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大型天然气球罐建造技术

文档作者: 张增斌 李晓明2 谢培军2 王万磊2 高中稳2 李志玉2        文档来源: 1.唐山市煤气工程设计研究院 2.兰州石油机械研究所
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更新时间: 2021年01月08日
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第37卷第3期 油化工设备 Vol. 37 No.3 2008年5月 PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT May 2008 制造技术 文章编号:1000-7466(2008)030052-03 大型天然气球罐建造技术 张增斌,李晓明2,谢培军2,王万磊2,高中稳2,李志玉2 (1.唐山市煤气工程设计研究院,河北唐山063000 2.兰州石油机械研究所,甘肃兰州730050 摘要:阐述了目前天然气储存设备的现状。介绍了某大型天然气球罐建造过程中工程设计、球壳 板压制及组焊等方面的技术数据和经验,为大型球罐的设计及建造提供一些指导意见。提出天然 气以液化低温方式储存更加高效和经济,液化天然气低温储罐势必成为未来发展的方向。 关键词:球罐天然气;大型;建造 中图分类号:TE972.06 文献标志码: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 天然气以其安全可靠、节能环保和经济高效等气态天然气体积的1/625),储存效率会更高。但由 优点被广泛用作城市燃气。作为城市燃气,天然气于对液化天然气储罐的要求较高,而且建造等各方 目前普遍采用带压气态储存球罐储气能力强,结面技术都不是特别成熟,因此制约着我国天然气储 构受力好,是城市燃气储存设备的首先。已建成的罐的发展。尽管如此,大型天然气球罐还是市场的 北京和西安等地10000m3天然气球罐、咸阳等地主流,解决大型球罐的建造技术问题具有重要意义。 5000m3天然气球罐及宝鸡4000m3天然气球罐,笔者以某大型球罐的建造为例,介绍大型球罐建造 都体现了大型球罐在储存天然气方面的优越性。 的主要技术要点。 带压气态储存时,公称体积10000m3是目前 1设计技术要点 国内储存气态天然气的最大容量,体积再大就会产 生技术、经济问题。笔者认为,可以将天然气进行液1.1主要技术参数 化处理后以常压方式储存,(液化天然气体积大约为 某大型球罐结构型式为5带14柱混合式。其 收稿日期:2007-12-30 作者简介:张增斌(1968-),男,河北唐山人,高级工程师,硕士,主要从事市政燃气相关设备的设计研究工作。 第3期 张增斌,等:大型天然气球罐建造技术 53 公称体积10000m3,球罐直径26.8m,球壳材料为点是受力均匀,弹性好,安装方便,容易调整。支柱 wel-ten6oc.设计压力1.05mpa设计温度为0610mm×10mm的分段结构,支柱与球壳板的 10/70℃,球壳名义厚度37mm、38mm,气压试焊缝受力大采用等强匹配的原则,即与球壳板相 验压力1.21MPa,焊接接头系数1.0 焊的上段支柱采用wEL-TEN610CF,下段支柱的 1.2材料 材料选用强度等级稍微低一些的16Mn,这样既能 只有碳质量分数较低的钢才能做为球罐用钢,保证支柱的承载能力,又能改善焊缝连接处的应力 一般需要将碳的质量分数控制在0.24%以下集中和拘束同时可以降低成本 除了必须保证必要的强度指标外,尤其要保证塑性、 球罐主体焊缝的对接焊缝选用GB12337一 韧度以及良好的可成型性和焊接性。