论大型分析设计球罐的组焊施工工艺

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焊接技术
论大型分析设计球罐的组焊施工工艺
孟庆功
（沈阳工业安装工程股份有限公司沈阳110034）
摘 要：介绍了采用新容规和分析设计方法设计的4000m 3
液化气球罐，本文通过对球形储罐组焊的说明，阐述了分析设计球形储罐
组焊安装的工艺要点，确定球形储罐组焊安装的控制环节。

关键词：分析设计球罐安装工艺焊接
中图分类号:TG 4 文献标识码:B 文章编号:1002-3607（2011）01-0049-03
1.引言
近几年，随着工业的发展需要建造许多大容量的球罐，如采用《压力容器安全技术监察规程》和常规设计标
准，4000m 3液化气球罐的厚度得超过58m m 以上，给选材和
建造带来了很多难以解决的问题，但是如果采用分析设计和TSG R 0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
标准，4000m 3液化气球罐的球壳设计厚度为46m m ，这样可以
降低球罐的总造价约10～20%左右，但是对现场安装却提出了更加严格的要求。

2.球罐参数
大连天诚燃气股份有限公司的两台
4000m 3
液化气球罐，由
合肥通用机械研究院设计，我单位制造和现场安装，球罐主要技术参数为内径：19.7米，设计压力：1.77M Pa ,主体材料：Q 370R ，结构形式：十二支柱四带混合式（62块），水压试验压
力：2.21M P a ，气密性试验压力：1.77M Pa ，容器类别：Ⅲ类，介质名称：液化石油气，设计温度：50℃，单台重量：496吨。

3.工艺流程
3.1零部件的检查和验收
球罐安装前，按照G B 50094、G B 12337和设计图纸对球罐零部件进行检查和验收，对坡口表面应进行磁粉检测抽查，抽查数量不少于球壳板总数的%，磁粉检测按B T 4730.4-2005标准，质量等级Ⅰ级合格。

对球壳板进行超声检测抽查，赤道带及温带各不得少于10块，上、下极带各不得少于3块，超声检测按J B /T 4730.3-2005标准，技术等级B 级，质量等级Ⅰ级合格。

对球壳板厚度进行测厚抽查，抽查的数量：赤道带及温带各不得少于5块，上、下极带各不得少于2块。

每块球壳板最少应测9个点，实测厚度不得小于名义厚度减去钢板负偏差（0.3㎜）。

3.2现场组装
球罐的支柱因尺寸原因，分为上下两段，上段支柱在壳板制造过程中已焊接在赤道带板上，球罐组装前必须将下
段支柱与已焊在赤道带板上的上段支柱组焊为一体。

上支柱与下支柱组对前,依据赤道带板的几何尺寸，搭设固定架子。

把带上段支柱的赤道板侧立摆放垫实，然后分别划出赤道带板和支柱中心线。

在赤道带板中心线两侧找两点，使之距离赤道带板中心线等距。

对准上段支柱与下段支柱中心线，在下部支柱设定一个点，找正支柱左右偏差。

上支柱与下支柱点固后，用水准仪和直尺检查支柱的直线度和长度。

支柱直全长的线度应不大于10m m ，支柱的长度允许偏差应不大于3m m ，支柱与赤道带板轴线的平行度|L 1-L 2|应不大于2m m ，合格后进行上支柱与下支柱焊接。

上下支柱对接焊后，对接焊缝应进行100％超声波检测，按JB /T 4730.3-2005要求，技术等级B 级，质量等级不低于Ⅱ级合格。

为了方便球罐的组装操作，
球罐赤道带以下各带壳板
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年第期
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的组装采用在罐内侧作业的方法，球罐赤道带板以上各带壳板的组装采用在罐外侧作业的方法。

赤道带板及其下部壳板的定位块设置于球壳内部，赤道带上环缝及以上壳板的定位块设置于球壳的外部。

组装操作采用我公司自行研制的可拆卸式三角挂架。

三角挂架采用角钢制作，螺栓连接，预先固定在壳板的定位块上，并在层间铺设钢跳板作为操作平台。

在组装各带壳板的尺寸和安装位置中，赤道带板内侧由上至下设6层挂架，外侧上部设1层挂架，带支柱赤道带板每层布置2个定位块，不带支柱赤道带板每层布置1个定位块；上温带板外侧设4层挂架，内侧设3层挂架，每块板每层中间各设1个定位块；下极带边板内侧设1层挂架，每块板设4个定位块。

球罐的组装采用散装法，即将每块球壳板逐块吊起，组装成球体。

球壳板的吊装采用汽车起重机进行，吊装顺序如下：
赤道带板——温带板——下极带边板——下极带侧板——上极带边板——上极带侧板——上极带中板——下极带中板
吊装前，在地面上将三角挂架安装在设置于每块球壳板的定位块上，并在带支柱赤道带板、下极带边板内侧的定位块上、铺设跳板并绑扎牢固，之后进行壳板的吊装。

