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15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐特性研究

文檔作者：徐鵬程章敏陸戴丁章小滸文檔來源：合肥通用機(jī)械研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月28日
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第39卷第1期
2010年1月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vol_39 No．1
Jan． 2o10
文章編號：1000—7466(2010)01—0006—05
1 5MnNiNbDR鋼制乙烯球罐特性研究
徐鵬程，章敏，陸戴丁，章小滸
(合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031)
摘要：對新型低溫壓力容器鋼15MnNiNbDR制2 000 m。乙烯球罐進(jìn)行了系統(tǒng)的特性分析，研究
了15MnNiNhDR鋼板在高參數(shù)乙烯球罐上的制造安裝工藝參數(shù)、工程應(yīng)用技術(shù)等。研究結(jié)果表
明，15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐具有良好的經(jīng)濟(jì)性，安全可靠。
關(guān)鍵詞：15MnNiNbDR鋼；低溫 乙烯球罐；特性
中圖分類號：TQ 053．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Study on Characteristic of 15M nNiNbDR Steel Ethylene Spherical Tank
XU Peng’cheng， ZHANG M in， LU Dai—ding， ZHANG Xiao-hu
(Hefei General Machinery Research Institute， Hefei 230031，China)
Abstract：A 2 000 m。ethylene—sphere tank using of 1 5 MnNiNbDR steel was analyzed．Applica—
tion property，manufacturing process parameter，and engineering application technology were
studied．The results showed that the 1 5M nNiNbDR steel ethylene sphere tank have fine economi—
cal efficiency and security．
Key words：1 5M nNiNbDR steel plate；low temperature；ethylene spherical tank；characteristic
國家相關(guān)振興規(guī)劃特別提出要重點推進(jìn)百萬噸
級大型乙烯建設(shè)，作為大乙烯項目關(guān)鍵設(shè)備之一的
乙烯球罐，其建造技術(shù)水平是設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、
制造技術(shù)及安裝技術(shù)的綜合體現(xiàn)，而球罐用鋼又是
球罐設(shè)計、制造的基礎(chǔ)。隨著我國乙烯球罐建造向
大型化(公稱體積不小于2 000 m。)、更低的使用溫
度(設(shè)計溫度一45～ 一50℃)和更高的設(shè)計壓力
(1．6～1．95 MPa)方向的不斷發(fā)展，對球罐材料、制
造和安裝技術(shù)也提出了新要求，正火型一5O℃低溫
鋼15MnNiNbDR用于2 000 m。乙烯球罐將全面提
升國內(nèi)乙烯球罐的建造技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)效益及社會效
益十分顯著口。]。
