关于我国球罐技术精细化的几点思考

关于我国球罐技术精细化的几点思考

窦万波,刘󰀁军

油天然气股份有限公司,北京󰀁100007)

摘󰀁要:近年来,我国球罐技术取得了较大进步,很多大型高参数球罐已实现了国产化,但要做到从

1

2

(1.合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术中心,安徽合肥󰀁230031;2.中国石

有到精还有一定差距。结合目前的技术状况,从存储工艺对设备的技术经济影响、采纳先进设计技术理念、强化球罐材料专用化配套开发,以及完善制造、安装、检验的细节技术等方面,讨论了球罐技术向精细化发展的要点。对今后球罐研究工作及提高建造技术水平都有一定的指导作用。

关键词:球罐;

建造技术;精细化

中图分类号:TQ053.2;TQ050.6󰀁󰀁文献标识码:B󰀁󰀁文章编号:1001-4837(2010)11-0039-06do:i10.3969/.jissn.1001-4837.2010.11.008

PonderOvertheRefinementsoftheNationalConstruction

TechnologyofSphericalTanks

DOUWan-bo,LIUJun

1

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(1.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,ChinaNationalSfetyEngineerResearchCenterofPres󰀁sureVesselandPipeline,Hefei230031,China;2.PetroChinaCompanyLimited,Beijing100007,China)Abstract:Inrecentyears,althoughithasbeenmadegreatprogressintheconstructiontechnologyofsphericaltanks,andmanylarge-scalesphericaltankswithhighparametershavebeenrealizedtheman󰀁ufacturedomestically,thereisstillcertaingaptothetechnicalrefinementofsphericaltanks.Themainpointsofthetechnicalrefinementofsphericaltankswerediscussedbasedonthecurrenttechnicalsitua󰀁tionofsphericaltanksfromthetechnologyeconomyimpactofstoragetechnologytotheequipmen,tthea󰀁doptionofadvanceddesignconcep,tthedevelopmentofthespecializedmaterialsofsphericaltanks,themprovementofthemanufacturei,installationandtestingtechnologyofsphericaltanks,etc.Itwillguideforimprovingtheconstructionlevelofsphericaltankanditsrelatedresearchwork.Keywords:sphericaltank;constructiontechnology;refinements

我国球罐技术得到了快速发展,很多高难度球罐

0󰀁引言

1958年,我国开始制造首台球罐

[1]

已从无到有,部分国产化技术已达国际先进水平。

3

如在大型高参数化方面:10000m天然气(设计压

,经过几

力1.05MPa)、10000m丁烷球罐(设计压力0.79MPa)、3000m丙烯(设计压力2.16MPa)、500033mLPG(设计压力1.77MPa)、1500m氧氮气球

󰀂39󰀂

3

3

十年的发展,尤其是最近十多年来对引进球罐的

消化、吸收,结合国内庞大市场的实践、创新机会,

CPVT󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁关于我国球罐技术精细化的几点思考󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol27󰀂No112010

罐(设计压力3.15MPa)等实现了国产化;在高难

3[2]

度方面:2000m低温乙烯球罐实现了国产化。但球罐是多专业综合性技术,要达到从有到精,还有很多问题值得思考和探索。文中结合笔者多年来从事球罐研究及工程应用的实践,提出几点想法进行探讨。

1󰀁重视存储工艺对设备的技术经济影响

球罐技术的总体趋势是向大型高参数化发展,但这种发展不能是单纯和孤立的,应重视存储工艺与球罐设备的统筹和协调。通过存储工艺的

调整,有时可达到既降低球罐难度又提高了存储效率,有事半功倍的效果。

被存介质的物理状态对球罐的存储能力影响很大,液化状态的存储效率远高于气态。由于温度和压力是决定介质物态的两个主要参数,介质是气态存储还是液化态存储,存储的温度、压力等设计参数都是可以通过存储工艺调整的,优化存储工艺,有利于球罐技术和经济性的统一。

TSGR0004 2009!固定式压力容器安全技术检察规程∀规定,常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力按表1确定。