首先吊起一块带支柱赤道带板就位于球罐基础上，吊起另一块带支柱赤道带板就位于相邻基础上，之后吊起一块不带支柱赤道带板（不带跳板），插入两块已就位的球壳板之间，操作人员通过爬梯到达带支柱赤道带板的各层操作平台，通过卡具固定赤道带板，然后向不带支柱赤道带板上的挂架上铺设连接跳板，闭合操作平台，同样方法直至完成赤道带板的吊装。

上温带板吊装，采用三点吊装法，在壳板外侧焊三个吊耳，吊装索具的长短按壳板倾斜角度加以确定。

在上温带的上缘挂一卡环并带上牵引钢丝绳，当组对就位后加以牵引防止自重下坠。

然后紧固上温带板与赤道带板之间的卡具。

吊装相邻的上温带板，在上温带板与赤道带板之间的环缝和上温带与上温带板之间的纵缝用卡具紧固后，卸下吊钩，其余的上温带板均如此进行组装直至闭合。

下部壳板安装完毕后，操作人员从罐内赤道带板上端安装赤道带上环缝外部挂架并搭设跳板和安全围栏，进行上温带板吊装时，操作人员从罐外通过赤道带板和上温带板的外侧挂架形成的平台上完成上温带各板的组装工作。

采用同样方法，完成上极带各板的吊装。

球罐罐内上部由于角度过于倾斜的原因，温带板上部1米及以上各带内部若设置挂架，存在臂长过大，稳定性不好
的缺点，为满足罐内上部施工作业要求，根据具体尺寸，预先在地面制作可拆卸的三层伞形脚手架，在球罐组装完成后，将伞形脚手架材料输送至罐内底部，在罐底进行螺栓连接安装，并铺设跳板，然后从上极板人孔处提升，就位后，固定在上人孔上，下部与挂架连接，完成球罐内脚手架的安装。

外脚手架与防护棚连为一体，在球罐吊装完成后进行搭设，外脚手架采用双排结构，钢管扣件连接并铺设跳板。

防护棚采取三防篷布，要求达到防火、防风、防雨，满足焊接及无损检测的要求。

球壳板组装后，其坡口对口间隙应满足2±2m m ,对口错边量应不大于2m m ,棱角度用弦长不小于1000m m 的样板测量，沿对接接头每500m m 测量一点，棱角度不应大于6m m ，支柱组装找正后，在球罐径向和周向两个方向的垂直允许偏差应不大于15m m ,组装后球壳两极间的内直径、赤道截面的最大直径和最小直径三者之间相互差应不大于50m m ,拉杆中部的最大挠度不大于72m m 。

3.3焊接3.3.1焊接环境
施焊环境出现下列任一情况且无有效防护措施时，禁止施焊：
a.雨天和雪天；
b.焊条电弧焊时风速超过8m /s ；
c.相对湿度在85%及以上；
d.环境温度在-5℃及以下。

（注：焊接环境的温度和相对湿度应在距球罐表面500～1000m m 处测量）
3.3.2焊接要求
球壳板之间的焊接、安装用工卡具、预焊件等与球壳板焊接的焊缝均必须采用与Q 370R 钢板相匹配、规格为φ3.2m m 和φ4.0m m 的J557R 高韧性低氢型焊条，不得采用φ5m m 焊条；上下支柱间的焊接采用φ3.2m m 和φ4.0m m 的E 5015（J507）低氢型焊条；其他非受压碳钢件的焊条采用E4303(J422)焊条。

焊条熔敷金属的化学成分及力学性能（焊接状态）按JB /T 4747-2002的规定进行复验，复验结果应分别符合表1及表2的规定：
焊条熔敷金属扩散氢〔H 〕的测定（焊条经350～400℃烘干1h 后）按G B /T 3965中的甘油置换法进行，以〔H 〕≤2.5m l /100g 为合格。

球罐焊接顺序和焊工配置应有利于减少焊接变形和残余应力，焊接时要求对称施焊，采用直流电源，焊条接正极（不同规格的焊条所采用的焊接电流推荐值如表3），各焊工的焊接速度应力求一致，施焊顺序应先焊纵缝后焊环
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缝，外部所有焊缝全部焊完后，内部采用碳弧气刨法清根，清根时按规定进行预热并经100%渗透检测合格后在焊内部焊缝。

极带的纵焊缝从中间向两边焊，焊前预热温度应大于100℃，层间温度不低于焊前预热温度，最高温度不宜超过180℃，预热应均匀，预热宽度应为焊缝中心两侧各取3倍板厚，每侧不少于150m m 。

