低温球罐现场安装及质量控制

1、精选优质文档-倾情为你奉上低温球罐现场安装及质量控制摘要：本文对液态CO2钢制低温球罐失效机理进行了分析，阐述了预防低温球罐脆性破坏的措施，介绍了低温球罐现场安装及质量控制的具体过程，并取得了很好的实际效果，对球罐安装及其它大型、有较高难度压力容器现场安装具有较好的借鉴作用。关键词：低温 球罐 安装 质量 控制1项目简介及分析1.1项目简介安庆凯美特有限公司10万吨/年食品级液体CO2项目为环保项目，该项目通过对来自安庆石化公司的富含二氧化碳尾气进行压缩、脱硫、净化、液化、提纯、储存等工序，生产纯度达到99.99%以上的液体CO2。本项目的两台关键设备650m3液态CO2低温球罐，为足球桔瓣混

2、合结构，支柱型式为赤道正切柱式支柱，球罐的主体结构见图1，球罐的技术特性见表1，球罐现场安装施工工期为5个月。图1 球罐主体结构 表1 技术特性内容指标内容指标容器类别三类球罐直径10700设计压力2.35MPa壳体材质16MnDR最高工作压力2.20MPa壳体厚度46mm设计温度-30设备静重Kg工作温度-30-50全容积641 m3物料名称液态CO2腐蚀裕度2. 0mm水压试验压力2.94MPa聚氨酯保温100mm焊缝系数1. 0 专心-专注-专业 1.2球壳板应力分析1.2.1球壳板的力学性能 b 为钢材标准抗拉强度下限值，s钢材标准常温屈服点（以下应力单位均为MPa）。t 为许用应力，

3、当设计温度20时，取20时的许用应力，即t=150 。表2 球壳板的力学性能材质标准号厚度mm常温强度指标20时的许用应力tbs16MnDR(正火)GB353130604502751501.2.2球壳应力计算Di 为容器的内径，Di =10700mm。C1 为钢板厚度负偏差，该球罐钢板厚度负偏差0.25mm，且不大于名义厚度的6%，根据钢制压力容器GB150，可忽略不计。C2 为腐蚀裕量，C2=2 mm 。n 为钢板名义厚度，n=46mm，e 为钢板的有效厚度。e =n(C1C2)，因此e=462=44mm为焊缝系数，1。P为设计压力，P 2.35MPa ，PC 为计算压力，当液柱静压力不小于

4、5%设计压力时，应计入PC ，为设计压力与液柱静压力之和 。考虑工况条件下液态CO2的比重1000Kg/m3，充装系数0.8，因此液柱静压力约为 0.08 MPa ，因此PC 2.43MPat 为设计温度下容器的计算应力根据钢制压力容器GB150，当P 0.6 t 时，可以使用公式tP (Die)/（4e）计算t 。0.6 t=0.61501=90 MPaPC ，因此满足上述条件。故 tPC (Die)/（4e）2.43(1070044)/(444) 148.3（MPa）t 150（MPa）148.3（MPa）1.2.3分析tt，表明容器应力水平满足规范要求。因设计温度为-30（-20），又因

5、t148.3MPa，s/6275/645.8（MPa） ，ts/6，所以根据钢制压力容器（GB1501998）附录C，本文所述球罐符合低温压力容器的条件，为低温球罐。2 低温压力容器失效机理及预防措施2.1低温压力容器失效机理低碳钢和低合金钢在低温的条件下当应力达到一定数值时，便以极快的速度沿一定的结晶学平面发生断裂，这种断裂称为解理断裂，而在另一些条件下，金属会由于连续不断地塑性形变被拉断（剪切断裂），因此温度对断裂的形式有明显影响，理论上存在一临界转变温度TC，使材料发生从脆性到延性的转变。当温度低于TC时，材料(包括其连接焊缝)韧性急剧下降，此时金属如果存在尖锐缺裂纹，在一定应力条件下，