󰀁󰀁可以看出,球罐在无保冷设施时,介质会通过

液化气体临界温度#50∃<50∃

表1󰀁常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力

规定温度下的工作压力

有保冷设施无保冷设施50∃饱和蒸汽压力

无试验实测温度

有试验实测最高工作温度且能保证低于临界温度

试验实测最高工作温度下的饱和蒸汽压力

可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力

在设计所规定的最大充装量下为50∃的气体压力

壳壁与外界换热。以夏天介质温度50∃时的饱和蒸汽压作为确定设计压力的依据,此时设计温度应充分考虑大气环境温度条件对容器金属的影响;有保冷设施时,设计压力是以介质实际可达到的最高温度对应的饱和蒸汽压为依据(一般都会低于50∃时的饱和蒸汽压),而设计温度是以试验实测温度为依据,不受大气环境温度条件的影响。换言之,在可靠保冷情况下,设计温度和设计压力两个主要工艺参数是相互关联的,而且是可以通过技术手段调整的。试想一下乙烷介质:临界温度32.2∃,临界压力4.87MPa,如果无保冷只能按气态存储,介质存储量和球罐存储压力成正比,但压力高,球罐难度随之增大;但如果外部保冷内部考虑必要的冷却措施,只要能控制介质温度在32.2∃以下,就可以实现液化态存储,存储效率大大提高,球罐选材取决于实测温度,不必受环境温度的影响。

因此,把存储工艺与其对球罐的技术经济影响结合起来研究,在条件允许时,通过保冷、制冷、强制换热等技术手段主动调整球罐工艺参数,可以达到更高的经济性和安全性。当然,设计参数的调整除影响球罐存储能力外,对球罐用钢的选用及制造施工难度、设备的造价也必然带来影响,对球罐的使用和维护也会带来不同的影响,需要

󰀂40󰀂权衡利弊。

2󰀁关注先进的设计技术和理念

球罐属于特种设备,必须按相应的法令、法规、标准、规范进行设计,世界上主要工业国家都

有自己压力容器的规范和标准,如美国的ASME、英国的BS5500、法国的CODOP、日本的JISB8270等。在这些标准规范中,球罐强度计算方法主要有规则设计方法和分析设计方法两种。

规则设计法是基于弹性失效准则,即认为球罐某最大应力点一旦进入塑性,丧失了纯弹性状态即为失效,规则设计只考虑单一的%最大载荷工况&,按一次施加的静载荷处理,不考虑交变载荷及疲劳寿命问题,是以材料力学及板壳薄膜理论的简化公式为基础,再加上一些经验系数。该方法简单、易于掌握,但不够精细。

分析设计方法,放弃了传统的%弹性失效&准则,采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的%塑性失效&与%弹性失效&准则,允许结构出现可控制的局部塑性区,允许参考峰值应力部位作有限的寿命设计。分析设计是工程与力学紧密结合的产物,它不仅解决了压力容器常规设计所不能解决的问题,也是容器设计观点与方法上的

第27卷第11期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁压󰀁󰀁力󰀁󰀁容󰀁󰀁器󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁总第216期

一个飞跃。分析设计方法根据导致结构破坏的危险性不同而对应力进行分类,对各类应力取不同的许用值进行评定,取比常规设计低的安全系数,由于考虑交变载荷等因素,总体安全性不会降低。分析设计方法可达到常规设计无法达到的合理结果,依据应力分布情况优化结构,该薄处薄,该厚处厚,从而达到既保证安全,又降低总造价的效果。

20世纪80年代,国外在球罐上已普遍采用分析法设计。我国在20世纪80年代也开展了压力容器应力分析研究工作,但球罐的应力分析设计还是在21世纪初才开始的,起步以危害性不大的氧气、氮气、压缩空气等介质,容积大都在1000m以下,2005年以后陆续开始了液化气体及大型天然气球罐的分析设计技术研究。随着计算机技术的不断发展,大型分析工具的应用,分析设计技术还会向更精细的方向发展,结合环境、地质各种载荷因素,对高应力部位的结构优化,尤其是对支柱及开孔接管等精细分析,将是今后球罐设计技术精细化研究的重点。

近年来,压力容器包括球罐设计技术发展的最新动向是,基于风险与寿命的设计制造研[4-5]究,TSGR0004 2009!固定式压力容器安全技术监察规程∀也要求球罐设计时需提供风险评估报告。在设计阶段就进行风险评估的原因是:虽然恶性事故出在使用阶段,但很多是设计制造考虑不周所致。在设计时仅考虑工艺规定的设计压力、设计温度及介质条件下,满足强度、刚性及稳定性要求,缺少使用过程中损伤机理与失效模式等数据支持,无法全面考虑使用中的风险,难以事先确定使用寿命。结果往往是要么因设计要求不足在使用过程中突然失效或过早失效,要么要求过高造成不必要的浪费。如果事先考虑到全寿命过程中可能出现的失效模式和损伤机理,通过合理选材、改进结构设计、优化制造工艺等措施,早期控制与降低压力容器使用过程中的风险,并结合从工艺流程上采取的保障措施,就可使其安全服役到预定的寿命。

