（油气储运工程专业论文）大型球罐施工技术研究.pdf

s t u d yo n c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo fl a r g es p h e r i c a lv e s s e l l i ux i a o g u i o i l & g a s s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ic h u a n - x i a n a b s t r a c t a su s u a l ，t h ei n s t a l l a t i o no fs p h e r i c a lv e s s e lw h o s ev o l u m ew a sm o r et h a n 2 0 0 0 r n jw a sa d o p t e db yt h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u ew h i c hw a sa s s e m b l e dp i e c e b yp i e c ew i t hc e n t r a lp o l e b u tt h ed i s a d v a n t a g ef o rt h i st e c h n i q u ei st h a tt h e c o n s t r u c t i o nc o s ta n dw o r ks t r e n g t hi sh i 曲，a n da tl e a s tt h e9 3 2 5s e a m l e s s s t e e lp i p em u s tb eu s e df o rc e n t r a lp o l e n o w a d a y s ，t h es p h e r i c a lv e s s e li s g e t t i n gl a r g e ra n dl a g e r ，s oa st h eu n i t ep l a t ep i e c e a n ds o m en e w s t r u c t u r e s u c ha se c c e n t r i cs u p p o r t i n g p o l ed e s i g nn e e dm o r eh i 曲t e c h n i q u ef o r w e l d i n g s ot h e r ea r em a n yp r o b l e m n e e dt ob es o l v e d t h e p a p e r i n t r o d u c e dd o m e s t i cs t a t u so fl a r g e s c a l e s p h e r i c a l v e s s e l c o n s t r u c t i o n , t h r o u g ht h es t u d yo f2 0 0 0 m s p h e r i c a lv e s s e l c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yi nc h a nx i a og a sf i e l d ；t h eu n i q u et e c h n o l o g yw a sf o r m e da n d p o p u l a r i z e d t h em a i na s p e c t so ft h es t u d yw e r ef i t t i n g u pm e t h o do f n o n - m o u l d ，w e l d i n gs p e c i f i c a t i o nf o rt h i c kp l a t e ，t h ed e s i g no fh e a tt r e m e n s f o rw h o l ev e s s e l ，a sw e l la st h ep r o c e d u r e st oi n c r e a s et h ew o r ke f f i c i e n ta n d r e d u c et h ep r o j e c tc o s t t h es t u d ym a d et h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fl a r g e - s c a l es p h e f i c f l v e s s e li m p r o v e dg r e a t l y , s o m en e wc o n s t r u c t i o nm e t h o d s i m p l e m e n t e ds a f e l y , e f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c a l l y ，a n ds o m ev a l u a b l ed a t a ，i n f o r m a t i o na t t a i n e d f o