝都采用均布分段退焊法，环焊缝沿 等分旋转同一方向焊接。现场焊接时，严格焊接工艺规范，施工员和质量员不停地检查焊工 是否按规程进行焊接操作。严禁在坡口外引弧、熄弧。对于不小心电弧碰伤的部位应立即进 行打磨，焊前要对坡口进行清理。对每个焊工的线能量进行不停的测量，过大、过小的应立 即调整其电流及焊速，控制好线能量。每个焊工焊接收弧时要填满弧坑，避免弧坑裂纹的产 生。焊工每天的接头要每道间空 2cm 以上，打磨后要进行 PT 检验，看是否有弧坑裂纹存在。 在焊缝边上 MT 检验确定为咬边或裂纹等缺陷需修补时，为避免应力集中，修补长度不得小 于 50mm，补后焊缝表面应进行打磨，修补处要进行记录，以后要确认表面没有缺陷存在。 Y 型接头是应力最集中的地方，应绝对避免在 Y 型的交汇处引弧、熄弧，而应在环缝离 Y 型 距离 200mm 的地方。c. 热处理包括焊前预热、层间加热、焊后后热及球罐的整体热处理。 焊前预热可以有效防止冷裂纹，消除应力，预热温度应严格控制在 90-100℃。层间温度基 本保证在 120-155℃。后热主要是消氢，同时也能韧化热影响区和焊缝的组织，对防止裂纹 是非常有效的，后热温度宜控制在 225-250℃间。整体热处理主要消除应力，从而降低冷裂、 脆断的倾向，同时也降低 SCC 的倾向和改善接头的组织，整体热处理的温度应控制在 555℃ -580℃，恒温 1 小时 50 分。 四、结论 由于对球罐裂纹产生的机理和原因做了充分的分析，制定了一套科学的球罐制造和现场 安装的施工方案，并且在每一步施工环节中都采取了相应的针对措施，严格质量控制和测量 验收，最后整个球罐焊缝的一次拍片合格率为 98.9%，而且无一张裂纹，在热处理后的 MT 检测中也无一处表面裂纹。这同时也证实了国产 07MnCrMoVR 材料用在球罐上没有任何问 题 球罐的裂纹分析及防止 笔者参加了新球罐施工方案编制及施工全过程，本文就球罐裂纹产生原因及对应措施作简单 分析，供同类工程参考。 一、球罐基本参数 容积：650m3；结构型式：混合三带球；材质：07MnCrMoVR；内径：10700mm；壁厚： 44mm；介质：氮气；设计压力：3.09Mpa；设计温度：-10-60oC；选用焊条：J607RH。 二、裂纹产生的原因分析 1.裂纹种类。焊接裂纹主要有以下五种：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和 层状撕裂。层状撕裂主要关系到出厂的钢板问题，与球罐制作安装无多大关系。因此，施工 时主要针对焊接的热裂纹、再热裂纹、冷裂纹和应力腐蚀裂纹进行分析和研究。 2.裂纹形成原因分析。裂纹的产生主要有以下几个因素： (1)材质因素：氢含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加导致韧性下降，扩散氢量对 冷裂纹的产生和扩展起了决定性的作用，含氢量较高，而预热温度不足的情况下，肯定产生 裂纹。合金元素对热裂纹中的结晶裂纹产生有很大影响，硫、磷的微量存在也都会增高结晶 裂纹的倾向，从许多研究也能证明 C、S、P 对结晶裂纹影响最大。 (2)组装因素：球罐在组装过程中，如果各种尺寸达不到规范要求而进行强力组装，就 会产生约束应力，焊后应力无法释放，是产生裂纹的重要因素。在结构复杂和十字缝等部位 常会出现这种情况。 (3)焊接因素：焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑裂纹等，容易产生微裂纹，在球 罐加压使用时裂纹容易扩张。焊接次序的不合理，易使球体内的应力不能尽最大的释放，而 后的残余应力就很大，从而比较容易形成冷裂纹、热裂纹。球罐焊接采用的焊接方法、焊接 线能量的大小、焊接的预热、后热对裂纹的产生也起到很大作用。 (4)机械损伤因素：组装临时工夹具部位，其硬度高于其他部位，残余应力也较高，容 易产生裂纹。球罐板在运输、压制、组装过程中的碰伤等部位也是容易产生裂纹的地方。 三、施工对策 针对球罐施工中产生裂纹的原因，施工时应着重从以下几方面采取措施进行控制。 1.材料复验 (1)材料表面不允许有裂纹气泡、夹杂等缺陷；(2) 对球壳板进行逐张超声检测，按 JB4730 验收，标准不低于Ⅱ级。