大型天然气球罐的设计和材料选用

大型天然气球罐的设计和材料选用 第22卷第8期油气储运 大型天然气球罐的设计和材料选用* 王冰"陈学东 (合肥通用机械研究所) 吴正亚呼德龙 (合肥市燃气集团公司) 王冰陈学东等:大型天然气球罐的设计和材料选用,油气储运,2003,22(8)15"19. 摘要通过回顾钢制球形储罐的发展历史,分析了国内球形储罐建造技术的现状及 其与国 外的差距,对西气东输大型天然气球形储罐的选材,结构及建造技术进行了探 讨,提出了大型 天然气球罐建造两种选材方案. 主题词天然气球罐设计材料比选 一 ,球罐概况 球罐作为一种高效的储存容器,在石油化工,冶 金,城市燃气等行业得到了广泛的应用,储存介质涵 盖了(丙烷,丁烷,丙烯,乙烯,液化石油气,液氨等) 液化气体,氧气,氮气,天然气和城市煤气等气体. 球罐的特点 1, (1)与同样容积的圆筒形容器相比,球罐的表面 积最小,消耗材料最少. (2)承受压力载荷的球罐受力均匀,而且在相同 的直径和工作压力条件下,球壳的薄膜应力只为圆 筒形容器的一半,容器壳体厚度大大降低. (3)球罐风力系数约为o.3,而圆筒形容器风力 系数约为o.7,因此对于风载荷而言,球罐比圆筒形 容器更安全. (4)球罐支承结构简单,易于实现大型化. 2,球罐的历史与现状 球罐最早出现在19世纪末20世纪初,早期的 球罐为铆接结构.第二次世界大战以后,随着焊接 技术的发展,球罐制造由铆接改为焊接,世界各工业 国家先后着手建造,使用焊接球罐.美国于1941 年,苏联于1944年,日本于1955年,西德于1958年 分别建造了一些压力较高,容量较大的球罐. 我国球罐制造始于上世纪50年代末60年代 *安徽省.十五攻关项目:01011055. **230031,安徽省合肥市长江西路888号,电话:(O551)5313745. 初,当时建造的球罐容积大多在1000m.以下.20 世纪70年代引进3台8250m.的液氨球罐,80, 9O年代引进多台5000~-10000m3的天然气球罐.1980年以来,我国的球罐设计,制造,组装,焊接与 检验技术水平得到迅速提高.我国境内建造的部分 大型球罐情况见表1. 3,球罐的发展趋势 (1)大型化单台球罐容积不断增大,可节省投 资,减少占地面积,降低运行费用. (2)高参数运行压力从0.093的真空度到十 几个兆帕,运行温度从一250?的低温到850?的高 温. (3)多品种有针对低温深冷操作的双层壳结 构球罐,铝制球罐等. 4,我国大型球罐建造技术存在的差距 近年来,我国大型球罐建造技术虽然提高很快, 但与工业发达国家相比还有一定差距.以3个典型 球罐制造企业的有关数据为例,一个是日本新日铁 公司1998年5月公布的资料,另外两个是国内南北 两个具有代表性的球罐制造企业截止2001年12月 的资料,见表2,表6.对比结果表明,在容积为 1000~,3000m.的球罐上,3个企业基本相当,而在 容积3000m.以上的球罐上,日本企业比国内两个 企业技术先进得多,尤其是10000m.以上的球 罐,国内两个企业尚无业绩.从表5和表6还可以 油气储运 看出,国内两个企业制造的球罐主体材料为16MnR 的分别占70.6和76.5.由此可见,材料品种单 一 ,强度级别低是制约国内球罐大型化发展的重要 因素. 衰I我国境内建造的部分大型球? 衰2日本新日铁公司194座球?窖积衰5我国南方某?造企业326座球一所用材 料 衰3我国南方某?造企业216座球?窖积 衰4我国北方某?造企业158座球?窖积 衰6我国北方某?