球罐制造、焊接、检测及施工工艺秘籍

发布时间:2019-01-09 16:46        

球形储罐是储存各种气体、液化气体和液体的压力容器,与相同容积的其他储存容器相比,具有表面积最小、重量轻、受力均匀、占地面积小、成型美观等优点,在石油、化工、冶金、城建、轻工、航天航空和核能等工业中得到广泛应用。

工艺特点

球罐球壳板的结构型式有桔瓣式、足球瓣式和混合式;目前工程中广泛采用桔瓣式和混合式球罐;球罐壳板的成型主要有两大类,一类为冲压成型,另一类为滚压成型。冲压成型中有冷压成型和热压成型,我厂多采用冷冲压成型的方法。

根据球罐的大小、型式和施工设备、场地等特点,形成不同的的组装方法,常用的组装方法为散装法、分带组装法和半球组装法。从工期、质量、设备、安全的角度优选有中心柱单片散装法。

工装胎架包括压制胎具、现场安装伞形架、对口销等可重复利用。

适用范围

适用于200~20000m3三带、四带、五带桔瓣式混合式球形储罐

工艺原理

球形储罐壳板采用近似平面展开下料,然后压延成球面。各带球壳板压制曲率应相同,互换性要好。球壳板压制的几何精度及焊接质量是球罐建造中的关键工序,也是保证球罐质量的重要环节。

工艺流程

球壳板的二次下料法的突出特点是几何精度及尺寸精度都比较高。基本原理 :球壳板的各段边弧,均由假设的平面和锥面切割球面形成。切割平面通过球心切割球面,形成的圆弧其半径与球体半径相同。切割锥面其锥顶在球心,锥角已知,锥底直径即是锥面与球面交线,可以计算得出。在实际下料中,因为球壳板有一定厚度,因此锥面切割可以保证球壳板断面的几何形状。一个球体用假设平面和锥面截切,就可以得到各种不同形状的球壳板。如果将平面板材压制成球形面弧状板,然后按要求将切割工具形成不同的切割面,切割球形弧状板,就可以得到我们所需要的各种不同形状的球壳板。

球壳板成型下料工艺过程分为四个主要程序:

1

切割料坯:将选定的球壳板板材,按着球壳板的设计尺寸,各边加放20~30mm制作一次下料样板,按样板画线,然后切割成料坯。料坯尺寸加大有两个目的,一是压制成型后二次切割留出切坡口余量,二是压制过程中周边成型较好,即切割后消除直边。根据板材厚度不同,加放尺寸大小可适当调整,以保证较好的效果。

2

压延成型:成型精度直接影响二次下料的切割精度,对成型精度必须用样板严格检验。

3

划线号料:划线使用球面软样板,用0.3mm钢板制作,钢板厚了刚性太大,划线时与壳板不易服帖,太软了又容易失去精度。用样板划线号料,主要是确定假想切平面的位置。一般号料主要确定八个点,其中每三个点即可确定一个切割平面的位置。

4

二次切割:基本原理为成型球壳板上划线得到的三点与切割用割炬及球罐理论中心处在同一平面内,该平面即为假想切割球面的截平面,割炬在运动过程中,始终保持在同一平面内,即割炬本身形成的空间轨道,因为此切割线一定通过那三点,切割成所需要的弧边。同时二次切割又和切坡口一次完成,必须有完全的可靠性及保证足够的精度。

球壳板压制的几何精度对球罐现场组装和焊接质量影响很大。球罐壳板的冷压成型就是钢板在常温状态下,经冲压变形成为球面壳板的过程。冷压成型采用S形点压法,特点是小模具多压点,钢板不加热,适合加工调质钢板,并且便于球壳板大形化。冲压设备多采用800~2000t的油压机,有单臂式、双柱式和四柱式,球壳板的压制有1/2~2/3的重复率,以保证两压点之间成型过渡圆滑。这种压型方法可使成型应力壳板的压型顺序由壳板的一端开始冲压,按顺序排列压点,相邻两压点之间应相互分布均匀,并能得到较好的释放效果,减少成型后的自然变形。

在冲压过程中,每个压点不能一次压到底,要多次冲压,形成逐渐塑性变形的过程,又可以避免产生局部过大突变和折痕。在冲压过程中还应该注意以下几个方面:

(1)变形率应控制在3%左右。环境温度不宜低于-10℃,否则容易产生加工硬化现象,材质变脆,影响球罐寿命。

(2)冲压过程中要考虑回弹率造成的变形。一般回弹率大约为成型曲率的4%左右,但是影响回弹率的因素很多,如材料屈服强度高则回弹率相对要大些,冲压力大回弹率减小,钢板厚度小,曲率半径大,板材幅面大则回弹率也相应增大,回弹量的取舍不正确,会导致胎具所压材料的曲率与设计偏差过大 ,影响球壳板的质量。

