5000m3 天然气球罐的设计

确定球罐结构形式的重要指标是单位容积的平 均焊缝长度。单位容积的平均焊缝越短则该结构形 式越先进，这样一方面能缩短施工的工期、降低工
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!"""#$ 天然气球罐的设计
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种支柱与球壳连接结构形式，但应用于 !"""#$ 大 型球 罐 工 程 上 受 力 状 态 均 不 够 理 想，我 公 司 在 %&’($$)—’**+ 中 , 形柱结构基础上研制出了获得 国家新型实用专利的《钢制球形储罐圆滑连接长圆 形 , 型 支 柱》 ，专 利 号 为 -."" (’($+"/"，其 优 点 是： （’）没有尖角焊缝，取消了连接板与球壳的高 刚度拘束焊缝。下部半圆形与球壳圆滑连接，因此 可大大降低支柱与球壳连接的 ! 点应力值，焊接 接头的受力状态得到明显改善； （(）上支柱的加工 焊接工作较为方便。 0 球罐制造、安装的主要技术指标
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球罐设计参数、材料选用及技术要求 设计参数
DJ%K/@:"LF 已 经 成 功 制 造 了 大 连 石 化 公 司 F 台 G"""#$ 和 @ 台 F"""#$ N=5 储罐。 以上所有投入使用的球罐运行结果表明：该钢 种是一种优良的高强度压力容器用钢，能适用于该 球罐使用条件，采用此种材料制造 !"""#$ 天然气 球罐经过全国压力容器标准化技术委员会批准认 可。锻件 "G<,/*C3<-M( 是我国武钢生产的高强钢 低温 锻 件，!# 为 @"" A QE"<=0；!$ ! EG"<=0； > E"B % IM!EQP，与 /I > DJ%K/@:"LF 钢板匹配。 :;$ 材料技术要求 $ 台 !"""#$ 球罐所用的 /I > DJ%K/@:"LF 钢板 必须有质量证明书，要求钢板厚度按正偏差 $F S : " ## 交货。除满足 PJ6 5 $::! 标准规定外，还应符 合下列要求： （:）制造厂应对 /I > DJ%K/@:"LF 钢板进行验 收和复验，化学成分按炉号复验，力学性能和弯曲 性能逐张复验，冲击试验温度为 > F"B ，其结果应 符合表 :、表 F、表 $。 （F）制造厂下料前必须对球壳用钢板喷砂除锈 至露出金属光泽，再对钢板超声测厚!$F##。 （$）球壳用钢板应逐张进行 :""! L% 检测，按 POEQ$"—?E 要求中! 级或 ! 级以上合格，制造上、
根据给定设计条件进行强度计算球壳板厚度为 B2??，同时控制钢板厚度负偏差 ! "@2A??，即可 满足要求，考虑到球罐使用中的安全可靠，钢板定 货条 件 规 定 钢 板 厚 度 为 B2 D ! " ??。对 球 壳 厚 度 按 O<#: # 7 2 分篇进行 !@"B 4 "@2#=G，2@2 I !"0 次 低周疲劳强度校核，球壳强度满足设计要求。 B 球罐结构形式的确定
程造价，同时由于焊接接头是球罐的最薄弱环节， 焊接接头长度越少则球罐的安全性越高。 A"""?B 天然气球罐结构形式确定的原则，首 先是依据近年来我国压制大型球片的技术已经成 熟，并且居于世界领先地位（ !333 年 B 月天津滨 ，其次 海电厂成功压制了 5 台 A"""?B 天然气球罐） 球罐的结构形式要便于制造和安装，此外还应该充 分考虑提高材料的利用率，订板规格尽可能少，以 减少成本便于材料管理。 B 台 A"""?B 天然气球罐采用四带十支柱混合 式结构，分带角为：赤道带 AB$ 、上温带 02$ 、上下 极带各 %A$ ，其优点主要有（ !）焊接接头总长较 N/ E!125!—!33% 中 推 荐 的 表 2 中 四 带、 五 带 A"""?B 球 罐 结 构 形 式 分 别 减 少 了 !03? 和 21%?； （2）球壳板的尺寸规格较为接近，其中球片最大单 体尺寸为 !!20% I B!0A，材料利用率高达 %1! 。 球罐支柱结构形式 N/!2BB1—!33% 中给出了 0 ・ 2A ・