基于风险与寿命的设计是球罐设计精细化的一个重要理念,但在现阶段,我国除个别从事过此方面研究的单位外,绝大多数设计单位对风险评估报告的理解和达到基于风险与寿命设计的能力差距很大。设计人员要通过学习延伸知识结构,

3

[3]

具备判断设备可能产生的损伤和失效模式的能力;设计单位要积累设计经验,跟踪设计产品的运行情况。密切关注和积极采纳新的设计技术和理念,是今后球罐设计应着力加强和完善的方面。3󰀁加强球罐材料专用化配套开发

作为存储类容器,球罐主要是在常温和低温下工作,因此球罐钢以常温钢和低温钢为主。发达国家在早期球罐用钢研究中形成了两条相对明确的技术路线

[6]

:美国和日本倾向于采用屈服限

为500~800MPa的高强度钢,优点是球壳薄、经济性好,缺点是焊接及热处理等制造工艺苛刻;法国、英国、德国等欧洲国家倾向于采用屈服点为500MPa以下的中、低强度钢,优点是制作难度小、运行安全、事故少,但球壳厚、经济性差,一般要通过整体热处理消除残余应力。随技术水平的提高,两条技术路线的界限已不很明显,球罐钢发展都体现出以下几个特点:

(1)钢质越来越纯净,S,P等杂质元素降到很低的程度,在实物中一般可以达到S∋0.010%,P∋0.015%;对性能不利的气体元素O,N,H等含量的控制也越来越严格;

(2)Ceq,Pcm等体现焊接性能的化学成分指标呈下降趋势,标志着钢材的焊接性能更好;(3)强度指标波动范围更小,一批材料屈服限和强度限波动一般都不超过15%;

(4)塑性指标伸长率实物水平更高,具有更好的冷加工性能;

(5)冲击韧性实物水平Akv一般在200J左右,一般达到标准验收指标的5倍以上;

(6)钢板板幅也较大(14000mm(3300mm左右),有利于大型球罐合理排板和分带,减少焊缝总长。

我国新型球罐钢研究始于20世纪80年代初,多年的努力尤其近年来冶金装备水平的不断提高,我国球罐用钢有了很大的进步,按高强度钢和中强度钢两条技术路线都开发了一些新钢号,基本实现了品种系列化,部分钢材品质也达到或接近国际先进水平,很多大型高参数球罐摆脱了国内无材可选,只能依赖进口的被动局面,新钢种从开发到应用周期也从2000年前的4~7年缩短到目前的2~3年。表2列举了近年来开发的球

󰀂41󰀂

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罐用高强度钢和低温高强度钢性能技术要求,表3列举了中强度钢和低温中强度钢性能技术要求,这些新钢种,均经过全国锅炉压力容器标准化

牌号07MnCrMoVR07MnNMioVDR08MnNiCrMoVD10Ni3MoVD12MnNiVR

技术委员会的评审,且都有在球罐成熟使用的业

绩,并已陆续纳入标准。

表2󰀁我国开发的高强度及低温高强度球罐钢力学性能要求

拉伸试验冲击试验(横向)

交货状态

ReL/MPaRm/MPaAkv/JA/%温度/∃调质

调质调质调质调质

#490#490#480#480#490

610~730610~730600~770600~770610~730

#17#17#17#17#17

-20-40,-50-40-50-10,-20

#47

#47#47#47#,#47

冷弯试验b=2a,180)d=3a

d=3a d=3a

󰀁󰀁注:07MnNMioVDR及12MnNiVR钢板的冲击试验温度由需方选择,并在合同中注明。

钢号交货状态

表3我国开发的中强度及低温中强度球罐钢力学性能要求

拉伸试验冲击试验

板厚

ReLRmAkvA温度/mm

/MPa/MPa/%/∃/J3~16

>16~36>36~603~16

#245#235#225#345#325#315#370#360#340#315#295#285#325#315#305#370#360#350#300#280#270

400~520510~0500~630490~620530~630520~620490~620470~600460~590490~620480~610470~600530~630530~630520~620440~570430~560430~560

