我国乙烯球罐现状及国产化中技术要点分析.pdf

? 我国乙烯球罐现状及国产化中技术要点分析 ?1 ,2 (1 1 北京工业大学,北京 100022 ;21 合肥通用机械研究院,安徽 合肥 230031) ?:综合研究及工程应用表明:我国目前已具备自行设计、 建造2000 m3以下国产化的高难度乙 烯球罐的能力,以供从事乙烯球罐设计、 制造、 施工及项目决策的人员借鉴。 ?:乙烯;球罐;国产化 ?:TQ05312;TQ05011?:A?:1001 - 4837(2006)06 - 0039 - 04 Recent Development and Technical Essentials of Domestic Ethylene Spherical Tank DOU Wan - bo1,2 (1 1Beijing University of Technology ,Beijing 100022 ,China ; 21Hefei General Machinery Research Institute ,Hefei 230031 ,China) Abstract :Ethylene spherical tank is one of the most difficult spherical tank1This paper provides an overview of current situation , developing process and technical features of localization of ethylene spherical in China. It is pointed out that china enterprise have ability to self - design and manufacture2000 m3ethylene spherical tank at present. So it need not import2000 m3ethylene spherical tank1This paper can provide some reference for persons of designing , manufacturing , construction and project decision making1 Key words :ethylene ;spherical tank;localization 1? 乙烯球罐由于运行压力高、 温度低,介质易燃易 爆,其建造技术难度较大。因此一个国家大型乙烯 球罐的建造水平在很大程度上反映其建球罐技术水 平。据不完全统计,我国现有1000 m3以上乙烯球 罐约80余台,由于近年来我国乙烯工业发展迅速, 每年要增加10台左右1000 m3以上的乙烯球罐。本 文介绍我国乙烯球罐现状及技术要点,供设计及建 造工作者借鉴。 2? 我国目前的乙烯球罐主要集中在中石化和中石 油集团公司,容积最大的为2000 m3。我国现建造的 球罐方式主要有三种:一是国外设计国外制造球片、 由国内安装,总数约为60台;二是设计、 材料、 制造、 安装均为国产化,总数15台左右;三是采用进口材 料,国内设计、 制造、 安装,总数约5台。 20世纪70至80年代主要采用第一种模式,当 时国内大型球罐材料缺乏,制造和安装技术水平较 低,故设计、 制造依赖国外,并由外籍专家指导国内 施工安装。使用最多的是日本的球片,按日本标准 设计,原材料一般以设计温度下( - 40 左右)的冲 击功 47 J交货,焊接接头以设计温度下( - 40 左右)27 J验收。如20世纪70年代燕山的1900 m3乙烯球罐,80年代的金山、 扬子1700 m3乙烯球 ·93· 罐及齐鲁1500 m3乙烯球罐,20世纪90年代的吉 化、 茂名2000 m3乙烯球罐。 1989年佳木斯环氧乙烷工程中国产化的400 m3 乙烯球罐首次成功,尤其是1994年国家重大科技攻 关课题 CF - 62钢制1500 m3乙烯球罐研制 完成, 这标志着乙烯球罐国产化逐渐成为我国建球的主 流。