6、裂纹扩展，金属发生解理断裂。当温度高于TC时，当主应力超过材料的屈服极限时，金属发生剪切断裂。另外如果材料中存在尖锐的裂纹（包括其它可诱发裂纹的气孔、夹渣、未焊透、咬边等等缺陷）TC将升高；当存在尖锐的裂纹而又受动载荷作用时，TC将进一步升高。解理断裂说明了低温容器破坏的机理，但从断裂前塑性变形的状况来说，称解理断裂为脆性断裂。钢材在低温下的主要失效形式是脆性断裂，脆性断裂发生时，总体薄膜应力比材料的屈服强度s或许用应力小甚至小很多（即低应力条件下），没有或只有局部极小的塑性变形，容器并不出现整体屈服迹象，有较大的突发性，并可能导致灾难性的后果。2. 2预防脆性断裂措施2.2.1选择合适的低温

7、材料图2 合金元素对材料临界转变温度的影响从图2可见，C、P、Si 能显著地提高材料的临界转变温度，因此应选择含C量低的钢（C含量小于0.2%），同时提高锰/碳比，严格限制P、Si ，使钢材具有较低的临界转变温度。本项目使用的正火16MnDR钢，其合金元素含量如下表3，具有较低的临界转变温度和低温韧性（30时的冲击功24J/cm2）。 表3 16MnDR合金元素含量材质 元素%CMnSisP16MnDR(正火)0.21.21.60.150.50.0150.0252.2.2设计合理的结构根据脆性破坏的机理，容器结构设计应可能减少由于容器部件自身约束或相邻部件的约束而产生的应力，包括总体结构不连续

8、处的弯曲应力、总体温差应力。也应尽可能减少由于局部结构不连续或载荷突变引起的峰值应力，因为这些应力可能导致微裂纹，成为脆断的根源。为此结构设计应充分考虑以下要求：结构尽可能简单，减少焊接件的拘束程度。结构应避免产生过大的温度梯度。结构应减少局部的应力集中以及截面的急剧变化。附件的连接不应采用不连续焊或点焊。容器的附件安装宜设置垫板或连接板，尽量避免直接与容器壳体相焊，且垫板或连接板与球罐壳体同材质。2.2.3 严控制造、安装过程质量确保安装精度压力容器低温下的破坏除钢材本身质量因素外，制造及安装缺陷造成的内部应力集中也是引起低温脆性断裂的一个重要原因。特别在低温下，应力集中处较大的峰值应力与设

9、备总体薄膜应力和弯曲应力相叠加，使低温压力容器在局部达到很高的应力水平，而低温下钢材的塑性变形能力下降，自限性条件消失，从而引起钢材突然的脆性断裂。此外，在制造过程中，钢材冷态下加工变形率过大时，会出现强度和硬度增大，而塑性和韧性降低，脆性转变温度升高的冷作硬化现象，如不加以消除则会增加低温脆性破坏的危险。因此，在低温压力容器的制造、安装过程中，应使用合适的安装方法，避免强力组装，确保安装精度，降低内部应力水平和冷作硬化现象。选择合适的焊接工艺a)选择合适的接头型式、坡口、焊接材料。b)控制焊前预热温度和层间温度，严格烘焙焊条，做好焊条保温，以控制氢的来源，同时做好焊接接头的后热处理（焊缝焊后

10、立即加热到200保温1h），及时消除焊接接头中的扩散氢，防止产生冷裂纹；另外采用多层多道焊，严格控制焊接线能量上限，避免焊缝出现晶粒粗大的组织，提高焊接接头韧性。c)A、B类焊缝采用双面对接焊，全焊透，余高应尽量减少。接管及人孔根部与球壳相连的焊缝，以及接管与法兰的对接焊缝，必须焊透。d)垫板及其它非受压原件与压力容器内壁、外壁的连接焊缝，工装卡具与球罐本体的连接缝，必须使用与壳体相同的焊接材料，采用合适的焊接工艺。e)角焊缝应圆滑，不允许向外凸起，焊缝圆滑度差或成形不良者必须打磨，焊缝表面不能存在咬边。f)合理安排焊接顺序，将焊接时产生的拘束度和应力减至最小。选择合适的热处理工艺热处理能消除

11、应力，对提高钢的低温韧性有显著作用。严格按标准进行理化试验及无损检测及时发现母材、焊接接头中的超标缺陷，通过有效的消除，确保材料和焊接接头质量符合标准要求。3球罐安装及质量控制具体过程3.1对零部件进行严格的检查和验收3.1.1绘制排板图，如图3 。3.1.2核对球壳板、人孔、接管、法兰、补强件、支柱及拉杆等零部件的出厂质量证明文件，确保材料化学成份、机械性能符合标准要求。3.1.3按排板图核对每块球壳板的标识，检查其长度弦长、宽度弦长、对角线距离、曲率、坡口型式、尺寸以及钢板的表面质量，做好检查记录，并与表4的标准值作比较；检查人孔、支柱、拉杆、接管、法兰等附件质量。图3 球罐排板图表4 球