造企业158座球一所用材料 总结我国大型球罐的建造经验,球罐大型化目 前存在的主要问题如下. (1)材料国外常通过限制球罐壳板的厚度来 避免现场整体热处理,这意味着大型球罐必须使用 第22卷第8期王冰等:大型天然气球罐的设计和材料选用 高强度钢.我国从20世纪80年代开始生产为 610MPa的CF一62钢,但因板幅小,性能尚不够稳 定,而且很长一段时间只有个别企业能够生产,这就 限制了这种钢在大型球罐上的应用.目前虽已有所 改观,但仍不能满足球罐大型化的需要. (2)高强度钢的焊接性能和焊接技术高强度 钢淬硬倾向明显,对焊接方法,焊接材料,坡口型式, 焊接热量输入,焊接工艺及气候环境等影响十分敏 感,施焊时对焊接工艺规范的要求极为严格,稍有不 慎,焊接接头就容易产生硬化,脆化和裂纹.国内曾 发生过多起在用和在建的高强度钢球罐开裂事故. (3)设计我国球罐的设计标准采用的是常规 设计,即为建立在第一强度理论(最大主应力理论) 基础上的传统设计方法,而国外已开始采用分析设 计,对球罐上的应力分类加以控制,从而减小球罐壁 厚,使结构更趋合理. 二,大型天然气球罐的设计 1,设计标准与规范 球罐是一种特殊的储存式压力容器,目前大多 数国家还没有单独的球罐设计,建造规范,而是按统 一 的压力容器规范进行设计,如美国的ASME,英 国的BS,法国的CODAP等规范.日本的JIS也没 有专门的球罐分篇,但日本高压气体安全协会曾制 定专门的球罐规范KHKS0201《球形储罐技术规 范》,对日本乃至我国球罐的建造技术曾产生过重要 影响.近年来,日本液化石油气协会也曾编制 JLPA201<<液化石油气球罐标准》,对液化石油气球 罐的管理体制,材料,结构,制造,检验,修补,附属设 备,涂装和标志等进行了详细规定. 我国是继日本之后又一个对球罐制定专门的设 计,建造标准的国家.1982年机械部,石油部和化 工部颁布了三部标准《球形储罐设计规定》,1990年 经大幅度修订,该标准升格为国家标准GB12337— 90《钢制球形储罐》,目前使用的是该标准的1998版 GB12337—1998.此外,关于球罐的现场组焊,检验 及验收,还有国家标准GB50094—1998((球形储罐 施工及验收规范》,该标准的前身即为建设部管理的 施工国家标准GBJ94—86. 2,结构设计 (1)球壳分瓣型式球罐多采用现场组焊,即在 制造厂内分瓣制造并运抵施工现场,球壳的组装,焊 接及无损检测等均在现场完成.常见的球壳分瓣型 式有桔瓣式,足球瓣式,现多采用集两者之长的混合 瓣型式,即赤道带,温带采用桔瓣式分瓣结构,极带 采用足球瓣式分瓣结构. 虽然GB/T17261—1998((钢制球形储罐形式与 基本参数》对球壳分瓣型式作了推荐性的规定,但是 设计者还应根据球壳板材料的供货和运输以及压制 成型的球壳板的运输条件,尽量采用大尺寸的球壳 板,这样不仅可以缩短球罐对接焊缝的总长度,减小 现场焊接工作量,而且有利于保证球罐最终质量的 可靠性.典型的参数及球壳分瓣型式见表7. 表7典型的大型天然气球簟参数殛球壳分瓣型式 注球壳名义厚度为38nlnl,主体材质为CF--62. (2)人孔与接管GB12337—1998规定,球罐 一 般应在上,下极板各设置一个人孔,便于建造,使 用及检验时人员,机具的出入.对于必须进行焊后 整体热处理的球罐,则上,下人孔应设在球罐的垂直 中心线上.目前,大型球罐人孔多采用整体锻件凸 缘结构进行补强,使开孔部位应力分布更趋合理. 根据储存物料情况和工艺要求,球罐一般应设 置物料进出口,仪表接口以及排污口等.接管是球 罐的应力集中部位,也是检验的薄弱环节.