rf u r t h e rs t u d yi nt h i sf i e l d k e yw o r d ：l a r g es p h e r i c a l v e s s e lc o n s t r u c t i o n , h e a tt r e a t m e n tf o rw h o l e v e s s e l ，w e l d i n gs p e c i f i c a t i o na n dw e l d i n gp r o c e d u r e ，f i t t i n g m e t h o do f n o n - m o u l d ，c r a c k sp r o b l e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：彦幻易年v 月才日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( f i t 密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 书一6 年斗月7 f 日 ；- - , , o h 年啦月衍日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 课题背景 第1 章前言 随着我国石油、化工、轻纺、冶金及城市燃气工业的发展，作为 储存容器的球罐得到了广泛的应用和迅速的发展，在石化企业、国防 工业、冶金工业及城市燃气中，用于储存液态丙烷、丁烷、丙稀及其 混合物( l p g ) 、液氮、液氢等物料。例如在城市燃气中，球罐供气 系统经常用于储存液化石油气和天然气及煤气中，在钢厂中利用球罐 储存氧气或氮气，这都说明球罐作为储存容器而言，不仅应用广泛， 而且具有很大的优越性。 尤其近些年来，随着西气东输的全线贯通和国家能源战略储备 建设的启动，大型天然气储存装置的需求也越来越大。由于球罐占地 面积小，抗风载能力大，受力均匀，安全系数大，与同规模的其它压力 容器比较成本低，具有良好的发展前景。目前球罐发展的进程先为低 压、常温、气体，其后逐渐过度到中、高压、低温液化气体和大型化 的方向发展。压缩天然气最常用的储存设备就是球形储罐，大型球罐 是当代球罐制造技术的发展方向，其中大型天然气球形储罐是城市天 然气利用工程的关键设备之一。另外各地盛装液化气、乙烯、液氨、 氧气等化工产品的球型储罐建设也越来越多，也逐渐向大型球罐方向 发展。我国自行设计研制的球罐容积已达到1 0 0 0 0 m 3 ，据了解仅合肥 市天然气利用工程就需建设1 2 台5 0 0 0 m 3 的天然气球罐。据不完全统 计，近两年2 0 0 0 m 3 以上的大型球罐就有上千台，所以大型球罐的需 求在未来的一段时期必大大提高。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 2 0 0 3 年我公司成功中标了目前我国国内最大的天然气处理装置 工程：中海油春晓气田群开发建设项目工程，该装置气体处理规模规 模达到7 8 0 1 0 4 m 3 d ，该装置主要的产品为天然气、液化气等，而装 置液化气贮存主要采用6 台2 0 0 0 m 3 大型球罐。针对公司承揽的中海 油春晓气田群开发建设项目中6 台2 0 0 0 m 3 液化气球罐施工任务，公司 在利用以往球罐施工中积累的成熟经验基础上，通过对大型球罐施工 技术研究，公司掌握了一套适合于大型球罐的施工工法。为中原油田 和我公司积累了大型球罐施工经验，形成专业的施工工艺技术，为今 后能够更好的进军国内、外大型球罐施工市场，提高我局的整体施工 实力，创造更大的经济效益有首重要的现实意义。 1 2 工程概况 1 2 1 概况 春晓气田是由中国海洋石油总公司、中国石油化工集团公司和 英国壳牌公司、美国优尼科石油公司共同签署的东海气田开发的五个 合同之一，是国家东海石油天然气开发战略的重要组成部分，春晓气 田的建成将给浙江工业和民用用户供气，同时部分天然气作为上海的 备用气源。“东气上岸”与“西气东输”将形成互补之势，共同保障 长江三角洲地区的能源供给。 1 2 2 管理模式 本次球罐单元工程是由中原油田工程建设总公司储罐安装工程 处负责承建；监理单位由天津大港油田监理公司担任；中国海洋石油 公司春晓气田项目部进行管理。本次工程是我们公司也是中石化第一 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 次和中国海洋石油总公司合作，对我公司今后拓展中海油市场具有重 大的意义。基本参数见下表： 表1 1 基本参数表 序号设计参数2 0 0 0m 3 球罐 1 设计压力 1 7 7 m p a 2 设计温度一1 0 5 0 3工作介质液化石油气 4容积2 0 2 6m 3 5水压试验2 2 1 m p a 6气密性试验1 7 7 m p a 7设备净重3 4 0 1 3 0 k g 8最大质量 2 3 6 6 1 3 0 k g 9 台数 6 1 0主体材料1 6 m n r 1 l 厚度 5 0 m m 1 2 内径 1 5 7 m 1 3赤道带板2 0 块 1 4上极带板7 块 1 5下极带板7 块 1 6 支柱l o 根 1 7焊缝长度3 8 8 m 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 大型球罐施工工法现状 按常规，国内容积在2 0 0 0 m 3 以上大型球罐的组装，一直采用传 统的中心柱单片散装工艺。