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5000m3天然气球罐的设计

文档作者：马庆升钟恩东张连友钟志利罗军文档来源：鞍山钢制压力容器有限公司		点击数：	更新时间： 2021年02月28日
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设计与结构
5000m天然气球罐的设计
 The Design of 5000m3 Natural Gas Spherical Tanks
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3台5000m3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3台5000m3大型天然气球罐的设计与制造工作,本文将3台5000m3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
1球罐设计参数、材料选用及技术要求
 HITEN6610U2已经成功制造了大连石化公司2台
8000m3和6台2000m3LPG储罐。
1.1设计参数
以上所有投入使用的球罐运行结果表明:该钢
设计压力:1.13MPa;工作压力:1.03MPa;种是一种优良的高强度压力容器用钢,能适用于该
设计温度:-19.6~50℃;工作温度:常温;储存球罐使用条件,采用此种材料制造5000m3天然气
物料:天然气(CH4≥95%);H2S含量≤20ppm球罐经过全国压力容器标准化技术委员会批准认
地震裂度:8度;公称容积:5000m3;风压值:
可。锻件08 MnNiCrMoVD是我国武钢生产的高强钢
240kN/m2;雪压值:240kN/m2;场地类别/地震影低温锻件,为600~740mas≥480ma
40℃akv≥47j,与nk -HITEN6-610U2钢板匹配。
响:Ⅱ/近。
1.3材料技术要求
1.2材料的选用
3台5000m3球罐所用的NK-HTEN610U2钢板
5000m3天然气球罐壳体材料选用日本NKK钢
必须有质量证明书,要求钢板厚度按正偏差32
管公司的NK-HTEN610U2钢板,人孔、接管锻件mm交货除满足JIS3115标准规定外,还应符
选用武钢生产的8 8MnNiCrMoVD锻件,焊条采用日合下列要求:
本神户制钢所生产的LB62-ULS及我国生产的
(1)制造厂应对NK-HITEN6610U2钢板进行验
E5015.Nk- -HITEN661OU2钢板是日本NKK钢管公收和复验,化学成分按炉号复验,力学性能和弯曲
司研制的高性能压力容器用钢板,该钢板按日本性能逐张复验,冲击试验温度为-20℃,其结果应
JISG3115-1996标准进行冶炼、轧制,属于调质符合表1、表2、表3
型低合金高强钢,该材料的特点是强度高、低温韧
(2)制造厂下料前必须对球壳用钢板喷砂除锈
性好,具有良好的焊接性能。其化学成分、力学性至露出金属光泽,再对钢板超声测厚≥32mm
能、冲击韧性指标与我国GB1501998《钢制压力
(3)球壳用钢板应逐张进行100%UT检测,按
容器》中的0 7MnCrMoVR7相当采用NKJB473094要求中Ⅱ级或级以上合格,制造上、
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第18卷第5期
压力容器
总第108期
下极中板的钢板还应进行100%MT检测,Ⅱ级合JB472794的技术条件中Ⅲ级以上锻件进行制造、
格。球罐所用的o8 8MnNiCr MoVD锻件应按照验收、复验,并符合表4~6的规定。
表1N- -HITEN6610U2钢板的化学成分(熔炼分析,%)
C
 Si
 Mn
P
S
 Cr
M
1
N
 B Pem
≤0.09≤0.150.401.20~1.60≤0.030≤0.20≤0.30≤0.300.02-0.06≤0.30≤0.0030≤0.20
注:=c+si30+mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+o/15+V/10+5B(%)
表2NK-2《NK-IE610t2《钢板的常温力学性能
交货状态取样方向及部位板厚(mm)bMPa)o(MPa)65(%)弯曲试验(180
调质
横向1/4板厚
12~32610-740≥490
≥19
=3a
表3Nk -HITEN6-610U2钢板的冲击韧性指标
钢板厚度
试样尺寸
Av(-20℃)(J
 mm
 mm
三个试样平均值
只允许其中一个试样不小于
12~32
10×10×25
≥47
3
表408 8MnNiCrMoVD锻件的化学成分(熔炼分析)%
C
S
 Mn
P
S
C
 Mo
V
 Ni
 Cu Pm
≤0.100.20~0.401.10~1.40≤0.02≤0.020.20~0.60≤0.500.02~0.061.20-1.60≤0.25≤0.20
注:=+i/30+n/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+o/15+V/10+5B(%)
表508 MnNiCrMoVD锻件的常温力学性能
截面尺寸(mm)
交货状态
取样方向及部位
(MPa)
o(MPa)85(%)
≤300
调质
切向
600-770
≥480
≥1
表608 8MnNiCrMoVD锻件的冲击韧性指标
钢板厚度
试样尺寸
Av(-20℃)(
 mm
 mm
三个试样平均值只允许其中一个试样值不小于
≤300
10×10×55
≥47
33
球罐所用焊接材料LB62-ULS应符合JIZ程造价,同时由于焊接接头是球罐的最薄弱环节,
3212的规定,其熔敷金属扩散氢含量[H≤2ml/焊接接头长度越少则球罐的安全性越高。
