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大型天然氣球罐建造技術(shù)

文檔作者：張?jiān)霰?李曉明2 謝培軍2 王萬磊2 高中穩(wěn)2 李志玉2 文檔來源： 1.唐山市煤氣工程設(shè)計(jì)研究院 2.蘭州石油機(jī)械研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月08日
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第37卷第3期
油化工設(shè)備
 Vol. 37 No.3
2008年5月
 PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
 May 2008
制造技術(shù)
文章編號(hào):1000-7466(2008)030052-03
大型天然氣球罐建造技術(shù)
張?jiān)霰?李曉明2,謝培軍2,王萬磊2,高中穩(wěn)2,李志玉2
(1.唐山市煤氣工程設(shè)計(jì)研究院,河北唐山063000
2.蘭州石油機(jī)械研究所,甘肅蘭州730050
摘要:闡述了目前天然氣儲(chǔ)存設(shè)備的現(xiàn)狀。介紹了某大型天然氣球罐建造過程中工程設(shè)計(jì)、球殼
板壓制及組焊等方面的技術(shù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),為大型球罐的設(shè)計(jì)及建造提供一些指導(dǎo)意見。提出天然
氣以液化低溫方式儲(chǔ)存更加高效和經(jīng)濟(jì),液化天然氣低溫儲(chǔ)罐勢(shì)必成為未來發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞:球罐天然氣;大型;建造
中圖分類號(hào):TE972.06
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
 The Construction Technique of Large-scale Natural Gas Spherical Tank
 ZHANG ZENG-bin', LI Xiao-ming', XIE Pei-jun',
 WANG Wan-Lei', GAO Zhong-Wen', LI Zhi-yu'
 (1. Tangshan Gas Engineering Design Research Institute, Tangshan 063000, China;
 (2. Lanzhou Petroleum Machinery Research Institute, Lanzhou 730050, China)
 Abstract: Through the demand of natural gas and the store tank, design manufacture and assem-
 bly welding of large-scale natural gas spherical tank are introduced. It will give guidance to con-
 struction large-scale natural gas spherical tank Liquefied natural gas is a high efficiency and eco-
 nomical way to store, and low temperature tank is the developmental direction for storing LNG.
 Key words: spherical tank; natural gas; large-scale; construction
天然氣以其安全可靠、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)高效等氣態(tài)天然氣體積的1/625),儲(chǔ)存效率會(huì)更高。但由
優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作城市燃?xì)?。作為城市燃?xì)?天然氣于對(duì)液化天然氣儲(chǔ)罐的要求較高,而且建造等各方
目前普遍采用帶壓氣態(tài)儲(chǔ)存球罐儲(chǔ)氣能力強(qiáng),結(jié)面技術(shù)都不是特別成熟,因此制約著我國天然氣儲(chǔ)
構(gòu)受力好,是城市燃?xì)鈨?chǔ)存設(shè)備的首先。已建成的罐的發(fā)展。盡管如此,大型天然氣球罐還是市場(chǎng)的
北京和西安等地10000m3天然氣球罐、咸陽等地主流,解決大型球罐的建造技術(shù)問題具有重要意義。
5000m3天然氣球罐及寶雞4000m3天然氣球罐,筆者以某大型球罐的建造為例,介紹大型球罐建造