要满足吊装的强度要求，至少需用由3 2 5 毫米直径的无缝钢管制作中心柱，大大增加施工成本和劳动强度。目 前，国内外球罐向大型化方向发展，板片也越来越大，支柱偏心设计 的等一些新结构，对现场组焊施工技术提出了更高的要求，有许多亟 待解决的关键性技术问题。通过对大型球罐施工技术研究，摸索研究 出了一套高效低成本的大型球罐施工工法，以春晓气田开发建设项目 球罐单元工程为例，对大型球罐施工工法进行阐述。 1 4 大型球罐的结构特点 1 4 1 支柱 大型气相球罐直径虽然很大，但质量不大，故支柱尺寸较小， 显得非常轻巧，与此相反，液相球罐大型化后，由于储存液量较多 单根支柱的生产载荷很大，因此对于液相球罐来说支柱非常粗大。 1 4 2 球罐内部设有回转梯 为了方便检查，大型球罐内部一般都设置回转爬梯，这是一种 沿球罐顶部赤道到球下部做的圆弧状的梯子，它以球定为中心沿着赤 道部的导轨作周向回转。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 5 大型球罐施工难点、特点分析 1 5 1 概况 春晓气田陆上终端工程由于工地处于海边，时有台风来袭，另外 海边空气湿度较大，这就给球罐施工带来了以下影响：球罐吊装时要 采取防风措施、球罐焊接应注意防风、防潮、防火并采取相应的技术 措旋、球罐热处理时间处于冬季，需加强冬季防风、防火、保温等技 术措施。 1 5 2 施工技术难点 由于大型球罐板片较大，支柱偏心设计的等一些新结构，对现 场组焊施工提出了更高的要求，这都是公司在以往的球罐施工中所未 曾施碰到过的。例如大型球罐的组装，一直采用传统的中心柱单片散 装工艺，要满足吊装的强度要求，至少需用巾3 2 5 9 t m 的无缝钢管 制作中心柱，大大增加施工成本和劳动强度。为提高施工效益，节省 施工成本，如何取消中心柱，研究无中心柱组装工艺是我们急需解决 的问题。由于大型球罐柱腿一般采用偏心支柱，偏心支柱的上、下段 柱腿组对时直线度的控制，也是一个全新的内容。 其次大型球罐板片较厚，球罐整体组装完后存在较大的组对应 力，如何控制焊接时容易产生应力裂纹也是需解决的问题。大型球罐 组焊以后大都需要进行焊后整体热处理，目前我国球罐常用的热处理 方法有：内部燃油法、内部燃气法和电加热法，国内大多采用内部燃 油法。热处理时由于球罐体积大，如何控制热处理过程中球罐的温度 梯度也是一个新课题。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 总体来说，大型球罐施工的难度较大，公司在这方面的施工经 验比较少，需解决许多关键性施工技术问题。因此公司成立科研小组， 对大型球罐施工工艺进行研究，解决如何合理组织大型球罐吊装组 对，选用合理的焊接方法和焊接工艺，制定合理的热处理工艺和控制 热处理过程，达到提高劳动工效和降低施工成本的目的。 1 6 大型球罐需要解决的问题 1 6 1 球罐壳体用钢 由于大型球罐部进行现场整体热处理以消除应力，故对板厚有 一定的限制，所以大型球罐必须使用高强度钢材。要实现球罐大型化， 首先要解决的是球罐壳体用钢问题，而高强度钢的研制、开发和应用 为首选。 1 6 2 高强度钢的焊接性能和焊接技术 由于高强度钢的焊接性能较普通低合金钢差，裂纹敏感性高， 焊接接头容易出现硬化，氢脆和裂纹以及角变形。裂纹的影响因素与 焊条及涂药成分、坡口形状、焊接热输入量大小、气候环境影响、焊 道走向等等都有密切的影响，所以焊接技术要求很高，因此需要有严 格的焊接规程和相当高焊接技能。 1 6 3 现场施工的科学组织和焊接技术严格管理要求 由于大型球罐直径大，不能运输，所以总是在制造厂制造出球 片、支柱、旋梯等零部件，然后运到使用厂地现场组装焊接。而高强 度钢焊接质量受环境影响很大，因此要求较严格的现场管理和施工技 术问题。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 1 6 4 支柱和基础安全可靠性 大型球罐的支柱较多，每根支柱受到的载荷较大，而大型球罐 的直径又大，各支柱不易安全在同一水平上。此外在地基局部下陷的 时候，将会引起支柱的载荷不均匀。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章球壳板及其附件制造技术研究 第2 章球壳板及其附件制造技术研究 球壳板及其附件制造工序分为下料、压制、坡e l 加工、无损检 测、组对、焊接喷砂除锈刷漆等七道生产工序。制造过程中根据制造 质量保证的难易程度，在下料、压制、坡口加工、无损检钡9 、组对、 焊接等六道工序上设置停止点，凡是停止点需经质量控制系统中各责 任人员检查签字确认后，方可转入下道工序的施工。 2 1 球壳板制造方案 各极带板按图纸设计尺寸的要求，分块制造，并采用多点冷 压成形工艺。 人孔、接管与上下极带中板、上段支柱与赤道板在制造厂 焊接完成，焊缝经检验要合格。 极带板及与支柱相焊的赤道板应优先选用i 级板。 严禁在球壳板上任意引弧损伤钢板，凡发现弧坑均应进行 表面探伤，并焊补后磨平，再次进行表面探伤。 