主要技术路线为:钢板采用07MnNiCrMoVDR , 配套国产08MnNiCrMoVD锻件及国产结607RH焊 条,由国内设计、 制造、 安装。 随着我国加入WTO ,国内科研单位及制造、 施 工企业接触的进口材料增多,因此采用国外优质材 料国内设计、 建造的模式也开始实施,目前已设计、 制造了几台15002000 m3乙烯球罐。该模式比进 口球皮经济,必将成为今后一段时间内乙烯球罐的 重要模式之一。 3? 311 乙烯球罐设计温度和设计压力问题 乙烯的沸点为- 104,在- 104 以上时需施 加一定压力时才能液化,目前国内外乙烯存储方式 主要有:一是常压冷储,通过制冷系统把乙烯的温度 保持在- 104 左右,存储在大型低温储罐内(即常 压低温冷储)。一般冷储罐都在10000 m3以上,低 温储罐一般为双层罐,中间夹保冷材料,为了制造方 便一般都做成立式拱顶储罐形状。二是带压冷储, 最多的是低温球罐,个别也有低温卧罐。 乙烯球罐属保冷球罐,设计参数主要取决于所 存乙烯介质的工作状态,不受环境温度的影响。参 照HG205801998钢制化工容器设计基础规定, 设计压力一般取110111倍工作压力,设计温度一 般取介质最低工作温度减010。 目前80 %左右的乙烯球罐操作温度约- 30, 其设计温度一般选- 40,设计压力取212 MPa ,燕 山、 大庆、 兰石化、 扬子、 金山、 齐鲁均属这种情况;另 一种使用温度约- 40,设计压力1155119 MPa , 设计温度为- 45- 50,吉化和茂名进口的2000 m3乙烯罐属该类。 因此建造球罐,应由工艺先确定正常操作温度, 随之确定设计温度和设计压力。 312 设计方法和标准 我国现有乙烯球罐主要是采用常规设计,只有 20世纪90年代建造的吉化和茂名30万t/ a乙烯中 2000 m3乙烯球罐是由国外按ASME- 2 ,采用分 析设计的。 随着计算机技术的发展,大型分析工具软件的 普及,球罐分析设计已逐渐普遍。由于分析设计可 将各部位的受力情况进行较精确分析,依结构破坏 的危险程度,对应力进行分类,对各类应力取不同的 许用值进行评定,虽取较低的安全系数(如我国JB 4732标准规定安全系数可取216) ,但设备的总体安 全性不会降低,而可靠性增加。分析设计方法可达 到常规设计难以达到的合理效果,该薄处薄,该厚处 厚,从而可降低球罐总重量,减少总造价。按我国 JB 4732 ,分析设计比常规设计球罐壁厚减薄15 %左 右。 另外即便采用常规设计,配合对球罐高应力区 进行应力分析,也可以达到优化结构,降低高应力部 位应力水平的效果。 因此采用分析设计或常规设计加分析校核的办 法将成为乙烯球罐设计的方向。 4? 我国现有乙烯球罐壳体材料主要有:日本引进 s490 MPa级调质状态的高强钢(如川崎制铁公司的 REVER ACE 610L、 新日本制铁公司N - TUF490、 日 本钢管的NK - HITEN610U2L等 ) ; 由从欧洲引进 s345 MPa级正火状态使用的低温钢CREUSELSO 34SS(法国)及ASME钢号SA537CL1及 SA537CL2、 由 法国引进的9 %Ni钢;国产材料s490 MPa的 07MnNiCrMoVDR。举例如下: 411 9 % Ni钢 我国从法国CMP公司引进9 %Ni钢1500 m3乙 烯球罐共8台,均由国内安装,其中大庆石化公司和 燕山石化公司各4台。9 %Ni钢是适用于- 196 的低温钢,钢材价格贵,用于乙烯球罐不仅大材小 用,而且焊接工艺较繁琐又易产生焊接热裂纹,已建 成的几台球罐每次开罐检查均发现新问题,处于停 用或监督使用状态。 412 法国钢号CREUSELSO 34SS及ASME钢号 A537CL1、A537CL2 20世纪80年代建造的辽阳化纤的2台1350 m3 乙烯球罐,20世纪90年代建造的天津石化公司2台 1200 m3乙烯球罐及新疆独山子的2台1200 m3乙烯 球罐等采用该类材料。该类材料的强度级别较低, 如CREUSELSO 34SS及A537CL1s345 MPa ,A537CL2 s415 MPa ,球罐壳体较厚,其建造乙烯球罐一般不 ·04· CPVT 我国乙烯球罐现状及国产化中技术要点分析 Vol23.No6 2006 ? 