#23

-70

#34

#20

-45

#34

#21

-40

#34

#21

-20

#34

#25

-20

#34

冷弯试验b=2a,180)d=1.5ad=2ad=3ad=2a

高韧性20R(Q245R)高韧性16MnR(Q345R)15MnNbR(Q370R)

正火

正火

>16~36>36~6010~16>16~36>36~606~16>16~36>36~606~16

正火

#20-20#34

d=3ad=2ad=3a

16MnDR正火

15MnNiDR正火

>16~36>36~6010~16>16~36>36~606~16

d=3a

15MnNiNbDR正火

#20-50#34d=3a

09MnNiDR正火

>16~36

>36~60

d=2a

󰀁󰀁从表2,3可知,对常温钢,强度级别Rm从400~610MPa有多个钢号形成了系列化;对低温钢,从-40~-70∃形成了温度级别系列化,Rm从460~610MPa也具备了强度级别系列化。但为满足球罐大型高参数及高可靠性要求,还应加快对材料专用化配套研究:

(1)专用钢的开发:除满足通用的加工性能和使用性能外,还应针对介质自身特点开发专用钢,如抗硫化氢及抗液氨应力腐蚀专用钢等。

(2)更高级别材料的开发:国外在Rm690

󰀂42󰀂MPa和780MPa高强度钢及-80∃的1.5Ni和-100∃的3.5Ni都有成熟钢号和成功应用的先例,这些高级别材料有利于满足更宽范围存储工艺对球罐材料的要求。

(3)锻件和焊接材料配套开发:钢材开发中重钢板轻配套的情况较为明显,锻件及焊条绝大多数还是以选用为主,很少进行配套开发,往往造成钢板技术水平不能得到充分的发挥。应将锻件和焊条的配套开发作为新钢种开发的一个重要组成部分,以统一的目标组织完成。

第27卷第11期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁压󰀁󰀁力󰀁󰀁容󰀁󰀁器󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁总第216期

4󰀁完善制造、安装、检验的细节技术

球罐一般是在制造厂完成球片压制及零部件制造,再运到现场完成组装、焊接、检验。制造和安装是实物质量形成的环节,工序很多,细节的技术往往决定产品的优劣。

目前普遍采用的冷压成形技术,其特点是小模具、多压点,钢板不必加热、成型美观、无氧化皮,对钢材的损伤小、壁厚减薄量少。我国现阶段冷压成型精度控制主要还是依靠制造厂的经验,因此不同厂家冷压成型的精度和效率差别很大。

2

随着球罐大型化,特大板片(30m以上)及高强钢应用,曲率精度是一个突出的问题,目前全国近百家球罐制造厂,只有极少数企业高强钢特大板片曲率可以达到标准要求。追其根源,主要还是对球片压制成型中胎具的直径、胎具曲率、不同钢种回弹量的控制、载荷大小、加载速度及冲压部位、次序等没进行细致的理论分析或模拟研究,仅靠试压及垫板调整来解决。

下料和坡口加工是球片制造的另一重要环节,对组装效果和焊接质量带来直接影响。球面是不可展开面,故球壳板的精确下料一般在成形后和坡口加工合二为一。虽然对球壳板坡口下料理论研究并不缺乏,但坡口加工仍是制造厂的薄弱环节和出现质量问题最多的地方,原因是理论计算一般仅考虑冷态,未考虑火焰切割时的热膨胀量的补偿,另外,大板片切割胎较长,其加工精度和刚性都会影响切割质量。也有不少制造厂技术力量欠缺,没有真正掌握坡口半自动下料原理,仍用手工下料,质量自然无法保证。

现场组装从早期分带组装或分块组装向整体组装发展,整体组装优点是组装速度快、几何精度高、便于对称施焊、焊接变形小等,但整体组装卡具要求多、高空作业多。目前不同施工单位球罐整体组装和脚手架搭设方法千差万别,方法粗放对球壳板损伤大、自身安全性低的情况大量存在,需要先进精细的技术和规范化管理。

焊接和热处理是施工质量控制的关键环节,球罐用钢技术的专用化决定了焊接、热处理等工艺技术的差异性,施工单位必须加强焊接、热处理等环节技术力量,有能力将相应的技术要点贯彻到施工中去。在焊接方法上,国外前苏联、德国、