设 计 压 力： :;:$<=0； 工 作 压 力： :;"$<=0； 设计温度： > :?;@ A !"B ；工作温度：常温；储存 物料：天 然 气（ CDE ! ?!! ） ； DF 6 含 量 " F"77#； 地震 裂 度： G 度； 公 称 容 积： !"""#$ ； 风 压 值： FE"9/ H #F ；雪压值： FE"9/ H #F ；场地类别 " 地震影 响：! " 近。 :;F 材料的选用 !"""#$ 天然气球罐壳体材料选用日本 /II 钢 管公司的 /I > DJ%K/@:"LF 钢板，人孔、接管锻件 选用武钢生产的 "G<,/*C3<-M( 锻件，焊条采用日 本神户 制 钢 所 生 产 的 NO@F > LN6 及 我 国 生 产 的 K!":!。/I > DJ%K/@:"LF 钢板是日本 /II 钢管公 司研制的高性能压力容器用钢板，该钢板按日本 PJ6 5$::!—:??@ 标准进 行 冶 炼、轧 制，属 于 调 质 型低合金高强钢，该材料的特点是强度高、低温韧 性好，具有良好的焊接性能。其化学成分、力学性 能、冲击韧性指标与我国 5O:!"—:??G《钢制压力 容 器 》 中 的 "Q<,C3<-MR 相 当。 采 用 /I > ・ FE ・
作者简介：马庆升，男，’*88 年生，工程师，从事压力容 器设计与制造工艺工作。通讯地址：鞍山钢制压力容器有 限公司，邮编：’’0(’0。
0/’ 几何尺寸要求 （’）球壳板的要求 ’）用 $# 样 板 检 查 球 壳 板 曲 率， 要 求 允 差 ’""" 的测点 ! $##，其中球壳板周边 ’!"## 范围 内的允差 ! (/!##； (）球壳板几何尺寸弦长的允 差 ’""" 的测点应满足 %&’($$)—’**+ 标准要求。 （(）支柱的要求 上支柱采用 12 3 456718’",( 钢板压制成型， 下支柱采用 ’89:; 钢板卷焊，支柱的全部对接焊 缝按 <&0)$"—*0 要求进行 ’""" 的 ,6 和 ’""= 96 检测，均 为 ! 级 合 格，支 柱 的 直 线 度 应 小 于 . # ’"""，且不大于 +##，支柱与底板的组焊应垂直， 其垂直度允差为 (##。 （$）预组装要求 球片经当地质量技术监督部门检验合格后，分 别在制造厂进行赤道带、上温带、上下极带预组 装，要求组对间隙为 ( > (##，错边量 ! $##，直 径椭圆度要求分别为小于 0(##、$"##。 （0）球罐整体组装的要求 组装 后 错 边 量 及 棱 角 要 求 %&’($$)—’**+ 及 %&!""*0—*+ 的有关规定，球罐最大内径与最小内 径之差应小于 8"##。 （!）焊接接头的检验要求 ’）球罐全部对接接头余高、回火焊道应采用 砂轮打磨光滑、平整，球壳内侧接头与外侧接头加 强高度 " ? ’/"##，焊肉同母材的接触部位必须圆 滑过度；(）焊接完成后球罐最大内径与最小内径 之差应!+"##。 0/( 焊接工艺要求 根据 !"""#$ 天然气球罐的使用特点，我公司 ・ (8 ・
注： =>? C ) D <( E B" D #& E 2" D )F E 2" D )* E 2" D ’( E 5" D #+ E !A D , E !" D A/（! ）
’6 7 89$:’5!";2 钢板的常温力学性能
板厚（??） !2 4 B2
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5!" 4 10"
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"@"2 4 "@"5 !@2" 4 !@5" !"@2A
注： =>? C ) D <( E B" D #& E 2" D )F E 2" D )* E 2" D ’( E 5" D #+ E !A D , E !" D A/（! ）
表 A "%#&’()*#+,- 锻件的常温力学性能 截面尺寸（??） !B"" 交货状态 调质 取样方向及部位 切向
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钢板厚度 ?? !B""
表 5 "%#&’()*#+,- 锻件的冲击韧性指标 ( 6,（ 7 2"H ） （ .） 试样尺寸 ?? 三个试样平均值 只允许其中一个试样值不小于 !" I !" I AA "01 BB