超过1500 m3。 413 日本的s490 MPa级低温高强钢 该类钢满足日本焊接学会WES3003标准中的 LT50的相关要求。其特点是强度高、 低温韧性优 良,适用于设计温度在- 50 以上的大型球罐。国 内采用该类钢建造的乙烯球罐总数约40台,容积最 大为2000 m3。典型的有: (1)燕山石化公司1976年从日本引进4台1900 m3,材料为川崎的REVER ACE 610L ,壁厚3940 mm。 (2)20世纪80年代扬子石化公司、 金山石化公 司各从日本引进4台1700 m3乙烯球罐。主要参数 为:设计压力2116 MPa ;设计温度- 35;材料:川 崎的REVER ACE 610L ;壁厚42164316 mm;未整体 热处理。 (3)齐鲁石化进口过1台1500 m3乙烯球罐,材 料为川崎的REVER ACR 610L ,壁厚42164316 mm。 (4)1993年12月,齐鲁石化33万t/ a乙烯扩建 项目,引进了2台1500 m3乙烯球罐,由韩国三星重 工(SHI)设计和供球片,国内安装。材料为日本新日 铁NTUF490。壁厚41154215 mm ,进行了整体热 处理。一年以后的开罐检查未发现任何裂纹类缺 陷。 (5)吉化和茂名30万t/ a乙烯各进口4台2000 m3乙烯球罐,由韩国三星重工(SHI)设计和供球片, 国内安装。茂名和吉化的乙烯罐,均按ASME- 2 设计,材料均为川崎的SPV490Q +LT50 ,焊后均未进 行整体热处理。其中茂名的设计压力为117 MPa , 设计温度- 42,壁厚35193718 mm ,上、 下中极 板70 mm。吉化的设计压力1155 MPa ,设计温度- 45,壁厚34 mm。 这类球罐的材料能满足设备的正常使用。 414 国产材料 (1)07MnNiCrMoVDR 该钢是国内研制成功的- 40 低温高强钢,自 1989年首次用于400 m3乙烯球罐,1994年用于1500 m3乙烯球罐后,国内采用该钢先后建造13台400 1700 m3乙烯球罐,这些球罐大多数都经过开罐检 查,运行良好。从技术上,标志着我国具有2000 m3 以下乙烯球罐国产化能力。 (2)15MnNiDR 15MnNiDR作为国内的- 45低温钢,目前已 建造过2台200 m3乙烯球罐,该钢低温韧性储备较 大,可作为在小、 中型球罐(1000 m3以下)的钢种。 (3)09MnNiDR 09MnNiDR钢作为国内开发的- 70低温钢, 目前已建造过2台100 m3的乙烯卧式储罐,对于设 计温度在- 45- 70 可以选用,可作为设计温度 较低的中小型乙烯球罐选用钢种。 (4)15MnNiNbDR 该钢是国内开发的- 50 低温钢,目前正在结 合工程进行设计温度- 45 的2000 m3乙烯球罐的 研制。 5? 511 精心设计从严要求 (1)在遵循现行法规和标准的基础上,应认真分 析 压力容器安全技术监察规程 、G B 150钢制压力 容器 、G B 12337钢制球形储罐 、G B 50094球形储 罐施工及验收规范 等相关要求,执行时按最新版本 及就高不就低原则,确保设计关键技术的先进性和 可靠性。 (2)对重要受力部位,可配合使用有限元应力分 析,在应力分析的基础上进行结构的局部优化。 (3)根据大庆1500 m3乙烯球罐国产化课题及 兰化公司、 东方化工厂乙烯球罐的经验,关键技术、 质量指标应设置高于标准的内控指标。 512 球罐主体材料 我国乙烯球罐的用材组合可采用三种方案:其 一,球罐壳体可选用07MnNiCrMoVDR钢板,人孔、 接 管选用08MnNiCrMoVD锻件,焊条采用J607RH。适 用于容积2000 m3及以下,设计温度在- 40 以上 的乙 烯 球 罐。其 二,可 选 用15MnNiDR钢 板, 09MnNiD锻件,J507RH焊条组合。适用于容积1000 m3以下、 设计温度- 45 以上的乙烯球罐。