1 15MnNiNbDR鋼低溫性能試驗研究
綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果、工藝性能，特別是壓力
容器使用安全可靠性等方面的因素，低溫壓力容器
用低合金鋼向兩個方向發(fā)展，一是提高強(qiáng)度，二是確
保良好的低溫韌性和焊接性能。低溫高韌性壓力容
器用15MnNiNbDR鋼比原有壓力容器用低溫鋼
(16MnDR、09MnNiDR)具有更高的強(qiáng)度、良好的低
溫韌性和焊接性能，能滿足乙烯球罐大型化、更低的
使用溫度和更高的設(shè)計適應(yīng)性的要求[3]。
1．1 15MnNiNbDR鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能
試驗用15MnNiNbDR鋼板的化學(xué)成分分析見
表1，力學(xué)性能及冷彎性能試驗結(jié)果見表2。
1．2 低溫拉伸性能
試驗鋼板厚度為48 mm，橫向、表層取樣，加工
成直徑為10 mm 的光滑圓棒拉伸試樣。試驗在
CSS一1110型電子拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗溫度分別
為常溫、0℃ 、一20℃ 、一45℃ 、一60℃和一8O℃ ，
低溫槽冷卻介質(zhì)為液氮+無水乙醇，低溫拉伸試驗
結(jié)果見表3。從試驗結(jié)果可以看出，隨著試驗溫度
降低，鋼的強(qiáng)度提高，塑性波動范圍不大且均保持在
較高的水平。
收稿日期：2009—07—28
作者簡介：徐鵬程(1977一)，男，安徽合肥人，高級工程師，工程碩士，主要從事壓力容器新材料研發(fā)、檢測及推廣工作。
第1期 徐鵬程，等：15MnNiNBDR鋼制乙烯球罐特性研究 。7 ‘
表2 試驗用鋼板的力學(xué)性能和冷彎性能
1．3 系列低溫沖擊試驗
對48 1Tim厚正火狀態(tài)15MnNiNbDR鋼板在厚
度方向不同部位取橫向試樣進(jìn)行系列溫度沖擊試
驗。系列溫度沖擊試驗按GB／T 229-2006《金屬
夏比缺口沖擊試驗方法》進(jìn)行 ]。試驗在示波沖擊
式金屬擺錘沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗冷卻介質(zhì)為液
氮加無水乙醇。
試樣斷口的晶狀斷面率按GB／T 12778—1991
《金屬夏比沖擊斷口測定方法》的規(guī)定進(jìn)行測定(下
同)[ 。根據(jù)試驗結(jié)果繪制的48 mm 厚鋼板(正火
狀態(tài))不同部位取樣的A v與溫度曲線及纖維斷面
率與溫度曲線見圖1～ 圖2。
圖1 48 mm厚鋼板(正火狀態(tài))不同
部位取樣的A v與溫度對應(yīng)曲線
圖2 48 mm 厚鋼板(正火狀態(tài))不I司部位
取樣的纖維斷面率與溫度對應(yīng)溫度曲線
48 mm厚鋼板厚度方向不同部位取樣的韌脆
性轉(zhuǎn)變溫度見表4。表中 T 為5O 上平臺能所對
應(yīng)的溫度；、，T。為50 晶狀斷面率所對應(yīng)的溫度；
一50℃AKv、一60℃AKv分別為一50℃ 及一60℃
試驗溫度下3個試樣沖擊吸收功的平均值。
表4 48 11"111111厚(正火狀態(tài))鋼板不同部位
取樣的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度
15MnNiNbDR鋼系列溫度沖擊試驗結(jié)果表明，
① 表層、a／4、a／2厚度取樣進(jìn)行的低溫沖擊試驗，在
一6O℃ 以上溫度范圍均滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
石油化工設(shè)備 2010年第39卷
② 同一板厚下，鋼板表層A 稍高于a／4處，但無論
表層還是 ／4處，其沖擊韌性均保持較高的水平。
系列低溫沖擊試驗結(jié)果、A 與溫度的對應(yīng)曲線
及纖維斷面率與溫度的對應(yīng)曲線表明，15MnNiNbDR
鋼低溫沖擊性能在設(shè)計溫度(一50℃)上具體較高
穩(wěn)定性和較大富裕量。
1．4 低溫斷裂韌度試驗
低溫壓力容器的特點之，一是容易產(chǎn)生低溫低應(yīng)