嵌入式接管与球壳的对接焊接接头，焊接完毕后立即进行 后热处理。 制造厂在球壳出厂前进行分带预组装，组对间隙、错变量、 棱角、赤道线的水平误差等指标均应符合g b 5 0 0 9 4 1 9 9 8 球形储罐 施工及验收规范的相关要求。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章球壳板及其附件制造技术研究 2 2 附件制造方案 装。 2 0 0 0 m 3 球罐上段支柱须采用整张板卷制，不允许拼接。 下段支柱及其组焊件按图纸设计要求在厂内将进行组焊。 拉杆等附件均按图纸设计尺寸，分件制造，包装交付现场安 2 3 材料要求 球壳板 a ) 2 0 0 0 m 3 球罐用1 6 m n r 钢板，化学成份和力学性能符合 g b 6 6 5 4 - 1 9 9 6 压力容器用钢板及其第2 号修改单的规定，但其p 、 s 杂质的含量必须控制在p 0 0 2 5 、s 0 0 1 5 的范围内，钢板的使 用状态为正火状态。钢板必须具有出厂合格证。 b ) 2 0 0 0 m 3 球罐用1 6 m n r 钢板应每批取两张进行夏比( v 型缺口) 低温冲击试验，试验温度为一i o 。c ，试样取样方向为横向。三个试样 冲击功的平均指标为a 。 一3 1 j ，单个试样的最低冲击功k 2 5 j 。 c ) 2 0 0 0 d 球罐用1 6 m n r 钢板应按j b 4 7 3 0 - 9 4 压力容器无损检测 逐张进行1 0 0 超声检测，其中4 0 5 的钢板为i 级合格，其余为i i 级合 格。 球罐上人孔接管等锻件材料计划从大型锻件厂采购。 用于制作上下极板和与支柱连接的赤道板的钢板应逐张进 行超声检测，质量等级不低于i 级。 球壳板的其实际原度不得小于名义厚度减钢板负偏差。 人孔锻件的级别不应低于i 级 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章球壳板及其附件制造技术研究 原材料进厂验收合格后方可办理入库，发放车间使用。 2 4 下料 球壳板的下料采用火焰自动切割机进行 球壳板的形式与尺寸按设计图样的要求进行 每块球壳板均采用整板制作 2 5 压制 经下料检验合格的球壳板采用2 0 0 0 t 油压机压制成型。 压制成型后的球壳板几何尺寸允许偏差为： a )长度方向弦长允许偏差不大于4 - 2 5 m m ； b ) 宽度方向弦长允许偏差不大于+ 2 m m ； c )对角线弦长允许偏差不大于3 m m ； d )两条对角线应在同一平面上用两直线对角测量时，两直 线的垂直距离偏差不得大于5 m 。 e )球壳板曲率允许偏差不得大于3 m m 。 2 6 坡口加工 坡口加工采用专用加工球壳板内外坡口的自动切割工装进 行。 切割成型后，采用角向磨光机修磨球壳板内外坡口表面，其 表面应平滑，表面粗糙度r a 应小于或等于2 5pm ： 2 7 无损检测 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章球壳板及其附件制造技术研究 成型后的球壳板周边l o o m m 范围内按j b 4 7 3 0 的规定进行超 声检测，质量等级应不低于级； 上下极板对接焊缝焊接检验合格后，按设计图样的要求进 行1 0 0 射线探伤检查； 人孔、接管与球壳板组焊的角焊缝进行1 0 0 的磁粉或渗透 探伤检测，质量等级不低于i 级。 2 8 组对与焊接 上下极板的组对采用组对卡具进行，不得强力组装，组对间 隙为2 _ 2 m m ，组对错边量不大于3 m m ，棱角度小于7 m m ； 支柱与赤道板组装，采用臣卧式组对法，组对后柱体全长的 直线度偏差小于5 m m ，柱体中心线对底板的垂直度偏差小于2 m m ； 人孔、接管及其它组焊件的组对按设计图样规定的形式进 行组对； 上下极板的对接焊缝，人孔、接管与球壳板的角焊缝，支柱 与赤道带板的角焊缝焊接均采用手工电弧焊，选用e 5 0 1 5 、由3 2 、巾 4 的焊条焊接，焊接参数、焊前预热、焊后消氢处理的技术要求见焊 接工艺卡。 支柱与赤道板组焊后，用弦长不小于1 0 0 0 舢的样板检查赤 道板的曲率，最大间隙不得大于3 m m ； 人孔、接管开孔采用火焰切割，开孔位置及外伸高度偏差 小于5 m 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章球壳板及其附件制造技术研究 2 9 除锈、油漆 球壳板及附件制造完毕，经停点检查验收合格后，采用喷 砂除锈的方法对其内、外表面进行除锈，并涂防锈漆两遍。 坡口表面及其内、外边缘5 0 m m 的范围内涂可焊性防锈涂 料。 所有加工件表面涂防锈油脂，拉杆螺纹用涂过油脂的软布 包裹防护。 2 1 0 球壳板及其零部件的包装运输 在每块球壳板上应采用的色防锈漆醒目地框出球罐号炉批 号钢号等标记。 球壳板采用钢结构托架进行包装，球壳板的凸面朝上，各 板间垫以柔性材料，每个包装架的总重不宜超过3 0 t 。 试板及其小型零件采用装箱运输，拉杆等杆件采用集束包 扎。 球壳板及其附件均采用汽车运输方式，拉运到施工现场安装。