(3)冲压过程中可采用加垫冲压的方式。以掌握球壳板的曲率变化及校正球壳板的曲率,加垫位置视情况而定。

(4)凡是冲压成型后在球壳板焊接支柱、人孔及附件,冲压曲率要相应增大一些,待焊接收缩变形后即可达到设计要求的曲率。但冲压曲率不可增加太大,否则将给焊后校形造成困难。

(5)球壳板成型曲率偏差应取正偏差,即样板两端有间隙,这样当球罐焊接组装时,通过收缩变形达到较好的几何形状,同时在切割坡口时的热应力作用下,四周边将产生向心收缩变形,曲率半径减少,也将使正偏差值随之减少。反之如果成型壳板产生负偏差,即样板中间与壳板有间隙,即产生反效果,使球罐在组装焊接中产生大的角变形或错边,影响球罐质量。

(6)压延力与压延方式同钢板性能、厚度等有关。压延力过大影响壳板成型质量,压延力太小影响冲压效率,一般控制在400~600t左右为宜。

球壳板人孔、接管、柱腿焊接

在人孔、接管、柱腿焊接中焊接变形超标是容易出现的问题,可以在焊接时制作反变形胎具,采用合理的焊接顺序进行焊接。针对刚性大、容易出现裂纹的问题,采取焊前预热和焊后缓冷的措施,并在焊后及时进行热处理,从而保证较好的焊接质量。

球罐现场安装的主要工序可分为以下几步:

球瓣组装; 焊接; 无损检测;焊后热处理;压力试验和气密性试验。

1.有中心柱单片散装法

有中心柱单片散装法是比较常见的组装方法,其特点主要是采用中心柱作为主要的组装焊接施工平台。此方法可以有效保证工期、质量,安装脚手架即可保证安全操作,可节约大型吊车台班。其主要施工程序如下:

三带混合式球罐施工程序流程图

四带混合式球罐施工程序图

(1)支柱组对:将运输赤道带板的胎具进行校正之后,辅以支柱支撑架在现场进行支柱与赤道带板组对工作。支柱与赤道板组对检查合格后,进行断续焊。

(2)球壳板固定块焊接:固定块间距宜为0.5~1m左右,在环缝丁字口处,环缝上的卡具应距丁字口近些,纵缝上的卡具应距丁字口远些,以避免卡具拥挤造成丁字口组对困难。

(3)中心柱搭设:将中心柱立起用拖拉绳固定,根据球体纵环焊缝的位置计算需要的平台层数和高度,采用伞形三脚架做骨架,内侧依球体形状搭设阶梯状平台,平台距球表面0.4m左右,各环缝要比平台高出1.2m左右,平台采用2-3排钢制跳板铺设。

(4)赤道带组装:a.测量组焊成型后的支柱实际长度,作好记录并标注在支柱上明显位置。依据支柱的长短与基础的坐标高低作一一对应,成互补关系以确保赤道带上下口水平。b.在基础顶板上放线,考虑到组对间隙及焊接收缩余量,将球罐中心圆直径放大。吊装前,在热处理垫板下涂一层润滑油。c.吊装第一块带支柱的赤道带板,就位后用拖拉绳将赤道带板固定,然后找正。

之后吊装第二块相邻的带支柱的赤道带板,安装斜拉杆,固定并找正。随后吊装不带支柱的赤道带板插入两块带支柱的赤道带板之间并用卡具固定。d.依次吊装赤道带板就位,使之组成环带。吊装顺序可根据现场实际情况确定。e.调整赤道带,使其组装几何尺寸──角变形、对口错边量、对口间隙、椭圆度、支柱垂直度和赤道带水平度均满足标准要求,检查合格后进行点焊。同时用挡板将柱腿固定,以防止组装下极带时柱腿向内移动。

(5)温带板组装:赤道带调整并点固之后,开始上温带板组装吊装第一块板之前,先在赤道板上侧焊上托弧板,用来托住上温带板,保持位置准确,或在中心柱上安装支撑杆,用于支撑上温带的上端。

(6)极板组装:a.吊装下极板侧板,找正后通过卡具、倒链和钢丝绳与赤道带板固定。b.吊装下极带边板、中板。c.吊装上极板侧板,找正后通过卡具、倒链和钢丝绳与赤道带板固定。d.吊装上极带边板、中板。

2.球罐的焊接

焊接一般采用手工电弧焊,焊接时应注意以下方面:

(1)焊接顺序与层序;先焊纵缝后焊环缝;先焊赤道带,后焊极带;先焊大坡口一侧,后焊小坡口一侧;焊接时要求焊工均匀分布,并沿同一方向进行施焊,尽可能保持相同的电流、电压、焊接速度;使焊接应力减小、呈均匀分布,将焊接变形控制在最小范围内,防止冷裂纹的产生。

(2)预热和后热:预热的目的是降低焊道的冷却速度,防止产生冷裂纹。预热温度100℃~150℃,后热可加速氢的逸出,同时也能改善焊接接头的组织。焊接过程中要控制层间温度, 焊接层间温度不低于焊前预热温度,且不大于200℃;

(3)焊接工艺质量操作与控制要点:定位焊与正式焊接时均应严格执行焊接工艺,避免出现裂纹及夹渣、气孔、未熔合等各种焊接缺陷。

(4)焊接线能量:线能量应不超过经焊接工艺评定合格的线能量上限。

(5)施焊环境;相对湿度90%以上、温度0℃以上及风速应严格控制。

3.球罐无损检测

球罐射线探伤采用γ源全景曝光技术,将射源置于球形容器中心,对等径位置焊缝进行360°一次曝光成像;

工艺程序为:划线---编号及标记---布片---送源---曝光---收源---取片---冲洗。

曝光时间根据源强、焦距、材料种类、胶片特性及暗室处理条件等因素综合考虑 。

在曝光过程中应注意射源输出导管下方盲区的影响,盲区内的焊缝要补拍;夏季光尽量用大活度的射源,曝光时间尽可能在一个晚上完成,减少高温的影响;做好防护工作,并建立隔离区、安全区,建立应急预案,确保检测工作的安全性,按照相关规定作好γ源的管理工作。

4.球罐热处理工艺

焊后热处理是为了消除焊接残余应力等有害影响并改善焊接接头的性能,把焊接构件整体或焊接接头加热到相变点AC1以下,400℃以上的某一温度,经一定时间的保温,而后均匀冷却的工艺过程。球罐热处理采用内部燃烧法工艺。

内部燃烧法工艺由以下7部分组成:

燃油高速喷嘴及其喷射引火系统

燃油输供系统:包括油泵、储油罐、输油管路及控制阀组

高压雾化空气供应系统:包括空气压缩机、送风管路和控制阀组

点火器及其燃气供应系统

球罐外表面保温设施

测温系统:包括热电偶、补偿导线、自动测温记录仪

球罐加热和冷却过程中热胀冷缩时柱脚移动系统。

球罐压力试验和气密性试验:

液压试验一般采用水作介质,顶部设排气口,充水过程中同时做基础沉降观测,充水高度到1/3和2/3球壳内直径,充满24小时后,分别记录沉降量,观察是否有异常现象;充满水后关闭排气口,按要求缓慢升压,分别升至50%和90%试验压力时进行渗漏检查,确认无渗漏后升至试验压力,保压检查,合格后排尽液体,用压缩空气吹干,然后进行气密性试验。

HSE管理措施:

1以人为本,健康至上;安全第一,预防为主;科学管理,环保创优;

2严格执行公司安全管理制度和吊装、焊接、探伤等各工种安全技术操作规程及岗位责任制。

3提高员工的健康、安全和环境管理意识,提高自我保护意识和生态环境保护能力。

4施工生产无环境污染事故,不破坏环境、不损害人身健康。

5通过提供预防性的医疗、卫生、保健措施来保护全体员工的健康。

6环境保护、水土保持方面达到设计和相关规定要求,使当地政府、百姓满意。

7施工前对所用的机具,索具必须严格检查,合格后方可使用。

8高空作业设置安全网、凡进入现场者须要求配戴劳动保护用品、参加高于地面2m以上的高空作业须系安全带。

9吊装前应对吊点索具严格检查,吊装时,起重工上下统一指挥,先试吊,检查确切后,方可起吊,做到吊装万无一失。

10作业、顶部安设引风机、保证罐内通风良好,罐外须有人监护。

11组焊平台应架设绑扎牢固稳定,跳板铺设平整不得少于2块,且宽度不得小于500mm。

12探伤时,应设警示标志,非工作人员不得进入探伤安全距离

13验时应严格按要求作好防护措施,无关人员应远离现场。

球罐用钢必须具有足够的强度、韧性,并要求有一定的可焊性。我国建造球罐最初用钢主要采用20R、Q345R、Q370R、16MnDR、15MnNbR,07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR、S30408、9Ni钢、适用于200~20000m3的球罐。