都體現(xiàn)了大型球罐在儲(chǔ)存天然氣方面的優(yōu)越性。
的主要技術(shù)要點(diǎn)。
帶壓氣態(tài)儲(chǔ)存時(shí),公稱體積10000m3是目前
1設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)
國內(nèi)儲(chǔ)存氣態(tài)天然氣的最大容量,體積再大就會(huì)產(chǎn)
生技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題。筆者認(rèn)為,可以將天然氣進(jìn)行液1.1主要技術(shù)參數(shù)
化處理后以常壓方式儲(chǔ)存,(液化天然氣體積大約為
某大型球罐結(jié)構(gòu)型式為5帶14柱混合式。其
收稿日期:2007-12-30
作者簡介:張?jiān)霰?1968-),男,河北唐山人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事市政燃?xì)庀嚓P(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究工作。
第3期
張?jiān)霰?等:大型天然氣球罐建造技術(shù)
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公稱體積10000m3,球罐直徑26.8m,球殼材料為點(diǎn)是受力均勻,彈性好,安裝方便,容易調(diào)整。支柱
wel-ten6oc.設(shè)計(jì)壓力1.05mpa設(shè)計(jì)溫度為0610mm×10mm的分段結(jié)構(gòu),支柱與球殼板的
10/70℃,球殼名義厚度37mm、38mm,氣壓試焊縫受力大采用等強(qiáng)匹配的原則,即與球殼板相
驗(yàn)壓力1.21MPa,焊接接頭系數(shù)1.0
焊的上段支柱采用wEL-TEN610CF,下段支柱的
1.2材料
材料選用強(qiáng)度等級(jí)稍微低一些的16Mn,這樣既能
只有碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的鋼才能做為球罐用鋼,保證支柱的承載能力,又能改善焊縫連接處的應(yīng)力
一般需要將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.24%以下集中和拘束同時(shí)可以降低成本
除了必須保證必要的強(qiáng)度指標(biāo)外,尤其要保證塑性、
球罐主體焊縫的對(duì)接焊縫選用GB12337一
韌度以及良好的可成型性和焊接性。我國從2世1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》中推薦的雙面坡口2,球罐外
紀(jì)80年代開始試制和生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度o=61MPa側(cè)坡口角度小,但是坡口深;內(nèi)側(cè)坡口角度略大,但
級(jí)別的鋼材,但是由于板寬比較窄目前還無法滿足是坡口淺。這樣內(nèi)外兩側(cè)的焊縫的全部熱輸入比較
大型球罐對(duì)板寬的要求。10000m3球罐的直徑為對(duì)稱,可以相互抵消并且改善T型焊縫處的拉應(yīng)力
26.8m,赤道帶板幅較寬,基本在3m左右。鑒于狀態(tài)
在國內(nèi)已經(jīng)有采用日本鋼板建造大型球罐,且已獲2制造技術(shù)要點(diǎn)
得容標(biāo)委的論證許可的歷史,所以球殼板材料選用
日本制造的L-TEN610CF,這種鋼板的w(C)<
球殼板的沖壓直接影響著大型球罐的現(xiàn)場(chǎng)組
0.09%,w(S)<0.01%(P)<0.02%加工性、焊焊,需要對(duì)沖壓方式及力度進(jìn)行有效的控制
接性很好。
wL-TEN610CF鋼板的抗拉強(qiáng)度下限值超過
鍛件選用與o=610MPa級(jí)別鋼材配套的610MPa,熱處理狀態(tài)為調(diào)制狀態(tài),屬于調(diào)制高強(qiáng)度
08 8MnNiCrMoVD.人孔凸緣鍛件按IV級(jí),其余鍛鋼板,在冷壓過程中,會(huì)產(chǎn)生一定的成型應(yīng)力,為此
件按級(jí),相應(yīng)的級(jí)別要求較高,也是考慮鋼板和采用低應(yīng)力成型方法,即由球殼板一端開始沖壓,按
鍛件性能匹配最優(yōu)化
先橫后縱順序排列壓點(diǎn),相鄰兩壓點(diǎn)之間相互有
焊條選用日本焊條L-62CF,這種焊條焊接性很1/2~13的重復(fù)率,保證兩壓點(diǎn)之間成型過渡
好屬于高韌性超低氫性焊條。其熔敷金屬的力學(xué)滑。采用這種方式可以有效地利用沖壓順序,合
性能與鋼板是匹配的,屈服強(qiáng)度o≥500MPa,抗拉理地將成型應(yīng)力分布均勻,并得到較好的釋放,減少