日本、美国等国家除手工焊外都较早采用了自动

焊。我国20世纪90年始球罐自动焊试验研究,主要是自保护和气保护全位置自动焊工艺,但国内球罐自动焊接技术推广及普及速度缓慢,原因是球罐全位置自动焊一次合格率偏低,返修工作量大。因此,加强球罐自动焊合格率技术研究,应是今后球罐焊接研究的重点之一。在球罐无损检测技术方面,除传统的射线检测(RT)、超声波检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)等外,新检测技术应作为研究工作的重点。近年来TOFD

[8]

[7]

检测技术在球罐上开始应

用,如合肥通用机械研究所压力容器检验站在茂名石化、神华宁煤、中石油庆阳石化、辽阳石化亿方公司、独山子石化等30台多台球罐检验中应用TOFD,尤其是特大型、壁厚和老装置区增建球罐方面,其缺陷检出率高、对周围环境影响小、与焊接作业同步性好等优势已突出表现出来。由于我国TOFD检测还没有统一标准,如何用好该方法还有很多问题需要总结:如按类似射线标准制订的企业检验标准,TOFD缺陷检出率远高于射线检测,造成返修率较高,是否可以从判定标准方面放宽一些?在极个别情况下出现相反的情况,用TOFD判断缺陷未超标,但用射线检测复查认为该缺陷超标,是不是就否定TOFD的可靠性而全面扩大射线的复检率?TOFD和射线检测两种原理不同的检测方法,是否一定要追求TOFD完全覆盖射线检测结果等。TOFD是一种先进的检测方法,只有把各方面工作做透,积累更多的经验,才能在球罐上加速应用。5󰀁结语

球罐技术发展的核心始终是围绕着安全性和经济性展开,加强细节技术研究,夯实基础有利于球罐技术稳定、健康发展,我国现阶段还要注意加强以下薄弱环节和领域的研究:

(1)大型高参数球罐轻型化技术

大型化及高参数化是提高球罐存储效率的有效手段,应结合高强钢的使用、先进设计技术的应用及完善制造施工技术的配套,实现轻型化,达到节省资源、降低造价的目的。

(2)深冷LNG球罐和复合板球罐

随着我国深冷的LNG、液态乙烯的存储需求

󰀂43󰀂

CPVT󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁关于我国球罐技术精细化的几点思考󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol27󰀂No112010

增加,需要开发各类型深冷球罐,该方面技术我国尚处于起步阶段,和国外差距很大。由于涉及材料、结构、保冷等诸多因素,该类球罐将有着广阔的发展空间;对于特定有较高腐蚀的介质,开发耐腐蚀性复合板球罐技术,对于保证耐腐蚀性、同时合理利用材料资源有着重要意义。

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收稿日期:2010-09-25󰀁󰀁修稿日期:2010-10-23作者简介:窦万波(1963-),男,教授级高工,主要从事压力容器及其材料、焊接技术研究工作,通信地址:230031安徽省合肥市合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全技术中心,E-mai:ldouwanbo@hgmr.icom。

(上接第38页)

4.9.2(a)条规定:%首次试制的产品,应当进行液压破坏试验,以验证设计的合理性,若试验不合格,则不得转入批量制造,试验应当有完整的方案和可靠的安全措施。&ASME∗-1和EN13445-6中也在相关条款中提出了水压爆破试验的要求和具体操作规程。5󰀁总结与展望

经对欧、美、中3国球铁容器法规标准综合比较可见,欧盟标准EN13445-6在安全系数的确定、无损检测方式、爆破试验压力计算等方面都引入了%影响因子&,并贯穿于设计、制造、检验与验收的全过程,使得其整个标准灵活紧凑,自成体系,具有较突出的优势。

相比之下,我国!固定式容规∀规定的球铁容器安全系数取值偏大,致使所设计的球铁容器壁厚偏厚,制造成本大幅增加,削弱了产品竞争力。同时,我国尚无球铁容器的国家标准,唯一现行的化工行业标准HG20531制订年代久远,所引用的标准严重老化,许多条款已不适用,制约了球铁容器的推广应用。因而重新制订球铁容器的行业标准乃至国家标准是十分必要的。

󰀂44󰀂收稿日期:2010-10-18

作者简介:陈志平(1965-),男,教授,博士生导师,主要从事压力容器安全保障技术与创新设计研究,通信地址:310027浙江省杭州市浙大路38号浙江大学化工机械研究所,E-mai:lzhiping@zju.edu.cn。参考文献:

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