12、壳板尺寸复检要求检查项目允差mm测量工具和要求 检查项目允差mm测量工具和要求曲率3弦长为2m的样板对角线间的距离5拉杆和尺弦长长度方向任意宽度对角线方向2.523坡口角度坡口深度钝边2.51.52.5焊接检验尺3.1.4球壳板内部质量复检和厚度检测a)用超声波检测方法随机抽查数量不少于球壳板总数的40%，被抽查的球壳板编号为A1、A3、A5、A7、A9、A11、A13、F1、F3、F7、G2、G4、G5，检查结果符合承压设备无损检测JB4730-2005标准级要求，复验结果合格。b)超声波测厚。对上述编号的球壳板，在每块板的四个角离边缘250mm的部位以及板中心共五点，检测厚度值，共65点，

13、最大值46.9mm，最小值46.0mm，球壳板厚度符合规范要求。3.2严格控制组对质量3.2.1使用散装法安装球罐现场制作三角架、挂梯，使用25T汽车吊，采用分片安装（即散装法）的方法进行球罐组对。该方法组对速度快，容易保证球体的几何形状及尺寸，减少组对过程中产生的不均匀错边量、棱角，使球罐成型美观，避免因强力组对、局部外形缺陷产生附加应力。球罐组对完成后，搭设既能防风又能防雨的防护棚，使后续施工作业尽可能免受天气（温度、湿度、风）影响，保证施工环境符合焊接作业的要求。3.2.2球罐组装施工程序（一）基础施工及验收 （二）工艺附件组对：定位块、限位块、吊耳 （三）上、下段支柱、三角架、挂梯等与

14、赤道带板组对 （四）赤道带板吊装、调整 （五）下极带围板的吊装、调整 （六）下极带侧板、中间板的吊装、调整 （七）内脚手架、外防护棚搭设 （八）上极带围板的吊装、调整 （九）上极带侧板、中间板的吊装、调整 （十）组装检查3.2.3确保基础施工质量该球罐采用无垫铁安装，即各基础上有预埋钢板, 地脚螺栓从预埋钢板中伸出。地脚螺栓孔为机械钻孔，精确保证每块板上两孔的精度（间距为450mm2），基础如图4。由于球罐支柱底板上的地脚螺栓孔为开口的槽形结构，如图5，所以球罐在热处理状态下，支柱可在钢板上滑动（借助外力）。因此对基础的水平度、地脚螺栓的周向、径向尺寸精度要求高。为此在基础施工过程中，用U型管

15、水平仪严格找平基础上的预埋钢板，保证其水平度，同时用木模（经精确放样）初步固定地脚螺栓，在对地脚螺栓的安装精度检查合格后，再用L5050(mm)角钢把相邻基础上的预埋钢板点焊固定，使预埋钢板形成一个整体，然后用C30商品混凝土浇筑基础，保证基础各部位尺寸偏差满足规范要求，经检查8个基础方位偏差均小于0.5度，标高偏差小于2mm，基础水平度偏差小于2mm，地脚螺栓（内、外圆）中心与基础中心圆的距离偏差小于2mm，相邻支柱基础中心间距偏差小于2mm，基础中心圆直径偏差小于2 mm。图4 基础图 图5 支柱底板图 3.2.4组对过程及质量控制a）准备工作在球罐拼装前，三角架、挂梯（可移动）等辅助工具

16、在球片吊装前通过固定卡安装在球片上。按编号在专用平台上组对上、下段支柱，保证支柱长度允许偏差3mm,同心度偏差 2mm，支柱的直线度允差3mm，轴线位移偏差 2mm。按焊接工艺焊接，焊后再次检查，符合上述要求。在球壳板的内侧，每隔500mm焊一个固定卡，对于赤道带球壳板在每块板的外侧重心位置焊一个吊耳，对下极带板在球壳板内侧焊两个吊点，对于上级带板在球壳板外侧焊两个吊点。确保与球壳板相焊接的所有辅助工具材质均为16MnDR。在赤道带的各块球壳板上用记号笔划出中心线（即赤道线），作为组装、调整赤道带的检查线，以检查赤道线是否处在同一水平线上。b）赤道带的组对赤道带的组对质量是保证球罐安装质量的基