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 第3 章球罐组装工艺的研究 球罐的现场组装是整个球罐建造的关键工序之一，施工准备工 作量大，所用施工设备与机具较多，组装质量要求高。球罐的组装质 量主要由园度、角变形和错口等决定，因此要制定合理的施工方案， 选择合适的组装方法和旌工设备与机具，要满足焊接、检验等工序的 质量要求，避免强制装配。组装时即要生产效率提高，又要减少误差 和应力，确保组装质量。 3 1 柱腿无胎具组对工艺 按常规赤道带与柱腿的组对需相应的组装平台，由于大型球罐 的球壳板尺寸较大，如2 0 0 0m 3 球罐赤道带板与柱腿组焊好后，长度 就达到1 6 m 左右，再加上球壳板重量，单片板重达到9 t ，吊装翻板 比较困难，因此科研小组首先从研究球罐的组对工艺着手，实现无胎 具组对，减少胎具、吊装费用，提高劳动功效。 大型球罐柱腿的上段支柱通常在制造厂已焊在赤道带板上，到 现场经复查合格后再由施工单位在组装平台上将下段支柱与上段支 柱组对并焊好。这需要现场提供一个组装平台，将带柱腿的赤道板和 下段支柱吊到平台上，组对焊接完毕后再将其吊下平台，陆续进行下 一个柱腿的组对，这个过程吊装设备的消耗量比较大。 随着球罐球壳板板幅的增大，操作平台也将增大。以2 0 0 0m 3 球罐为例，其赤道板带柱腿的板幅几何尺寸大约为2 5 m x 9 8 m ，下 半段支柱长近7 米，那么施工现场至少需要搭设一座5 m x1 8 m 的平台， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 并且同时需要一台2 5 t 吊车辅助才能完成所有柱腿的组对作业，在此 过程中还需要二次倒运，这种方法工作效率较低，并且由于野外施工 往往很难保证施工现场具备这么大的操作平台，故此方案实施起来有 一定的难度。 为解决以上问题，科研小组大胆思索、放宽思路，对多套方案 进行了研究，经过对施工场地的现场踏勘，反复论证，最终研究出一 种新型有效的球罐分段式柱腿无平台组对施工方案：结合球罐是正心 柱腿的特性，利用几何学的基本知识，直接在施工现场地面进行柱腿 组对。 首先调整赤道带板与地面接触点在同一水平面内，利用球罐上 段支柱与赤道板已连接并符合质量要求这一特性，以上半段支柱为基 准，根据等腰三角形中线基本原理，现场拉设两条粉线作为三角形的 腰，通过控制两腰线相等即a b = a c ，多次测量，几点决定一条中心线， 进行柱腿上下段支柱的调校，保证支柱的直线度，找正后进行点固焊。 图3 1 球罐分段式柱腿无平台组对俯视图 柱腿的直线度确定后，现场操作人员在距离上下段支柱上方适宜 的高度设一条水平线，采用多处测量来控制支柱与水平线的垂直距离 并使其相等，理论上这两条线平行，由此得出结论，支柱为一条直线。 从而保证了球罐上、下段支柱的组对质量。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 图3 2 球罐分段式柱腿无平台组对主视图 球罐分段式柱腿无平台组对技术在春晓气田群陆上终端工程8 台球罐的施工过程中得到广泛的运用，一台2 0 0 0 m 3 球罐的柱腿共计 1 0 个，其组对工作仅用了1 天时间就完成了。该方法具有可操作性 强且易于保证施工质量和进度、安全性好等特点。中海油建设单位和 天津大港监理单位对我们公司突破常规思路，大胆创新的施工技术给 了较高的评价，同时节约了人工、吊装费用、机具拉运费达l o 多万 元。 实践证明，该方法使用机具少、避免了安装平台的搭建，从而 避免了大量的材料费和机具拉运费，安全性好，施工工艺简单，便于 操作，对施工环境的要求不限。工作量仅为传统施工的6 0 左右，易 于控制施工质量和有效节省工期，且各项技术指标均能达到标准要 求，是一种较为理想的柱腿组对的施工方法，可广泛应用于不同型号 的球罐的柱腿组对，值得推广运用。 3 2 大型球罐无立柱组装新技术研究 3 2 1 概况 为了满足组装要求，当前国内通常的分片法组对大都采用中心 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 柱组装法，在组装2 0 0 0m 3 以上大型球罐时，首先要在中心树立一座 巾3 2 5 m m x 9 m m 的无缝钢管制成的中心柱，各节间用法兰连接，高2 4 m ， 柱上部装设了伞形脚手架支撑，利用中心柱来进行各带的就位组装。 施工时需要中心柱、外胎具、底部安装座圈、斜支撑等大量辅助机具， 辅助工装机具消耗量极大。这样就大大增加了施工成本和劳动强度。 因此，本次科研活动科研小组将此项研究内容当做一个重大突破点来 对待。 1 、中心柱2 、脚手架3 ，赤道板 图3 3 中心柱脚手架示意图 通过研究发现：采用中心柱平台及伞形脚手架的安装，损耗的材 料极大，而且施工时因内部伞架繁多，会给施工带来诸多不便。通过 了解掌握目前国内大型球罐组装工程中的先进经验，结合春晓气田群 罐单元，球罐数量多，体积大等特点，我们科研小组决定在球罐的组 装过程中取消中心柱。经过和春晓项目部、中原设计院、上海工业设 备安装公司相关人员的多次修订、完善，共同商讨最终编制形成了无 中心柱球罐组装工艺技术方案。这样，施工组织上可以采取流水作业 方式，从而大大加快施工进度，取得了良好的经济效益。