我国从2世1998《钢制球形储罐》中推荐的双面坡口2,球罐外 纪80年代开始试制和生产抗拉强度o=61MPa侧坡口角度小,但是坡口深;内侧坡口角度略大,但 级别的钢材,但是由于板宽比较窄目前还无法满足是坡口浅。这样内外两侧的焊缝的全部热输入比较 大型球罐对板宽的要求。10000m3球罐的直径为对称,可以相互抵消并且改善T型焊缝处的拉应力 26.8m,赤道带板幅较宽,基本在3m左右。鉴于状态 在国内已经有采用日本钢板建造大型球罐,且已获2制造技术要点 得容标委的论证许可的历史,所以球壳板材料选用 日本制造的L-TEN610CF,这种钢板的w(C)< 球壳板的冲压直接影响着大型球罐的现场组 0.09%,w(S)<0.01%(P)<0.02%加工性、焊焊,需要对冲压方式及力度进行有效的控制 接性很好。 wL-TEN610CF钢板的抗拉强度下限值超过 锻件选用与o=610MPa级别钢材配套的610MPa,热处理状态为调制状态,属于调制高强度 08 8MnNiCrMoVD.人孔凸缘锻件按IV级,其余锻钢板,在冷压过程中,会产生一定的成型应力,为此 件按级,相应的级别要求较高,也是考虑钢板和采用低应力成型方法,即由球壳板一端开始冲压,按 锻件性能匹配最优化 先横后纵顺序排列压点,相邻两压点之间相互有 焊条选用日本焊条L-62CF,这种焊条焊接性很1/2~13的重复率,保证两压点之间成型过渡 好属于高韧性超低氢性焊条。其熔敷金属的力学滑。采用这种方式可以有效地利用冲压顺序,合 性能与钢板是匹配的,屈服强度o≥500MPa,抗拉理地将成型应力分布均匀,并得到较好的释放,减少 强度o≥610Ma。化学成分与钢板的化学成分接成型后的自然变形 近,熔合后的力学性能较高。焊条的扩散氢含量小 球罐钢板的w(C)<0.09%,虽然碳质量分数 于0.015mL/g 超低在一定程度上对焊接是有利的,但是对大型球 1.3设计 罐球壳板的压制反而有了反作用力。钢板的塑性和 虽然该球罐的设计压力只有1.05MPa但为了韧性比较好,在球壳板压制过程中回弹空间大,冲压 尽量减少现场焊接的工作量保证球罐最终质量,采过程中回弹率造成的变形,亦即球壳板的曲率不好 用5带14柱混合式结构这种结构取桔瓣和足控制,因此,应当根据钢板的应变量来确定冲压的力 球瓣式两种结构形式的优点,材料利用率高,焊缝长度,选用小模具、多压点,使球壳板成型美观,而且其 度缩短,球壳板数量少各带板的互换性高,大型精度也会相应得到提高,确保现场组对时能达到标 球罐现场组对很有利。 准要求。 考虑支柱对球壳板产生的局部应力,赤道带球 制造厂中的焊接主要是人孔接管与极板的焊接 壳板采用不等厚的原则从而解决了由于球罐支柱和支柱与赤道板的焊接,人孔接管均为厚壁管,焊接 计算中受力较为苛刻点的应力过大,要增加相应壁后的残余应力比较大。赤道板与支柱焊接后的残余 厚的问题,也使得球罐的厚度控制在38mm以下应力会影响连接处焊缝的受力状态,对支柱的支撑 (与支柱连接的赤道板厚为38mm,其余均为不利,这些都需要在制造厂进行热处理。热处理的 37mm)针对不同的受力状况,选用不同的球壳板温度按照JB/T47092000《钢制压力焊接规程》中 厚度,将支柱与赤道板连接处的应力峰值减小,从而的要求控制在(57020)℃,温度不能太高温度 改善受力状况。 过高会产生再热裂纹,而且会烧损合金钢中的合金 支座为赤道正切柱式支撑结构,这种支柱的优元素,使钢材的强度降低。在热处理温度下钢材原 54 石油化工设备 2008年第37卷 有的弹性应变转变为塑性应变,会产生一定的蠕变,一层起后热作用,对后一层起预热作用。④焊后立 从而使应力松弛产生释放,将焊件的焊接残余应力即进行后热处理,将焊后的焊缝加热到200~ 峰值降低。 250℃,保温0.5~1h,使得焊缝中的氢能有效扩 采用火焰切割加工球罐坡口,火焰切割加热的散,杜绝冷裂纹产生的氢源。 过程就是对材料有热输入在切割高强度钢板过程采用上述措施可以有效地控制焊接热输入,保 中也要进行一定的预热,并控制好切割速度和火焰证高强钢的各项力学性能。