力脆斷破壞。根據(jù)低溫低應(yīng)力脆性斷裂的特點結(jié)合
斷裂力學(xué)原理對金屬斷裂機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)金屬
的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能
力是決定壓力容器抵抗應(yīng)力脆性破壞的能力。為
此，對15MnNiNbDR鋼板及其焊接接頭進(jìn)行了低
溫斷裂韌度試驗。
斷裂韌度試驗分別采用了裂紋尖端張開位移
(CTOD)試驗方法和延性斷裂韌度J ( 積分)試
驗方法。試驗時，在測定CTOD的同時測定‘，積
分。CTOD及．，積分試驗用樣均采用三點直彎曲
試樣，其試樣的尺寸、制取、加工及試驗方法分別按
GB／T 2358—1994《金屬材料裂紋尖端張開位移試
驗方法》和GB／T 2038—1991《金屬材料延性斷裂
韌度J 試驗方法》的有關(guān)規(guī)定 ]。
試驗用試樣采用全板厚試樣，48 mm厚鋼板的
試樣尺寸為30 mm×36 mm×180 mm。試驗采用
多試樣法(每組7～8個試樣)測定一5O℃試驗溫度
下鋼板及其焊接接頭(焊縫金屬及熱影響區(qū))的
CTOD及 積分阻力曲線。斷裂韌度試驗在IN—
STRON 1251材料試驗機(jī)上進(jìn)行。試驗時，冷卻介
質(zhì)為液氮加無水乙醇，過冷度約為2～3℃ 。
鋼板不同熱處理狀態(tài)下一50℃ 的CTOD特征
值及其阻力曲線方程結(jié)果見表5。由試驗數(shù)據(jù)采用
最小二乘法線性回歸得到J積分(JR-Aa)阻力曲
線，鋼板不同熱處理狀態(tài)下一50℃ 的．廠積分特征值
及其阻力曲線方程結(jié)果見表6。
試驗結(jié)果表明，一5O℃ 試驗溫度下所有試樣均
未出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象，15MnNiNbDR鋼板具有優(yōu)良
的低溫斷裂韌性。
表5 48 mm厚鋼板不同狀態(tài)一50℃ 的
CTOD特征值及其阻力曲線方程
表6 48 mm厚鋼板不同狀態(tài)-50℃ 的
l，積分特征值及其阻力曲線方程
正火 117．8 303．7 JR一911．8Aa×0．683 0．990
‘ × ss
． 237．7 298．3AaX i．055 O．973
2 l5MnNiNbDR鋼焊接性能特性分析
分別采用最高硬度法和斜Y 型坡口焊接裂紋
試驗法對15MnNiNbDR鋼的焊接性能進(jìn)行試驗
研究。
2．1 最高硬度法試驗
對48 mm 的15MnNiNbDR鋼板，采用直徑為
4．0 mm的PP·J557RH 焊條，按GB 4675．5—84
《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》要求進(jìn)行最高硬
度試驗[1 。
試板焊接前的預(yù)熱溫度分別為室溫和預(yù)熱
75℃ ，焊接電流為170 A，電弧電壓為25 V ，焊接
速度為150 mm／min。焊后試板經(jīng)解剖，以切于焊接
熔合線底部切點為0點，左右每隔0．5 mm 作為硬
度的測定點，維氏硬度按GB／T 4340．1—1999《金
屬維氏硬度試驗第1部分—— 試驗方法》的規(guī)定進(jìn)
行測定_】 。試板在室溫、預(yù)熱75℃ 下施焊的維氏
硬度測定點位置及其硬度值見表7。
由表7中數(shù)據(jù)可見，在室溫、預(yù)熱75℃ 下分別
施焊時，48 mm厚試驗用鋼板的焊接熱影響區(qū)最高
硬度值(HvlO)分別為286、261。按相關(guān)文獻(xiàn)，要使
鋼板焊接接頭根部不產(chǎn)生焊接冷裂紋，必須控制熱
影響區(qū)的H 1O最高硬度小于330。試驗結(jié)果表
明，15MnNiNbDR鋼板的淬硬傾向較小，具有較低
的焊接冷裂紋傾向。
表7 48 nllll厚試驗用板不同測試點維氏硬度 H 1O
2．2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗
． 根據(jù)GB 4675．1—84《斜Y型焊接裂紋試驗方
