2000m3液氨球罐的选材及结构探析.docx

? ? ? ? ? 2000m3液氨球罐的选材及结构探析 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 摘要：在液氨应力腐蚀条件下，从选材、球壳结构、支柱与球壳连接结构等方面对2000m3液氨球罐进行了分析、探讨. 关键词：液氨球罐；液氨应力腐蚀；球壳分带；Q370R; ? 概述 随着近年来化工技术、冶金技术及城市燃气工业的迅猛发展，球形储罐（以下称为球罐）与相同容积的其他储存容器相比，其具有表面积小、重量 轻、受力均匀，建造方便、美观等优点，被广泛的应用于石油化工及冶金等行业，用于储存气体、液化气体及液体。与此同时，随着社会生产力的进步，球罐规格逐渐走向高规格，高参数，对其选材、制造、检验手段也提出了更高的要求。本文对一台2000m3液氨球罐，从选材、球壳结构等方面进行分析，阐述了球罐选材及其结构的重要意义。 ? 球罐设计参数 球罐直径 mm 15700 介质 液氨 公称容积 m3 2000 密度 kg/m3 560 操作容积 m3 1820 充装系数 0.9 操作压力MPa（G） 1.43 场地土类别 II类 操作温度 ℃ 40 基本风压N/m3 450 设计压力MPa（G） 1.8 基本雪压N/m3 250 设计温度 ℃ 45 地震设防烈度 7度 球罐选材 球罐用钢是设计和制造的基础，恰当的选材，可确保球罐的安全使用，又能保证其经济合理性。液氨球罐的选材，必须从抗腐蚀性、强度、刚度、焊接方法、焊后热处理要求等多方面因素做综合考虑。 ? 液氨的腐蚀机理 液氨应力腐蚀，是最为危险的腐蚀破坏形式之一。通常，无水液氨只对钢材产生轻微的均匀腐蚀，但盛装液氨的容器在充料、排料及检查过程中容易受到污染，大气中的氧和二氧化碳能促进液氨的应力腐蚀，反应中产生的氨基甲氨酸对碳钢具有强烈的腐蚀作用，它使钢材表面钝化膜在拉伸应力的作用下发生滑移导致破裂，并沿着此处产生阴极型的应力腐蚀裂纹。此应力腐蚀不在钢材表面留下宏观的破坏痕迹，也不会减薄容器的壁厚，只是由内及里沿纵深方向形成裂纹，往往是缺陷还未被发现的情况下突然断裂。 ? 防腐蚀对材料的要求 芬兰检测技术中心针对压力容器在液氨环境中预防应力腐蚀的研究，提出了TTK指令：推荐盛放液氨的压力容器用钢屈服强度最大值为350MPa，屈服强度超过450MPa的钢材不适用于制造盛放液氨的容器；日本斗本弘毅等学者的研究结果则认为：液氨引起低碳钢和低合金钢的应力腐蚀开裂与材料的硬度有密切的关系，当硬度值HV210或屈服强度大于540MPa时，就可能产生应力腐蚀开裂。实践证明，材料的强度越高，发生应力腐蚀的可能性越大，但不发生应力腐蚀的最低强度限与杂志含量及特性、应力大小、操作速度等因素有关。为防止应力腐蚀，在综合考虑操作压力、残余应力以及安全性和经济性的情况下，应尽可能选用强度较低的钢材。 ? 材料的可焊性与屈服极限 材料的可焊性一般以碳当量Ceq和裂纹敏感性组织Pcm的大小来衡量。当钢材的Ceq不大于0.45%时，认为其可焊性良好；当钢材的Pcm不大于0.2%时，认为其可焊性良好。 根据标准GB/T12337-2014《钢制球形储罐》，国内建设大型球形储罐主要用钢采用0245R、Q345R、Q370R（老标准为15MnNbR）、07MnCrMoVR等钢材。但Q245R许用应力太低，设备厚度太厚，此次选材不考虑。07MnCrMoVR则是采用低碳多元微合金以严格控制碳当量Ceq和裂纹敏感性组织Pcm，并通过合理的调质热处理获得强韧比最佳的组织结构，从根本上保证了其良好的焊接性能和低温韧度，但其屈服强度大于490MPa,不耐液氨腐蚀，故不宜使用。Q370R（屈服强度350MPa级）是在Q345R基础上添加元素Nb,提高了钢材的强度和韧性，其强度和韧性都优于Q345R，力学性能稳定，焊接性能好，有良好的的抗冷裂纹性，具有良好的抗液氨腐蚀性能。价格上，与Q345R相比，二者相差不大。所以能够很大程度提高球罐使用的安全可靠性，是大型球罐的理想用钢,也满足了我国大型球罐用钢的迫切需求。 ? 结合经济合理性对比 对于上述可选用的Q345R、Q370R两种钢材进行综合计算，得到的选材方案如下表： Q345R Q370R 焊接性能 较好 好 耐腐蚀性能 较好 好 球壳厚度（mm） 48 44 球壳重量（吨） 280 260 球罐重量（吨） 325 310 单台造价（万元） 约420 约422 综上所述，通过各方面对比，本台液氨球罐选取Q370R作为主材。 ? 球壳的结构优化 ? 球壳的结构形式：球壳几何尺寸的设计原则为是，少分带，尽量加大球片的几何尺寸，减少焊缝长度，但是球壳板尺寸受到钢板幅面以及压力机能力的制约．所以，球壳板几何尺寸的大小应根据实际情况决定。目前，球壳的结构形式主要有以下3种： ?