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 小组决定在本次2 0 0 0m 3 球罐组装过程中取消中心柱，直接在每 片赤道板内部设置挂梯、三脚架，然后在罐内搭设部分脚手架，罐外 搭设脚手架等设置，满足施工人员在球罐内、外部的上下以及焊接作 业等需要。 为了保证无中心柱法在项目中顺利实施，科研小组专门在球壳 板的制造单位一上海市工程安装有限公司压力容器制造厂进行了予 组装。 图3 4 制造厂球罐赤道带板预组装图 根据改进的施工工艺，科研小组研制改造了一些工卡具，其主 要作用是连接相邻球瓣的对口，作到安全牢固，方便准确地调节相邻 球瓣之间的错边量以及间隙大小。主要有以下几种： ( 1 ) 定位块：整个球罐按照8 0 0 9 0 0 m 的间距在球壳板内壁布设， 直接焊在每块球壳板边缘1 6 0 m 处，如图所示： 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 俨 一、 7 - 鞭 妫 ，：j 7 l 二一 图3 5 球壳板定位块布置示意图 图3 6 龙门卡具示意图 ( 2 ) 日字卡具：其结构简便，在高空作业时显得尤为方便。 实际操作时，利用日字卡具套在相邻两球瓣的定位块上，将圆 锥销插入定位块的孔眼后。就可以调整两球壳板之间的错边量。 ( 3 ) 内部用挂梯和三角支架，用来满足在球罐内部作业的需要。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 图3 7 为无中心柱分片法外组对施工图 该法特点是通过球罐内部挂梯、内部脚手架在球罐内部进行球 罐的组装，完成大部分组装工作量，这一方法在春晓t n - - 3 0 0 2 a 、b 罐 施工中进行实施后，总结出其主要优点为： ( 1 ) 施工现场可不铺设大型施工平台，施工准备的工作量小，施 工用地少； ( 2 ) 对起吊设备的吊装能力要求不高，一般不需要大型吊装机 具，组装速度快； ( 3 ) 同设中心柱分片组装法相比，节约了安装、拆除中心柱所发 生的施工成本，同时减少了内部脚手架的搭设数量和次数； 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 传统组装工艺与新工艺相比经实际核算多用的材料、机械台班、人工 材料、机械台班、人工用途多消耗量 钢板5 = 1 2 m内部平台用钢板 1 9 3m 2 钢板6 = 4 0 m中心柱底板1 6 m 2 槽钢1 6支架 5 0 m 焊接钢管巾3 2 5 m m x 9 m中心柱 2 4 m 法兰d n 3 5 0中心柱连接5 片 螺栓m 3 0 1 8 0连接法兰7 2 套 组对及拆除中心 5 0 t 吊车8 台班 柱 8 t 吊车组对胎具1 台班 钢丝绳0 1 9晃绳、拉绳 9 0 0 m 脚手架搭设8 x 8 3 1 m中心柱架子搭拆l 处 人工1 2 0 工日 ( 4 ) 相对分带组装而言，组装难度小，精度易于保证，残余应力 ，j 、。 通过对两台2 0 0 0m 3 球罐组对实施过程中，发现该工艺同时存在 一些问题，具体表现在： 首先是在组对过程中有一部分施工人员一直在球罐内部进行作 业，尤其是在吊装上下极板的过程中他们几乎是与外界隔离，交流比 较困难，存在较大的安全隐患。 其次由于是采用的是内组对工艺所以需要在每片球壳板的内壁 焊接大量的工卡具以保障施工，这就给日后的拆除工卡具以及临时焊 接点的打磨、磁粉检测带来许多工作量；同时罐内作业条件较差，工 人劳动强度较大。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 3 2 2 无中心柱外组对分片散装法的确定 鉴于“以人为本”的理念，小组人员决定对组装工艺进行进一 步改进。我们借鉴国内外大型球罐施工企业的先进经验，将球罐分片 法内组对施工工艺改为外组对施工工艺，这对于我们是一个大胆的尝 试无中心柱外组对施工工艺的研究和运用。 该工艺的特点是能节省大量的工装卡具的预制，同时较大的改 善了施工的劳动强度。在无中心柱外组对分片散装施工工艺的研究过 程中，我们主要从以下几个关键工序进行入手： ( 1 ) 外部脚手架的搭建结构的设计和质量的控制 采用无中心柱外组对分片组装法时，吊装前首先进行外部脚手 架的搭建与结构设计。外部脚手架的搭设为赤道带的组对提供作业平 台。以春晓气田群开发建设项目2 0 0 0m 3 球罐外部脚手架结构设计和 搭建为例，2 0 0 0m 3 球罐结构为混合式三带八柱，( 如图2 8 所示) 外部脚手架分为2 4 等分，每层高度间距为1 7 0 0 m m 。搭设原则为每跨 按3 等分进行搭设。 该施工工艺由于所有的卡具都固定在球罐的外侧，故在球罐吊 装前需搭建脚手架安装平台，同时脚手架安装平台的搭建结构设计与 其质量直接影响到吊车参数的选择和后期的整个施工过程。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 图3 8 脚手架设计俯视图 图3 9 现场脚手架结构示意图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 ( 2 ) 大型球罐的吊装 吊装顺序按赤道板千极边板。| f 极侧板斗下极中板+ 上极边板t e 极侧板+ 匕极中板的顺序依次进行。 