法》ll2]，對48 mm厚的15MnNiNbDR鋼板進(jìn)行焊
接冷裂紋敏感性試驗。用直徑為04．0 mm 的
第1期 徐鵬程，等：15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐特性研究
PP·J557R焊條進(jìn)行焊條電弧焊，施焊溫度分別為
常溫、1o0℃ 、150℃和200℃ 。每組4件試樣，試驗
環(huán)境溫度為20℃ ，環(huán)境相對濕度為75 左右，試驗
結(jié)果見表8。
結(jié)果表明，48 mlTl厚鋼板的預(yù)熱溫度在1oO℃
以上時，表面、斷面和根部不產(chǎn)生裂紋。
表8 斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果
2．3 焊接接頭力學(xué)性能
對48 mm厚鋼板采用焊條電弧焊以測定其焊
接接頭力學(xué)性能，試驗用試樣的焊接試板取向為鋼
板橫向，對接焊坡口型式為對稱x型，坡口角度為
60。。
用 4．0 mrn的PP·J557RH 焊條，35O℃ ×
1 h烘干，焊前預(yù)熱溫度不小于100℃ ，層間溫度為
100～2。0℃ ，焊接線能量控制在17～21 kJ／cm。
焊接接頭拉伸試樣采用全板厚試樣。焊縫金屬
及焊接熱影響區(qū)的沖擊試樣取樣部位均為板厚表層
處，焊縫金屬的缺口軸線位于焊縫中心線上，熱影響
區(qū)的缺口軸線最大限度地通過熱影響區(qū)，且垂直于
母材表面。48 mm厚15MnNiNbDR鋼板焊條電弧
焊焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果為，R 一560 MPa，斷裂
于母材，D一4 a、100。側(cè)彎試樣完好。焊接接頭拉伸
試驗時，試樣均斷于母材，表明該鋼的焊縫強(qiáng)度較母
材高。
2．4 不同熱處理狀態(tài)試樣的沖擊性能
焊接接頭低溫沖擊韌性優(yōu)良與否，是低溫壓力
容器用鋼板焊接性能評定的關(guān)鍵指標(biāo)之一，為此本
試驗除對24 mlTl、48 mm 厚15MnNiNbDR鋼焊條
電弧焊焊接接頭進(jìn)行一5O℃低溫沖擊試驗外，重點
對48 mm厚15MnNiNbDR鋼板焊條電弧焊時焊接
接頭經(jīng)多次消除應(yīng)力熱處理(簡稱SR)后對沖擊性
能的影響進(jìn)行了試驗，一5O℃ 低溫沖擊試驗結(jié)果
見表9。
表9 焊條電弧焊焊接接頭-50℃ 沖擊試驗結(jié)果
由表9數(shù)據(jù)可見，對15MnNiNbDR鋼板焊條
電弧焊焊接接頭，焊后SR狀態(tài)焊縫金屬和焊接熱
影響區(qū)的沖擊吸收功略低于焊后狀態(tài)的數(shù)值。
若以一5O℃時A ≥42 J作為焊接接頭沖擊
吸收功合格指標(biāo)，則試驗結(jié)果表明，焊條電弧焊時采
用PP·J557RH焊條施焊1 5MnNiNbDR鋼板，其
焊縫金屬的沖擊吸收功均能與15MnNiNbDR鋼板
相匹配。
2．5 多次SR處理下焊接接頭低溫沖擊性能
48 mm厚焊條電弧焊接試板多次SR處理工藝
同前述鋼板多次SR處理工藝，經(jīng)不同次數(shù)SR處理
后焊接接頭一5O℃沖擊試驗結(jié)果見表10。
表l0 焊接試板經(jīng)不同次數(shù)SR處理后
一5O℃ 沖擊試驗結(jié)果
由表1O數(shù)據(jù)可見，焊后經(jīng)多次SR處理后，焊
縫金屬的一5O℃ 沖擊吸收功與原焊態(tài)的沖擊吸收
功相比略有降低，經(jīng)1、2、3次SR處理后焊縫金屬
～ 50℃ 沖擊吸收功之間相比較，則基本無變化。而
經(jīng)多次SR處理后焊接熱影響區(qū)一50℃ 沖擊吸收功
明顯低于焊態(tài)的值，每多經(jīng)1次SR處理后焊接熱
影響區(qū)一5O℃ 沖擊吸收功均相應(yīng)有所降低，且經(jīng)3
次SR處理后其降低幅度也較大，但沖擊吸收功值
仍大于合格指標(biāo)要求。
3 15MnNjNbDR鋼制2 000 m 乙烯球罐主
要技術(shù)參數(shù)E”~1 ]
15MnNiNbDR鋼制2 000 m。乙烯球罐設(shè)計的
主要技術(shù)參數(shù)：最高工作壓力1．70 MPa，設(shè)計壓力