強(qiáng)度o≥610Ma?；瘜W(xué)成分與鋼板的化學(xué)成分接成型后的自然變形
近,熔合后的力學(xué)性能較高。焊條的擴(kuò)散氫含量小
球罐鋼板的w(C)<0.09%,雖然碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)
于0.015mL/g
超低在一定程度上對(duì)焊接是有利的,但是對(duì)大型球
1.3設(shè)計(jì)
罐球殼板的壓制反而有了反作用力。鋼板的塑性和
雖然該球罐的設(shè)計(jì)壓力只有1.05MPa但為了韌性比較好,在球殼板壓制過程中回彈空間大,沖壓
盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接的工作量保證球罐最終質(zhì)量,采過程中回彈率造成的變形,亦即球殼板的曲率不好
用5帶14柱混合式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)取桔瓣和足控制,因此,應(yīng)當(dāng)根據(jù)鋼板的應(yīng)變量來確定沖壓的力
球瓣式兩種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn),材料利用率高,焊縫長度,選用小模具、多壓點(diǎn),使球殼板成型美觀,而且其
度縮短,球殼板數(shù)量少各帶板的互換性高,大型精度也會(huì)相應(yīng)得到提高,確?，F(xiàn)場(chǎng)組對(duì)時(shí)能達(dá)到標(biāo)
球罐現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)很有利。
準(zhǔn)要求。
考慮支柱對(duì)球殼板產(chǎn)生的局部應(yīng)力,赤道帶球
制造廠中的焊接主要是人孔接管與極板的焊接
殼板采用不等厚的原則從而解決了由于球罐支柱和支柱與赤道板的焊接,人孔接管均為厚壁管,焊接
計(jì)算中受力較為苛刻點(diǎn)的應(yīng)力過大,要增加相應(yīng)壁后的殘余應(yīng)力比較大。赤道板與支柱焊接后的殘余
厚的問題,也使得球罐的厚度控制在38mm以下應(yīng)力會(huì)影響連接處焊縫的受力狀態(tài),對(duì)支柱的支撐
(與支柱連接的赤道板厚為38mm,其余均為不利,這些都需要在制造廠進(jìn)行熱處理。熱處理的
37mm)針對(duì)不同的受力狀況,選用不同的球殼板溫度按照J(rèn)B/T47092000《鋼制壓力焊接規(guī)程》中
厚度,將支柱與赤道板連接處的應(yīng)力峰值減小,從而的要求控制在(57020)℃,溫度不能太高溫度
改善受力狀況。
過高會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋,而且會(huì)燒損合金鋼中的合金
支座為赤道正切柱式支撐結(jié)構(gòu),這種支柱的優(yōu)元素,使鋼材的強(qiáng)度降低。在熱處理溫度下鋼材原
54
石油化工設(shè)備
2008年第37卷
有的彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變,會(huì)產(chǎn)生一定的蠕變,一層起后熱作用,對(duì)后一層起預(yù)熱作用。④焊后立
從而使應(yīng)力松弛產(chǎn)生釋放,將焊件的焊接殘余應(yīng)力即進(jìn)行后熱處理,將焊后的焊縫加熱到200~
峰值降低。
250℃,保溫0.5~1h,使得焊縫中的氫能有效擴(kuò)
采用火焰切割加工球罐坡口,火焰切割加熱的散,杜絕冷裂紋產(chǎn)生的氫源。
過程就是對(duì)材料有熱輸入在切割高強(qiáng)度鋼板過程采用上述措施可以有效地控制焊接熱輸入,保
中也要進(jìn)行一定的預(yù)熱,并控制好切割速度和火焰證高強(qiáng)鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能。另外將球殼內(nèi)外側(cè)焊
的大小這樣在成型后的坡口面就不會(huì)有大量的熱縫表面的余高打磨圓滑,嚴(yán)格控制焊縫余高為0~
裂紋,從而減少坡口面的打磨工作量和焊縫中的裂1mm,使得焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力能有效釋放,從
紋源。單塊球殼板板幅較長,近10m,如果坡口的而為不進(jìn)行焊后整體熱處理做好準(zhǔn)備。最終產(chǎn)品試
幾何尺寸控制不好,就會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)的組裝造成很大困板的力學(xué)性能,如拉伸、彎曲和沖擊功等數(shù)值完全合
難。在切割過程中需要制作適當(dāng)?shù)奶ゾ哂行Э刂聘?而且各項(xiàng)試驗(yàn)值遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求的值,表明施工