预热温度的测量按G B /T18591的规定进行，预热温度应距坡口边缘不超过50m m 的距离处对称测量，每条焊缝测点不少于3对。

焊后应立即进行焊缝的后热消氢处理，后热温度为200～250℃，后热保温时间为1小时。

严格控制线能量不超过40K J/cm ,不同位置下焊接线能量推荐如表4。

施焊时，应采用窄焊道、薄层多层焊，每一焊道宽度不大于焊芯直径的5倍，每一层焊道的厚度不超过4m m .
施焊产品的焊工应严格按照焊接工艺规范要求进行焊接。

焊接时不得在非焊接起弧处起弧以免造成电弧擦伤，如不慎造成弧疤或弧坑，必须打磨平滑后进行磁粉检测。

修磨深度不超过1.5m m ，且修磨处的厚度不应小于45.7m m ，否则，应进行焊补修磨，焊补修磨后应进行超声波检测以及表面磁粉检测合格。

焊道始端应采用后退起弧法，每一焊道应一次连续焊完，如因故中断焊接时，须立即按原焊接工艺要求进行后热消氢处理，多层焊各层间的接头应错开50m m 以上，每一层焊道焊完后，应将焊渣清除干净，并采用砂轮将焊瘤打磨至与焊层齐平后，方可进行下层焊道的焊接。

当有不允许存在的缺陷时，应在查清缺陷的产生原因后采用碳弧气刨或砂轮将缺陷消除。

焊缝内部缺陷焊补时，清
除的深度不得超过球壳板厚度的2/3。

内部缺陷焊接修补的焊缝长度应大于80m m ，并应在修补的焊道上加盖一道凸起的回火焊道。

回火焊道焊完后，应磨去回火焊道多余的焊缝金属，且应打磨至与母材表面或原焊道表面一致的形状。

焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次，如超过两次，应经安装单位技术总负责人批准。

修补次数、部位和修补情况应记入球罐质量证明书。

焊缝表面不得有裂纹、咬边、气孔、弧坑和夹渣等缺陷，且不得保留有熔渣与飞溅物，焊缝修磨应在不损伤母材的基础上尽量磨平，球壳外表面焊缝余高为0～1.5m m ,球罐内表面焊缝余高应为0～1.0m m ，对接焊缝及角焊缝应打磨至与母材呈圆滑过渡，焊缝表面不允许有急剧的形状变化。

对接焊缝形成的棱角度不得大于6m m ，采用弦长大于或等于1000m m 的样板测量，沿焊缝每500m m 长测量一点。

焊接后球罐两极间的内直径、赤道截面的最大内直径和最小内直径三者之间相互之差应不大于80m m 。

3.3.3无损检测
从事球罐无损检测人员，必须持有国家质量监督检
验检疫总局颁发的特种设备检验检测人员等级证书，取得Ⅱ级以上证书的人员方可填写和签发检验报告。

球罐的对接焊缝除应进行100%射线检测外，还应进行100%超声检测，水压试验合格后再进行一次100%超声检测。

射线检测按J B /T 4730.2-2005标准，技术等级A B ，质量等级不低于Ⅱ级为合格；射线检测用底片宜采用（T2或T 1类）高梯度噪声比胶片；超声检测按JB /T 4730.3-2005标准，技术等级B 级，质量等级Ⅰ级为合格。

球壳对接焊缝焊后、热处理后及水压试验后，应分别对球壳板上的所有焊接部位（包括球壳板对接焊缝的内、外表面、同球壳板焊接形成的角焊缝、工卡具清除后的焊迹部位及其热影响区）进行表面100%的磁粉检测（内表面采用荧光磁粉），按JB /T4730.4-2005标准Ⅰ级为合格。

射线和超声检测以及磁粉检测应在焊接结束36小时后进行。

4.结论：
通过上述完整的组焊施工工艺，我单位施工的大连
天诚燃气股份有限公司的两台4000m 3
液化气球罐，每台共
有1756张射线片子，其中第一台Ⅰ级1570张，Ⅱ级186张，一次返修10处，合格率达到99.43%；第二台Ⅰ级1658张，Ⅱ级98张，一次返修8处，合格率达到99.54%，由于采取了严格的组焊及无损检测施工工艺，保证了球罐的整体质量和工程进度，受到业主和质监部门的一致好评。

表1 J 557R 焊条熔敷金属的化学成分的技术要求
C S i M n P S ≤0.12
≤0.50
≥1.00
≤0.20
≤0.010
注：可添加其它微量元素。

表2 J557R 焊条熔敷金属力学性能的技术要求
试样状态
拉伸试验
冲击试验
焊后状态
Rel
M P a R m
M P a A
%试验温度℃K V 2
J 平均值一个试样
最低值≥440
530～650
≥20
-40
≥60
≥42
表3 不同规格焊条所采用的焊接电流
焊条直径（m m ）φ3.2φ4.0焊接电流
A
平焊、横焊100～120140～170立焊、仰焊
90～110
130～170
表4 各种位置下的焊接线能量
焊接位置平焊立焊横焊仰焊焊接线能量
K J/cm
12～35
12～40
12～35
12～35
A A 1。