另外将球壳内外侧焊 的大小这样在成型后的坡口面就不会有大量的热缝表面的余高打磨圆滑,严格控制焊缝余高为0~ 裂纹,从而减少坡口面的打磨工作量和焊缝中的裂1mm,使得焊接过程中产生的应力能有效释放,从 纹源。单块球壳板板幅较长,近10m,如果坡口的而为不进行焊后整体热处理做好准备。最终产品试 几何尺寸控制不好,就会给现场的组装造成很大困板的力学性能,如拉伸、弯曲和冲击功等数值完全合 难。在切割过程中需要制作适当的胎具有效控制格,而且各项试验值远超过标准要求的值,表明施工 球壳板坡口的精度。 工艺是合理有效的。 3组焊技术要点 该球罐操作状态下的物料只有近75t,因此使 用1000t水来检查基础的沉降情况。设计支柱时是 在安装现场采用以赤道带为基准的散装法完成按照操作状态计算外径和壁厚的,因此在一定程度 该球罐的组装赤道带是整个球罐的基准带其组上降低了支座的质量,节省了造价。进行压力试验 装精度对其它各带和整个球罐的最终质量影响很时,用气压试验代替水压试验。考虑气压试验的安 大。组成环后,对支柱的垂直度,焊缝的对口间隙、全问题,必须制定严格的安全措施。最终确定的试 错变量,圆度和上、下口的齐平度等进行调整控制,验压力为1.21MPa,试验步骤按照GB12337 为避免组对过程中的强力组装,采用脊板型夹具、1998钢制球形储罐》中的规定进行压力试验同 隙片和弧形加强板等工装,配合点固焊完成球罐的时也是对球罐进行过载处理,属于力学消除残余应 组对,以减少附加应力的产生。组装完毕后的测量力处理。过载处理之后,球罐残余应力的分布相对 结果为,间隙0~3mm、错边量最大1mm、棱角值比较合理,也降低了由于球罐组对中角变形和错变 最大3.5mm、椭圆度最大差值40mm控制球罐量而引起的附加应力 组装后的几何尺寸可以极大降低组装应力,改善球 壳焊缝的受力状况。 4结语 焊接是球罐施工中最关键的环节之一球壳名10000m天然气球罐的建造成功,进一步提升 义厚度不大于38mm,对球罐可以不进行整体热处了我国球罐建造的技术水平,为大型球罐的国产化 理。但焊缝金属20℃下的低温冲击试验值要求提供了宝贵的经验,也为我国球罐向更高参数、更大 不小于80J,因此在制定焊接工艺文件时,既要考型化发展提供了借鉴。 使焊接过程中的残余应力尽可能小,又要严格控制虽然大型球罐建造技术逐步走向成熟,但不能 热输入。WEL-TEN610CF钢板在室温下焊接,对停滞在天然气的带压气态储存上,应该利用球罐自 冷裂纹不是很敏感,但考虑是高强钢,而且球罐不进身的优势来解决液化天然气的储存问题,从而彻底 行整体热处理,所以要求焊前预热100℃,先焊赤道解决天然气的利用和储存矛盾。国内目前还没有储 带的外侧焊缝(大坡口),由14名焊工间隔对称进行存液化天然气球罐的建造标准,这将对我国球罐建 焊接。焊接过程中应注意,①限制焊接线能量不超造提出更高的挑战。 过35kJ/cm,横焊和仰焊焊接线能量是30kJ/cm, 各种位置上的焊接电流根据所使用的焊条直径参考文献: 03.2mm和04.0mm确定②每1名焊工的焊接[]王嘉磷,侯贤忠,刘家发,等球形储罐焊接工程技术[M]北 速度除要满足不同施焊位置的不同要求外,还要尽 京:机械工业出版社,2000 量同步,以使整个焊接过程中各处的热输入基本对【2G1237-1989球形储m[S] 称一致。③要求对层间温度进行控制,保证焊接过 .[3]《压力容器实用技术丛书》编写委员会压力容器设计知识 [M].北京:化学工业出版社,2005. 程中的层间温度不小于预热温度。严格要求焊接层【4B/T4092000制压力焊接规程[S] 次,每一层不超过3.5mm,确保每一层焊完,对前 (张编)
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