球殼板坡口的精度。
工藝是合理有效的。
3組焊技術(shù)要點(diǎn)
該球罐操作狀態(tài)下的物料只有近75t,因此使
用1000t水來檢查基礎(chǔ)的沉降情況。設(shè)計(jì)支柱時(shí)是
在安裝現(xiàn)場(chǎng)采用以赤道帶為基準(zhǔn)的散裝法完成按照操作狀態(tài)計(jì)算外徑和壁厚的,因此在一定程度
該球罐的組裝赤道帶是整個(gè)球罐的基準(zhǔn)帶其組上降低了支座的質(zhì)量,節(jié)省了造價(jià)。進(jìn)行壓力試驗(yàn)
裝精度對(duì)其它各帶和整個(gè)球罐的最終質(zhì)量影響很時(shí),用氣壓試驗(yàn)代替水壓試驗(yàn)?？紤]氣壓試驗(yàn)的安
大。組成環(huán)后,對(duì)支柱的垂直度,焊縫的對(duì)口間隙、全問題,必須制定嚴(yán)格的安全措施。最終確定的試
錯(cuò)變量,圓度和上、下口的齊平度等進(jìn)行調(diào)整控制,驗(yàn)壓力為1.21MPa,試驗(yàn)步驟按照GB12337
為避免組對(duì)過程中的強(qiáng)力組裝,采用脊板型夾具、1998鋼制球形儲(chǔ)罐》中的規(guī)定進(jìn)行壓力試驗(yàn)同
隙片和弧形加強(qiáng)板等工裝,配合點(diǎn)固焊完成球罐的時(shí)也是對(duì)球罐進(jìn)行過載處理,屬于力學(xué)消除殘余應(yīng)
組對(duì),以減少附加應(yīng)力的產(chǎn)生。組裝完畢后的測(cè)量力處理。過載處理之后,球罐殘余應(yīng)力的分布相對(duì)
結(jié)果為,間隙0~3mm、錯(cuò)邊量最大1mm、棱角值比較合理,也降低了由于球罐組對(duì)中角變形和錯(cuò)變
最大3.5mm、橢圓度最大差值40mm控制球罐量而引起的附加應(yīng)力
組裝后的幾何尺寸可以極大降低組裝應(yīng)力,改善球
殼焊縫的受力狀況。
4結(jié)語
焊接是球罐施工中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一球殼名10000m天然氣球罐的建造成功,進(jìn)一步提升
義厚度不大于38mm,對(duì)球罐可以不進(jìn)行整體熱處了我國球罐建造的技術(shù)水平,為大型球罐的國產(chǎn)化
理。但焊縫金屬20℃下的低溫沖擊試驗(yàn)值要求提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),也為我國球罐向更高參數(shù)、更大
不小于80J,因此在制定焊接工藝文件時(shí),既要考型化發(fā)展提供了借鑒。
使焊接過程中的殘余應(yīng)力盡可能小,又要嚴(yán)格控制雖然大型球罐建造技術(shù)逐步走向成熟,但不能
熱輸入。WEL-TEN610CF鋼板在室溫下焊接,對(duì)停滯在天然氣的帶壓氣態(tài)儲(chǔ)存上,應(yīng)該利用球罐自
冷裂紋不是很敏感,但考慮是高強(qiáng)鋼,而且球罐不進(jìn)身的優(yōu)勢(shì)來解決液化天然氣的儲(chǔ)存問題,從而徹底
行整體熱處理,所以要求焊前預(yù)熱100℃,先焊赤道解決天然氣的利用和儲(chǔ)存矛盾。國內(nèi)目前還沒有儲(chǔ)
帶的外側(cè)焊縫(大坡口),由14名焊工間隔對(duì)稱進(jìn)行存液化天然氣球罐的建造標(biāo)準(zhǔn),這將對(duì)我國球罐建
焊接。焊接過程中應(yīng)注意,①限制焊接線能量不超造提出更高的挑戰(zhàn)。
過35kJ/cm,橫焊和仰焊焊接線能量是30kJ/cm,
各種位置上的焊接電流根據(jù)所使用的焊條直徑參考文獻(xiàn):
03.2mm和04.0mm確定②每1名焊工的焊接[]王嘉磷,侯賢忠,劉家發(fā),等球形儲(chǔ)罐焊接工程技術(shù)[M]北
速度除要滿足不同施焊位置的不同要求外,還要盡
京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000
量同步,以使整個(gè)焊接過程中各處的熱輸入基本對(duì)【2G1237-1989球形儲(chǔ)m[S]
稱一致。③要求對(duì)層間溫度進(jìn)行控制,保證焊接過
.[3]《壓力容器實(shí)用技術(shù)叢書》編寫委員會(huì)壓力容器設(shè)計(jì)知識(shí)
[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
程中的層間溫度不小于預(yù)熱溫度。嚴(yán)格要求焊接層【4B/T4092000制壓力焊接規(guī)程[S]
次,每一層不超過3.5mm,確保每一層焊完,對(duì)前
(張編)

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