(3)对进厂的 07MnCrMoVR 进行复验，其复验数值包括 C、P、S 的 含量必须在质保书规定范围内。(4)对焊接选用的 J607RH 焊条进行复验，一方面要保证其强 度必须与 07MnCrMoVR 匹配，另一方面特别强调要超低氢, 复验结果是 1.43ml/100mg，与 GB12337-1998 的 1.5ml/100mg 完全符合。通过复验，主要板材、焊材的化学成份、机械性 能、含氢量等参数均达到规范标准。 2.工厂压制 (1)下料时，坡口表面应平滑，粗糙度大于等于 25mm，且表面不得有裂纹和其他缺陷存 在。压制的球壳板几何尺寸应严格按照规范的要求进行控制和验收。(2)支柱及组焊件焊接 时，要求球壳板在中间支撑好，成自然状态，所有的组焊件焊接采用对称均布焊，分层分道， 对线能量的控制与球罐本体焊接的工艺参数一样。焊件的焊接要进行预热、后热及控制其层 间温度。球壳板出厂吊装时要加强保护，避免碰伤。(3)现场施工主要控制以下三个环节： a. 组装时严禁进行强力组装，组装方法是先利用工装夹具组对好，然后进行整体的间隙、 错边量和棱角度的测量和调整，直至完全符合规范要求，最后进行整体定位。定位要在小坡 口侧，采用与本体焊接相同的工艺，定位焊长度采用 80mm，间距 250mm。b．焊接时，首 先根据 07MnCrMoVR 这种钢材形成裂纹的机理，制定了一个切实可行的焊接工艺。制定焊 接工艺参数时，特别强调线能量，因为线能量过大会产生一方面输入的热量多，晶界低熔相 的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，液化裂纹的倾向就增大；另一方面会引起热影响 区过热，使晶粒粗大，会降低焊缝的抗裂性能。而线能量过小会产生一方面增加焊缝金属应 变率，从而增加结晶裂纹的倾向；另一方面会降低冷却时间，会使热影响区淬硬，也会不利 于氢的逸出，故而增加裂纹倾向。因此制定了线能量的上下限焊接工艺参数。在制定焊接顺 序时，尽量使用大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝受力较小。球罐整体的焊接 顺序如下：先外侧后内侧，先纵向后横向。即：焊赤道外侧→上下极盖、上下 Y 缝外侧→ 赤 道内侧→上下极盖、上下 Y 缝内侧→上下环缝外侧→上下方块缝外侧→上下环缝内侧→上下 方块缝内侧。焊接时应采取以下针对性技术措施：纵焊缝都采用均布分段退焊法，环焊缝沿 等分旋转同一方向焊接。现场焊接时，严格焊接工艺规范，施工员和质量员不停地检查焊工 是否按规程进行焊接操作。严禁在坡口外引弧、熄弧。对于不小心电弧碰伤的部位应立即进 行打磨，焊前要对坡口进行清理。对每个焊工的线能量进行不停的测量，过大、过小的应立 即调整其电流及焊速，控制好线能量。每个焊工焊接收弧时要填满弧坑，避免弧坑裂纹的产 生。焊工每天的接头要每道间空 2cm 以上，打磨后要进行 PT 检验，看是否有弧坑裂纹存在。 在焊缝边上 MT 检验确定为咬边或裂纹等缺陷需修补时，为避免应力集中，修补长度不得小 于 50mm，补后焊缝表面应进行打磨，修补处要进行记录，以后要确认表面没有缺陷存在。 Y 型接头是应力最集中的地方，应绝对避免在 Y 型的交汇处引弧、熄弧，而应在环缝离 Y 型 距离 200mm 的地方。c. 热处理包括焊前预热、层间加热、焊后后热及球罐的整体热处理。 焊前预热可以有效防止冷裂纹，消除应力，预热温度应严格控制在 90-100℃。层间温度基 本保证在 120-155℃。后热主要是消氢，同时也能韧化热影响区和焊缝的组织，对防止裂纹 是非常有效的，后热温度宜控制在 225-250℃间。整体热处理主要消除应力，从而降低冷裂、 脆断的倾向，同时也降低 SCC 的倾向和改善接头的组织，整体热处理的温度应控制在 555℃ -580℃，恒温 1 小时 50 分。 四、结论 由于对球罐裂纹产生的机理和原因做了充分的分析，制定了一套科学的球罐制造和现场 安装的施工方案，并且在每一步施工环节中都采取了相应的针对措施，严格质量控制和测量 验收，最后整个球罐焊缝的一次拍片合格率为 98.9%，而且无一张裂纹，在热处理后的 MT 检测中也无一处表面裂纹。这同时也证实了国产 07MnCrMoVR 材料用在球罐上没有任何问 题。