1．75 MPa，設(shè)計溫度一45℃ ，儲存介質(zhì)為乙烯，體
積2 026．3 m。，基本風(fēng)壓400 Pa，地震裂度7度，腐
蝕裕量1．0 mm，焊接接頭系數(shù)1．0，三類容器。
熱處理后，對產(chǎn)品焊接試板進(jìn)行了力學(xué)性能及
冷彎性能試驗，試驗結(jié)果見表11。其結(jié)果均符合
R ≥520 MPa、AK、，(一50℃)所有值均不小于34 J
的設(shè)計要求。
2006年9月初，國內(nèi)首臺15MnNiNbDR鋼制
2 000 ITI。乙烯球罐通過了竣工驗收。球罐所有技術(shù)
指標(biāo)驗收結(jié)果均達(dá)到圖樣、制造技術(shù)條件、安裝技術(shù)
條件及GB 12337—1998《鋼制球形儲罐》的規(guī)
定_】 ，球罐整體質(zhì)量優(yōu)良。
2006年9月底1臺球罐正式投料使用。此后，
第39卷第1期
2010年1月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEMICAI EQUIPMENT
Vo1．39 No．1
Jan．2o10
文章編號：1000—7466(2010)01—0010—04
軸流式氣液旋流分離器壓降計算
柳玉暉 ，任相軍 ，王振波。，金有海
(1-克拉瑪依市科比技術(shù)有限公司，新疆克拉瑪依834003；
2．中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營 257061)
摘要：壓降是軸流式氣液旋流分離器的重要技術(shù)指標(biāo)和操作指標(biāo)，要求旋流分離器的壓降較小以
盡可能減少能量消耗。分析了旋流分離器壓降產(chǎn)生的原因并且利用實驗數(shù)據(jù)回歸出了軸流式氣液
旋流分離器壓力損失系數(shù)的計算模型，得到的壓降計算值與實驗值的平均相對誤差在9．27 左
右，兩者吻合性較好。
關(guān)鍵詞：旋流分離器；氣液分離；壓降；計算
中圖分類號：TQ O51．8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
該臺球罐一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)。2007年12月使
用單位組織相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)聯(lián)合進(jìn)行了開罐檢查。對
球殼板對接焊縫內(nèi)、外表面和角焊縫表面進(jìn)行100
磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的表面缺陷。對接焊縫進(jìn)行
100 超聲檢測，發(fā)現(xiàn)幾處面狀埋藏超標(biāo)缺陷，經(jīng)分
析為現(xiàn)場安裝時的漏檢缺陷，經(jīng)返修合格。
表11 球罐產(chǎn)品焊接試板力學(xué)性能及冷彎性能
4 結(jié)語
(1)通過對15MnN bDR鋼低溫性能和焊接性
能進(jìn)行系統(tǒng)的力學(xué)性能試驗，積累了大量的工程數(shù)
據(jù)，為其在工程應(yīng)用的設(shè)計與制造提供了技術(shù)依據(jù)。
(2)結(jié)合球罐制造、安裝工藝特點，重點分析了
15MnNiNbDR鋼制2 000 nl。乙烯球罐的焊前預(yù)熱
溫度、焊接層間溫度、焊接線能量、焊后熱處理等制
造加工特性。經(jīng)工程施工實踐驗證，制造加工工藝
參數(shù)切實可行。
(3)開罐檢查結(jié)果表明，采用15MnNiNbDR鋼
研制的2 000 nl。乙烯球罐整體質(zhì)量優(yōu)良，技術(shù)上是
成功的。
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(許編)
收稿日期：2009～08—18
作者簡介：柳玉暉(1973一)，女，新疆克拉瑪依人，工程師，主要從事化工設(shè)備管理工作。

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