为了提 高接管的安全性,目前大型球罐多采用锻件厚壁管 或整体锻件凸缘结构.为了便于工艺操作与控制, 接管的位置应尽量集中在上,下极板. (3)支承结构球罐支承结构有多种型式,最常 用的是赤道正切式.球罐支承结构主要有支柱,拉 油气储运2003矩 杆,支柱底板和地脚螺栓等组成.对于大型球罐,支 柱一般分为两段或多段,这样一方面方便运输,另一 方面可使支柱上段材质与球壳板相同,而下段采用 普通结构钢,避免支柱与球壳板连接成为异种钢焊 缝.支柱,拉杆设计不仅应考虑球罐在操作和水压 试验等工况条件下的压力,重量(包括设备自重和储 存介质重量)等载荷,而且应顾及当地的地质情况以 及风载荷,地震等载荷. 三,大型球罐材料的选用 1,球壳板用钢 目前,国内生产的球壳板用钢主要有16MnR, 15MnNbR,07MnCrMoVR,07MnNiCrMoVDR, SPV355N(按日本JIS标准生产)等,进口球壳板用 钢主要有SPV355N,SPV490Q,NK—HITEN610U, NK—HITEN610U2,WEI,TEN610CF等. 07MnCrMoVR(07MnNiCrMoVDR)俗称国产 CF一62钢,是目前国内唯一的标准抗拉强度在610 MPa以上的压力容器用钢,自上世纪80年代研制 成功以来,在压力容器,尤其是球罐上的应用取得了 一 定进展.迄今为止,已建造50,2000In.的各类 球罐近百座.但由于该钢在很长一段时间内只有一 家钢铁公司能够生产,而且因生产线不能提供宽厚 板,限制了该钢在2000In.以上球罐上的应用.目 前,已有另外两家钢铁公司能够生产这种钢板,且可 提供大尺寸板材.因此,国产CF,62钢在 3000In.以上的天然气球罐上应用的条件已基本 具备. 统计数据表明,目前国内在用的3000In.以下 球罐多采用国产钢板,而3000In.以上的球罐多采 用进口钢板.例如,上海天然气输配公司1O座 3500In.天然气球罐采用日本新日铁公司生产的 WEL—TEN610CF,大连石化公司两座8000In.球 罐采用日本钢管公司(NKK)生产的NK—HIT- EN610U2.北京市天然气储配系统先后引进的4 座5000In.及两座10000In.天然气球罐,则分别 采用WEL—TEN6IOCF和NK—HITEN610U2两 种钢板,这两种钢是日本CF一62钢的典型代表,也 是进口CF一62钢在大型球罐上使用业绩最好的. 按照压力容器安全技术监察》(1999版) 第22条第4款要求,国内首次使用标准抗拉强度下 限值不高于610MPa的国外材料,必须经国家技术 监督行政部门授权的有关认证机构的评审.截止目 前,已完成认证评审的有NK—HITEN610U2和日 本川崎制钢的RiverAce610A,日本住友金属的 SUMITEN61OF.3种钢板批准的使用范围见表8. 表83种经过评审的进口钢板数据 2,锻件与焊接材料 国内在开发07MnCrMoVR钢板的同时,完成 了配套锻件08MnNiCrVD和配套焊条PP?J6O7RH 的开发,为国产CF一62钢在压力容器及其它 结构中的应用打下了焊接基础.国内已有多家企业 可以生产这些配套材料,质量稳定. 在引进钢板的球罐建造中,早期配套锻件和焊 接材料都同时引进,如20世纪80年代北京引进的 4座5000In.及两座10000In.天然气球罐,配套 锻件为HW50EQ和A350LF(前者为日本牌号,后 者为按美国ASTM标准生产的锻件),配套焊条为 LB一62UL(日本神户制钢生产)和L一60S(日本新 日铁生产);90年代上海引进的10座3500In.