图3 1 0 赤道板的吊装 在大型球罐的整个吊装过程中最大的难点在于上极中板的吊 装，其主要存在以下几个问题： 上极中板板幅较大，板片质量较大。 在进行上极中板的吊装时，由于整个球罐的其余板片已经吊装 就位，加上上极中板特殊的位置，从而形成了吊装的盲区，给极中板 的吊装带来了较大的困难。 为保证整个吊装过程安全顺利的进行，科研小组组织技术入员 对极中板的吊装受力进行了分析及核算： a ) 吊装设备的选择 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 量 极顶中板外形尺寸：8 3 7 7 m 2 9 2 8 0 0 5 0 m 合计总吊装重量= 极板重量+ 接管与法兰重量+ 钢丝绳及附件重 9 7 4 0 k g + 1 2 6 0 k g + 1 2 0 0 k g = 1 2 0 0 0 k g 吊装高度：1 8 7 0 3 m 起吊角度 图3 1 1 球壳板吊装示意图 b ) 钢丝绳选择 吊机的总吊装重量：1 2 吨 如上图3 1 l 所示，钢丝绳总受力：t b = 1 2 吨 每根钢丝绳受力为： f = ( t b s i n 6 0 。) 4 = 1 3 5 4 t 4 = 3 3 8 5 t 丝绳t 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 考虑钢丝绳安全系数为8 ，则每根钢丝绳承载： f 总= 3 3 8 5 t 9 8 k n t 8 = 2 6 5 4 k n 按g b t 8 9 1 8 - - 1 9 9 6 普通结构钢丝绳标准选择钢丝绳，合格的钢 丝绳其型号为：6 3 7 ( a ) 一1 7 7 0 一巾2 4 1 其单根承受能力为：3 3 6 k n ， 考虑钢丝绳的折减系数：巾= o 8 2 得： 单根钢丝绳承受能力为：3 3 6 0 8 2 = 2 7 5 5 2 k n 2 6 5 4 k n 。 所以，选择合格的6 3 7 ( a ) 一1 7 7 0 一由2 4 钢丝绳，共四根。 根据以上计算，现场吊装取得了成功，圆满完成了吊装任务。 图3 1 2 吊装上下极中板示意图 通过大型球罐的无中心柱外组对施工工艺研究与运用，我们大 大降低了球罐焊后工装卡具去除后的打磨量和工人的劳动强度，同时 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 节省了大量工装设备的预制( 例如：原内组对工艺所需的挂梯、三角 架均可以省略) 极大的降低了工程成本。 通过下表变化数据可以明显对比组装工艺改进后工卡具使用量 以及吊装台班数的变化： a ) 内组对工艺部分成本统计表( 丁烷a 、丁烷b 、丙烷a 、丙烷 b ) 表3 1 内组对工艺部分成本统计表 吊车台班临时焊接 内容三脚架挂梯 数点 2 0 0 0 m 3 丁烷a 球罐 4 ( 5 0 t )8 0 个8 0 个1 2 0 个 2 0 0 0 m 3 丁烷b 球罐4 ( 5 0 t )8 0 个8 0 个1 2 0 个 2 0 0 0 m 3 丙烷a 球罐4 ( 5 0 t )8 0 个8 0 个1 2 0 个 2 0 0 0 m 3 丙烷b 球罐3 ( 5 0 t ) 8 0 个8 0 个1 2 0 个 注：该统计表未包含吊装、工装卡具( 三脚架、挂梯) 的预制、 临时焊接点的打磨等所消耗的人工数。 b ) 外组对工艺部分成本统计表( 丁烷c 、丙烷c 球罐) 表3 2 外组对工艺部分成本统计表 内容吊车台班数三脚架挂梯临时焊接点 2 0 0 0 m 3 丁烷c 球罐4 ( 5 0 t )无无无 2 0 0 0 m 3 丙烷c 球罐 3 ( 5 0 t )无无无 注：该统计表未包含吊装所消耗的人工数。 3 2 3 组装整体检验 球罐整体组装完毕，在自检合格的基础上，由建设单位代表、 监检代表、安装施工单位代表联合检查验收。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章球罐组装工艺的研究 表3 3 焊前组装检验规定 序号项目执行标准允许误差 l对口间隙g b l 2 3 3 7 9 83 + l n l n 或按焊接工艺卡要求 2对口错边量 g b l 2 3 3 7 - 9 8不大于1 4 6 n 且 3 r a m 3 棱角度 g b l 2 3 3 7 - 9 8 , ：7 n c a ( 包括错边量) 相邻赤道板 3 l m 任意赤道板 4 赤道水平度 g b 5 0 0 9 4 9 8 6 m 赤道截面内径 5 g b 5 0 0 9 4 9 80 3 d i 差 6 支柱垂直度g b l 2 3 3 7 - 9 8且 _ 2 0 m m 。 ( 5 ) 球壳板拼装完成后，用直尺把定位标记从一块板的边缘延伸 至相邻板的边缘的内、外面上，在每个透照有效长度内，标明片位号、 焊缝编号，所有标记全部用白色不透明记号笔书写，并且随时检查， 对模糊不清的标记及时描划，保证清晰可见。 5 4 射线的防护 ( 1 ) 7 射线曝光时，应在大于安全距离范围外设置警戒线，并放置 危险标志，必要时设专人在东、南、西、北四个方向监护。 ( 2 ) 操作人进入现场应穿防护服，并携带剂量监测仪。 ( 3 ) 拍片时应通知附近人员撤离现场。 ( 4 ) 严格执行谢线机操作规程。 ( 5 ) 检测人员在参加该施工前后，应进行全面健康检查。 ( 6 ) 出源和收源时，应有剂量检测仪进行监测，在发生意外事 故时，要及时保护现场并报告有关主管部门。 ( 7 ) y 射线机的储藏、使用、运输时都应有必要的安全措施。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章球罐无损检测技术研究 ( 8 ) 严禁在y 射线放射工作场所进食、吸烟、储藏食品。 ( 9 ) x 射线施工时，应用剂量仪对球罐周围进行测量，划出安全 区，并用醒目标志标识。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第6 章整体热处理的装置研究 第6 章整体热处理的装置研究 球罐焊后整体热处理主要是消除球罐焊接残余应力，改善焊接 接头及母材性能，是保证球罐质量的重要技术手段。大型球罐焊后整 体热处理技术难度较大，如何解决加热不均匀性、温度梯度大、热处 理过程控制难的问题，设计配套完善热处理设备及装置，以满足热处 理工艺的要求。就成了我们这次研究内容的又一个关键问题。 热处理的前，为了合理选择和配备供油系统，供风系统所需要 的材料和设备，以及有效控制热处理过程中的燃料消耗、空气消耗及 其他材料的消耗，我们进行了2 0 0 0m 3 球罐热工计算。 6 1 热工计算 热工计算的主要方法是热平衡法，即能量不灭定律在球罐热处 理热工上的应用。球罐达到热量吸收必等于热量支出，也就是根据热 收入与热支出相等的原理，来计算供给球罐多少热能，损失和利用多 少热能。( 这里面暂不考虑化学不完全燃烧和机械不完全燃烧造成的 热损失) 热处理是以一个工作周期为基准编制热平衡，热量单位为：k j 6 1 1 热收入项 即燃料燃烧释放出的热量 q 收= q p h b = o 0 4 2 x 1 0 6 b 在热处理过程中一般采用0 # 柴油，其q p h ( 其低发热量) 为4 1 8 6 8 k j k gb 为一个热处理周期的燃料耗量( k g ) 中国石油大学( 华东) 硕十论文第6 章整体热处理的装置研究 6 1 2 热支出项 一般包括球罐体吸收的( 有效) 热量、保温被吸收的热量、保 温被表面教失的热量、烟气带走的热量以及化学机械不完全燃烧的热 损失等。 ( 1 ) 球罐体吸收热量 q 球= g c t = 2 5 4 9 8 2 x 0 5 8 6 x 6 1 5 = 9 2 0 2 4 1 0 6k j 6 - - 一球罐体重量( k g ) t 球罐体的温度( ) c - - - 球罐体在t 温度下的比热容( k j k g 。c ) ( 2 ) 保温被表面散失热量：q 散= a * q xt ： 其中q 散一一球罐的散热量 a * 一保温被表面积 c 一一散热时间( h ) q 一保温被向空气中散失的热流( k j m 2 “) t 自一t 环 q = 0 6 t o 盯 式中t 内一一保温被内表面温度即球罐温度( ) t 环一环境温度t 环= 2 0 6 蕞一保温被厚度( m ) r 一保温被热导率( k j m h ) 一个周期的总散热量：q 敢= 1 0 2 5 8 x1 0 6 k j ( 3 ) 保温被吸收量q t = g t x c 麓x t t 5 1 中国石油大学( 华东) 硕七论文第6 章整体热处理的装置研究 经过计算，球罐在各温度区间保温被每小时和周期吸热量，见下表 6 1 表6 1 球罐各温度区间保温被每小时和周期吸热鼍 温度区间 0 - 1 0 01 0 0 - 2 0 02 0 0 - 3 0 0 3 0 0 - 4 0 04 0 0 5 0 05 0 0 6 1 5 保温q 吸热 保温被周期吸 0 2 9 0 0 2 4 0 0 2 7 40 2 6 70 2 7 40 2 8 61 6 3 热量1 0 6 k j 保温被吸热量 0 2 9 00 2 4 0 0 2 7 40 1 3 4o 1 1 00 1 1 4 1 0 6 ( k j h ) ( 4 ) 烧物带走的热量，见式q p = v x c 产tp x b 式中q ，一燃烧产物带走的热量( k j h ) v - 一单位燃料燃烧生成的燃烧产物量( m 3 k g ) cp 燃烧产物温度( ) tp 在t 产产温度下的燃烧物比热容( k j k g k ) b - 燃料消耗量( k g h ) qp = 1 2 1 5 x1 4 2 2 0 0 x 3 2 5 = 1 1 2 1 4 4 5 = 1 1 2 1x1 0 6 k j h 同理，由此可求得各温度区间燃烧产物带走的热量见表6 2 表6 2 各温度区间燃烧产物带走的热量 温度区间 o - 1 0 01 0 0 一2 0 02 0 0 _ 3 0 03 0 0 - 4 0 04 咿5 0 05 0 0 - 6 1 5 保温q 产 周期燃烧物 带走热量 1 1 2 11 8 9 03 0 0 94 5 8 16 5 2 91 1 2 4 71 2 9 49 6 7 l 1 0 6 k j 小时燃烧物 带走热量 x1 0 6 1 1 2 l 1 8 9 03 0 0 92 2 9 1 2 6 1 24 4 蚰0 5 7 0 ( k j h ) 同时可计算出该球罐热处理在温度区间和整个周期的燃料消 耗，如下表6 3 所示： 中国石油