其三, 09MnNiDR钢板、09MnNiD锻件,W707焊条组合,适 用于容积1000 m3以下、 设计温度- 60 以上的乙 烯球罐。 为了确保球罐主体受压元件用材的可靠性,一 般在设计中对受压元件用原材料及焊接接头应提出 较高的技术要求 :(1) 钢板的低温韧性储备应适当提 高,如规定- 40 冲击功平均值AK V60 J (单个最 低值 42 J) ; (2)球壳用钢板超声波检测级别可作 相应提高,如规定全部I级板交货 ; (3) 锻件可规定 - 40AK V60 J (平均值 ) , 单个最低值 42 J ; (4) 焊条也可规定熔敷金属- 40 的冲击功平均值AK V ·14· 第23卷第6期 压 力 容 器 总第163期 ? 60 J ,单个最小值 42 J。 513 结构形式 球罐单位容积的平均焊缝长度是球罐结构形式 先进与否的重要标志,焊缝少可减少球罐的薄弱环 节,提高安全可靠性。乙烯球罐考虑到低温韧性问 题,选择大板片少焊缝的结构更为重要。在进行结 构设计时应充分利用钢厂所能提供钢板的尺寸,选 择焊缝较少的结构形式。 514 主要技术指标 (1)几何尺寸方面: G B 12337和G B 50094对球片及组装、 焊接后几 何尺寸都有明确规定,在乙烯球罐设计时可以此为 基础进行具体分析,必要时对几何精度进行必要的 提高,有利于球罐使用中受力的均匀性。 (2)焊接工艺要求 根据所选材料的不同,制订严格的焊接工艺并 加以控制。避免因焊接参数控制不当,造成焊接接 头低温韧性下降幅度太大。 (3)焊接接头 可规定焊接接头焊缝金属和热影响区- 40 的夏比 (V 型缺口)冲击试验,冲击功平均值AK V 47 J ,允许有一个试样的冲击功小于规定值,但不得 低于33 J。高于了日本标准规定三个试样都不得小 于27 J。 (4)无损检测 适当增加无损检测的比例和次数可有效防止缺 陷的漏检,可规定球罐无损检测有MT三遍(焊后、 热处理后、 水压试验后各一遍) ;UT三遍(焊后、 热处 理后、 水压试验后各一遍) ;RT一遍(焊后)。 (5)焊缝修磨 乙烯球罐的焊缝修磨很重要,可以防止焊缝的 应力集中。焊缝修磨原则以不损伤母材的基础上尽 量磨平,实际可规定焊缝余高修磨至01 mm。 (6)热处理要求 当球壳板的厚度超过标准规定的免作热处理厚 度时,应进行热处理,但应注意热处理工艺的掌握, 避免因热处理造成接头性能的下降或产生再热裂纹 等缺陷。 6? (1)我国是近年来世界上建造球罐最多的国家。 国内球罐制造的技术及装备都有大幅度提高,已有 能力设计、 建造出任何种类的乙烯球罐。考虑材料 的性能及结构更合理等因素,可以适当进口一些国 外的优良钢材由国内设计、 制造,弥补国内钢材品质 及品种的不足。 (2)对于设计温度- 40 以上的15002000 m3 乙烯球罐,我国已完全具备了国产化能力,只要精心 设计,严格控制原材料的质量、 制造质量和安装质 量,加强各工艺过程中工艺纪律的贯彻是可以建造 出高质量乙烯球罐的。 (3)对于设计温度- 40 以下的容积小于1000 m3的乙烯球罐,我国也完全具备了国产化能力,只 是这类球罐业绩还不多。 (4)对设计温度- 40 以下的15002000 m3 大型乙烯球罐,结合15MnNiNbDR钢的开发,主要技 术问题都已解决,目前正结合工程进行研制,可望实 现国产化。 ?:2006 - 04 - 05 ?:窦万波,教授级高工,在读博士,长期从事石化储 运设备的研制及工程推广工作,通讯地址:安徽省合肥市长 江西路888号。 (?20?) 图2 持久试验结果 ? 1 ValIouree &Mannesman1Tubes P91/ T91 (X10CrMoVNb91) 在电站和锅炉行业的应用R.19991 2 中国机械工程学会焊接学会1 焊接手册1 第二卷 材料 的焊接M1 北京:机械工业出版社,2001 ,391 - 405. 3 杨华勇,屠勇. P91钢管特殊性能试验研究J .压力容 器,2004 ,21(03) :6 - 10. ?:2006 - 03 - 25 ·24· CPVT 我国乙烯球罐现状及国产化中技术要点分析 Vol23.No6 2006