球 罐 所 用 焊 接 材 料 J/52 7 ;J< 应 符 合 .9< K B2!2 的规定，其熔敷金属扩散氢含量［ 8］! 2?L E !""M ； :A"!A 焊条应符合 N/ E $A!!1—!33A 的规定， 其熔敷金属扩散氢含量［8］!A?L E !""M。 2 球罐壁厚的确定
委托 中 科 院 金 属 研 究 所 对 $(## 厚 的 12 3 456718’",( 钢制成焊接接头标准试样，经 ’/8! @ ’"8 次弯曲疲劳试验结果合格。设计图样要求球罐 制造 和 组 焊 单 位 应 按 图 样 要 求 分 别 制 定 12 3 456718’",( 钢及 "+9:1ABC9DEF 的焊接工艺评定， 施焊时严格按焊接工艺评定所确定的工艺参数范 围，选择较小的焊接线能量进行施焊，确保焊接接 头的低温冲击功指标符合图样及标准规定。 0/$ 产品焊接试板要求 制造单位应做一块球壳与人孔凸缘对接接头的 产品试板；组焊单位应做横、立、平 G 仰三块产品 试板，产品试板、试样的制备及冲击功试验方法应 符合 %&’!"—’**+ 附录 7 的规定。 0/0 无损检测要求 球罐全部对接接头应按 <&0)$"—*0 要求进行 ’""" ;6（H 射线）检测， " 级以上合格，底片质 量不低于 I& 级， " ("" ,6 检测， ! 级合格。 $ 、 % 、 & 、 ’ 类接头气压试验前后各一遍 ’""" 磁粉 检测，!级合格。 0/! 耐压试验与基础观测 （’）考虑到此球罐容积大，充水质量多，水压 试验会造成基础成本大量增加，按《容规》规定用 气压试验代替水压试验，气压试验合格后进行气密 性试验。 （(）为考查基础沉降情况，在气压试验前采用 充水 ’)""J 测定基础沉降量。 0/8 热处理要求 由于此三台球罐壁厚 $(##，设计条件给定物 料 4( K 含 量 ! ("LL#， 按 日 本 <.MI("’—’*+’、 %&’($$)—’**+ 等标准规定，及大连石化公司两台 +"""#$ .M% 球罐的成功使用经验，设计规定此三台 球罐不做焊后整体热处理，只对球罐极中板与焊接 上支柱的赤道板提出在制造厂进行消除应力热处理 要求，热处理规范为 !)" > ’!N 保温 ’/$O，焊接接 头实测硬度 4&!((!。 球罐安装检验合格后，内外表面除锈至露出金 属光泽，刷无机富锌两遍，外表面喷白色 &"0 3 ’’ 丙烯酸磁漆两遍。交工、验收按 %&!""*0—*+ 的规 定进行交工、验收并提供相应的技术文件。
./0121—30 的技术条件中 " 级以上锻件进行制造、 验收、复验，并符合表 0 4 5 的规定。
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’6 7 89$:’5!";2 钢板的化学成分（熔炼分析， !）
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计
与
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!"""#$ 天然气球罐的设计
%&’ (’)*+, -. !"""#$ /012304 50) 67&’3*804 %0,9)
鞍山钢制压力容器有限公司 马庆升 钟恩东 张连友 钟志利 罗 军
陕西咸阳天然气公司 $ 台 !"""#$ 天然气球罐是我国西部大开发战略中的重要工程项目，该 项目是利用亚洲开发银行贷款筹建的工程，是我国自己设计、制造、组焊的大型球罐工程史上的 又一里程碑。该项目制造标（含设计）是国际招标项目，鞍山钢制压力容器有限公司在竞标中中 标，完成了 $ 台 !"""#$ 大型天然气球罐的设计与制造工作，本文将 $ 台 !"""#$ 天然气球罐的设 计情况做简要介绍。 关键词：大型天然气球罐 设计
第 !% 卷第 A 期
压
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容
器
总第 !"% 期
下极中板的钢板还应进行 !""! #$ 检测， ! 级合 格。 球 罐 所 用 的 "%#&’()*#+,- 锻 件 应 按 照
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