天然 气球罐,配套锻件为SFL1(日本牌号),配套焊条为 L一62CF(日本日铁溶接生产).近年来,随着国产 锻件质量技术指标的逐步提高,即使主体材料选用 进口CF,62钢板,配套锻件也可采用国产 08MnNiCrMoVD锻件.如陕西咸阳3座5000In. 天然气球罐,球壳板材料采用NK—HITEN610U2, 配套焊条采用LB62一ULS(日本神户制钢生产),而 锻件则采用国产O8MnNiCrMoVD. 四,结论 近年来,国内大型球罐在制造,安装技术等方面 取得了长足的进步,为500010000In.大型球罐 的建造奠定了工艺与装备基础. 第卫2卷第8期油气储运 怕钢零 3防腐保温3 9leo专-(H争.'.《o 埋地钢质管道外防腐层的腐蚀机理 郭生武方军锋 (中国石油天然气集团公司管材研究所) 郝晓晨王志宏邓军孝 (陕西省天然气有限责任公司) 郭生武方军锋等:埋地钢质管道外防腐层的腐蚀机理,油气储运,2003,22(8)19,22. 摘要介绍了埋地钢质管道外防腐层有机覆盖层的防腐蚀机理,分析了有机防腐覆 盖层与 阴极保护的关系,指出了三层聚乙烯防腐层,熔结环氧粉末防腐层和液体环氧涂料 的优缺点,推荐 采用100固体聚氨酯防腐涂料作为管道外防腐层的补口材料,并提出了提高覆盖 层有效性的途 径. 主题词埋地管道外防腐层腐蚀机理分析 随着管道建设规模的扩大,对管道外防腐层有 机涂料的需求量不断增大,埋地钢质管道外防腐涂 料的原料供应,生产,工厂预制,现场涂覆,维修已形 成规模,与之相适应的设备配套,原料,配方,施工工 艺研发日趋成熟.因此,探讨外防腐层的防腐蚀机 理,对于长输管道外防腐层有机覆盖层的研发,生 产,选用,施工,维修具有实际指导意义. 一 ,有机覆盖层的防腐蚀机理 1,隔离作用n 所谓隔离就是将钢铁与环境隔离,阻止环境中 的腐蚀剂到达钢铁表面.欧洲有观点认为,有机覆 盖层能够抵御湿气,防止钢铁腐蚀.从这个观点出 发,德国开发了聚乙烯防腐层,即2PE. 2,绝缘作用 由于有机高分子的几何尺寸大于腐蚀剂分子 (如o和Ho)及离子(如C1一),成膜过程中一般 带有针孔等缺陷,还有第三方破坏造成的损伤,致使 有机覆盖层不能起到绝对的隔离作用,而透气性和 透水性又使得腐蚀介质容易透过覆盖层到达钢铁表 面.由于透过有机覆盖层的水和氧高于裸钢腐蚀时 所耗水和氧的速度,致使覆盖层的导电性提高.导 电性是有机覆盖层致密性和绝缘性的表征,优良的 致密性和低导电性将大大提高有机覆盖层的防腐蚀 能力. 3,附着作用I粘结) 良好的附着力能抵抗有机覆盖层起泡和抗阴极 覆盖层起泡的原因,一是水透过有机覆盖层 剥离. 使覆盖层处于低劣的湿态附着状态,此时水和溶解 在水中的腐蚀剂直接与钢接触,引起腐蚀,当腐蚀进 行时,产生的Fe抖,oH一造成覆盖层下的渗透压 池,渗透压达到2500,3000kPa,而覆盖层的形 变力为6,40kPa,因此形成泡而膨胀,剥离覆盖 大型天然气球罐球壳分瓣型式,应以球壳板材 料的供货与运输情况和球壳板成形后的运输条件为 基础,尽量采用大尺寸钢板. 大型天然气球罐建造有两种可选的材料方案, 一 是全部采用国产材料,其中球壳板材料采用 07MnCrMoVR,配套锻件采用08MnNiCrMoVD,焊 *710065,陕西省西安市电子2路32号,电话:(029)8726181. 条采用PP?J607RH;二是锻件国产,其余进口,球 壳板材料采用NK—HITEN610U2,配套锻件采用 08MnNiCrMoVD,焊条采用LB62一ULs(日本神户 制钢生产).这两种方案各有其技术经济优势. (收稿日期:2002-10-11) 编辑:刘春阳