100gE5015焊条应符合GB/T51171995的规定,5000m3天然气球罐结构形式确定的原则,首
其熔敷金属扩散氢含量[H]≤5ml/100g
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(1999年3月天津滨
2球罐壁厚的确定
海电厂成功压制了6台5000m3天然气球罐),其次
根据给定设计条件进行强度计算球壳板厚度为球罐的结构形式要便于制造和安装,此外还应该充
32mm,同时控制钢板厚度负偏差≤0.25mm即可分考虑提高材料的利用率,订板规格尽可能少,以
满足要求,考虑到球罐使用中的安全可靠,钢板定减少成本便于材料管理。
货条件规定钢板厚度为32+mm。对球壳厚度按
3台5000m3天然气球罐采用四带十支柱混合
ASMEⅧ-2分篇进行1.03~0.2MPa,2.2×104次式结构,分带角为:赤道带53°、上温带42、上下
低周疲劳强度校核,球壳强度满足设计要求。
极带各85°,其优点主要有(1)焊接接头总长较
GB/17261-1998中推荐的表2中四带、五带
3球罐结构形式的确定
5000m3球罐结构形式分别减少了149m和278m
确定球罐结构形式的重要指标是单位容积的平(2)球壳板的尺寸规格较为接近,其中球片最大单
均焊缝长度。单位容积的平均焊缝越短则该结构形体尺寸为11248×3145,材料利用率高达87%
式越先进,这样一方面能缩短施工的工期、降低工
球罐支柱结构形式GB123371998中给出了4
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 CPVT
5000m3天然气球罐的设计
Vol18.No52001
种支柱与球壳连接结构形式,但应用于5000m3大委托中科院金属研究所对32mm厚的NK
型球罐工程上受力状态均不够理想,我公司在 HITEN6610U2钢制成焊接接头标准试样,经1.65×
GB123371998中U形柱结构基础上研制出了获得106次弯曲疲劳试验结果合格。设计图样要求球罐
国家新型实用专利的《钢制球形储罐圆滑连接长圆制造和组焊单位应按图样要求分别制定nK
形U型支柱》,专利号为ZL00212380.,其优点HITEN6610U2钢及08 MnNiCrMoVD的焊接工艺评定,
是:(1)没有尖角焊缝,取消了连接板与球壳的高施焊时严格按焊接工艺评定所确定的工艺参数范
刚度拘束焊缝。下部半圆形与球壳圆滑连接,因此围,选择较小的焊接线能量进行施焊,确保焊接接
可大大降低支柱与球壳连接的a点应力值,焊接头的低温冲击功指标符合图样及标准规定。
接头的受力状态得到明显改善;(2)上支柱的加工
4.3产品焊接试板要求
焊接工作较为方便。
制造单位应做一块球壳与人孔凸缘对接接头的
4球罐制造、安装的主要技术指标
产品试板;组焊单位应做横、立、平+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
4.1几何尺寸要求
符合GB1501998附录E的规定。
(1)球壳板的要求
4.4无损检测要求
1)用3m样板检查球壳板曲率,要求允差
球罐全部对接接头应按JB473094要求进行
100%的测点≤3mm,其中球壳板周边150mm范围100%RT(X射线)检测,Ⅱ级以上合格,底片质
内的允差≤2.5mm;2)球壳板几何尺寸弦长的允量不低于AB级,≥20%UT检测,I级合格。A、
差100%的测点应满足GB123371998标准要求。B、C、D类接头气压试验前后各一遍100%磁粉
(2)支柱的要求
检测,Ⅰ级合格。
上支柱采用NK -HITEN6-610U2钢板压制成型,
4.5耐压试验与基础观测
下支柱采用16MnR钢板卷焊,支柱的全部对接焊
(1)考虑到此球罐容积大,充水质量多,水压
缝按JB473094要求进行100%的UT和100%M试验会造成基础成本大量增加,按《容规》规定用
检测,均为级合格,支柱的直线度应小于L气压试验代替水压试验,气压试验合格后进行气密
1000,且不大于8mm,支柱与底板的组焊应垂直,性试验。
其垂直度允差为2mm
(2)为考查基础沉降情况,在气压试验前采用
(3)预组装要求
充水1700t测定基础沉降量。
球片经当地质量技术监督部门检验合格后,分
4.6热处理要求
别在制造厂进行赤道带、上温带、上下极带预组
由于此三台球罐壁厚32mm,设计条件给定物
装,要求组对间隙为2±2mm,错边量≤3m,直料H2S含量≤20ppm,按日本JPA201-1981
径椭圆度要求分别为小于42mm、30mm
GB123371998等标准规定,及大连石化公司两台
(4)球罐整体组装的要求
8000m3LPG球罐的成功使用经验,设计规定此三台
组装后错边量及棱角要求GB12337198及球罐不做焊后整体热处理,只对球罐极中板与焊接
GB50094-98的有关规定,球罐最大内径与最小内上支柱的赤道板提出在制造厂进行消除应力热处理
径之差应小于60mm
要求,热处理规范为570±15℃保温1.3h,焊接接
(5)焊接接头的检验要求
头实测硬度HB≤225
1)球罐全部对接接头余高、回火焊道应采用
球罐安装检验合格后,内外表面除锈至露出金
砂轮打磨光滑、平整,球壳内侧接头与外侧接头加属光泽,刷无机富锌两遍,外表面喷白色B04-11
强高度0~1.0mm,焊肉同母材的接触部位必须圆丙烯酸磁漆两遍。交工、验收按GB5009498的规
滑过度;2)焊接完成后球罐最大内径与最小内径定进行交工、验收并提供相应的技术文件。
之差应≤80mm
4.2焊接工艺要求
作者简介:马庆升,男,1966年生,工程师,从事压力容
根据5000m3天然气球罐的使用特点,我公司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:114214
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