17、础。按排板图先吊装就位带支柱的赤道带板，使支柱底座板十字中心线与基础十字中心线重合，并用铅垂找正，使各支柱垂直度4mm，找正后通过地脚螺栓临时固定。然后吊装插入其它各赤道带板直至全部闭合，在插入不带支柱的赤道板时，通过固定卡，插入梢子并打紧使之临时固定。赤道带球壳外周长=（Di2n ）=（10700+246）3.=107923.=33904(mm)考虑共16条纵缝的焊接收缩，增加16mm收缩量。组对前赤道带球壳外周长可在33904mm至33920mm之间。调整组对间隙、错边量、环口不平度等，使对口间隙满足22mm、 错边量3.0mm；用U型管水平仪检查赤道线，确保其在同一水 图6 球罐立面图平

18、线上（任意板赤道水平度4mm）。测量赤道带圆周的外周长，使其满足尺寸要求，保证球罐外形尺寸满足设计文件的要求。按焊接工艺在球罐内侧点焊固定（焊条型号为J507RH，缝缝长度不小于80mm），然后安装柱间拉杆并调整。修磨赤道带上、下环口，使每500mm1mm，环口不平度2mm。测量上、下环周长,并记录数据，为组对下极板、上极板作准备。组装下极带板、侧板、中间板，直至全部闭合。组对上极带、侧板、中间板。检查球罐组装质量。3.3焊接3.3.1确定合理的焊接顺序总的焊接顺序为：赤道带板纵缝，上极带纵缝，下极带纵缝；上级带环缝，下极带环缝，上极带方环缝，下极带方环缝；上极带拼缝，下极拼缝；焊后清理、打磨

19、。每条焊缝先焊外部，再焊内部，外部焊缝焊完后，对内侧用碳弧气刨清根，打磨见金属光泽。3.3.2焊接工艺参数以赤道带、围板纵缝为例，如图7，采用焊条电弧焊，层间温度120，先焊大坡口一侧（球罐外侧），焊完大坡口后，碳弧气刨清根并打磨、检查坡口，合格后再焊小坡口面一侧。焊接规范见表4。图7 坡口及焊接顺序图表4 焊接工艺参数表层次焊材牌号直径焊接电流（A）电弧电压 （v）焊接速度（cm/min）线能量（KJ/cm2）预热/层温（）1J507RH4.0反接160-18024-267.0-9.024-26预热120-14023J507RH4.0反接160-18024-267.0-9.024-26预热1

20、20-14046/59J507RH4.0反接160-18024-267.0-9.024-26预热120-140710J507RH4.0反接160-18024-267.0-9.024-26预热120-140811/1114J507RH4.0反接160-18024-267.0-9.024-26预热120-1401215J507RH4.0反接160-18024-267.0-9.024-26预热120-1403.4焊接后的施工程序（十二）全部焊缝磨成圆滑过渡 （十三）总体检查 （十四）无损检测 （十五）焊缝返修及返修后无损检测 （十六）内脚手架、跳板等拆除 （十七）整体热处理 （十八）水压试验（过程中

21、进行基础沉降观测 ） （十九）附件安装 （二十） 气密试验 （二十一）除锈与油漆、保冷 （二十二）外防护棚与脚手架拆除 （二十三）交工验收3.5整体热处理3.4.1工艺热处理方法：用内燃法（燃油）进行整体消除应力热处理，热处理工艺曲线如图8。升温速度：在400以下，升温速度不限，达到400后，80/h。冷确速度：在400以上，80/h，达到400后自然冷却。在加热和冷确过程中，每升（或降）100，用千斤顶配合，使每个支柱向外或向内移动6mm左右。热处理完成后，测量并调整支柱垂直度和拉杆挠度。 图8 热处理工艺曲线3.4.2作用a)消除焊接残余应力b)稳定结构的形状和尽寸c)改善母材及焊缝金属的性能，其中包括：提高焊缝金属的塑性降低热影响区硬度提高断裂韧性改善