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低溫二氧化碳儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)制造

文檔作者：劉叢兵文檔來(lái)源：廣州市特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月28日
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第6期 ．5
低溫二氧化碳儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)制造
劉叢兵
(廣州市特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州51O100)
[摘要]主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料要求、封頭筒體的制造、焊接和熱處理等方面闡述了低溫二氧化碳儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)。
[關(guān)鍵詞]低溫；二氧化碳儲(chǔ)罐；設(shè)計(jì)制造
石油化工及各類工業(yè)裝置中有部分設(shè)備是在
低溫條件下運(yùn)行和使用的，通常把在低于一20℃
下運(yùn)行和使用的壓力容器稱為低溫壓力容器。低
溫壓力容器容易產(chǎn)生低應(yīng)力脆性破壞。低溫壓力
容器的制造質(zhì)量與設(shè)計(jì)理論、材料性能、制造技
術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等多
方面因素有關(guān)。各國(guó)壓力容器規(guī)范對(duì)該類容器的
設(shè)計(jì)、制造都有嚴(yán)格的規(guī)定。本文以實(shí)例對(duì)低溫
二氧化碳儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行總結(jié)和闡述。該例
的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。
表l 容器設(shè)計(jì)參數(shù)
項(xiàng)目 參數(shù)
設(shè)計(jì)壓力 2．2MPa
工作壓力 2．0MPa
設(shè)計(jì)溫度 -40℃
工作溫度 一40～一20℃
工作介質(zhì) 液化二氧化碳
設(shè)備規(guī)格 2800×22×9730姍
容積 57m3
主要材料 16MnDR(正火)
1低溫二氧化碳儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)
1．1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮應(yīng)力集中對(duì)低溫脆斷的影
響。鋼材隨著使用溫度的降低，會(huì)由延性狀態(tài)向
脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，降低了抗沖擊性能。結(jié)構(gòu)不連續(xù)
引起的局部高應(yīng)力以及焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力都會(huì)
引起應(yīng)力集中， 很可能成為脆斷的起源。對(duì)于接
近韌一脆轉(zhuǎn)變溫度的鋼材，僅由于殘余應(yīng)力就可
能發(fā)生脆性破壞。為減少結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致的局部
高應(yīng)力， 使結(jié)構(gòu)具有足夠的柔性，應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)要
求達(dá)到GB150—1998附錄C的規(guī)定：a1結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)
單，減少約束；b)避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度梯度；c)應(yīng)
盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化， 以減少局部高應(yīng)
力；接管端應(yīng)打磨成圓角，呈圓滑過(guò)渡；d)容器的
支座或支腿需設(shè)置墊板，不得直接焊在殼體上[1】。
如對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)，開(kāi)孔的局部補(bǔ)強(qiáng)為了減少
應(yīng)力集中，應(yīng)采用厚壁管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)， 而不采用
帶有補(bǔ)強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。為避免結(jié)構(gòu)形狀的突然
變化，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)要求：a)接管與殼
體的連接，采用全焊透結(jié)構(gòu)；b 由于機(jī)械加工、焊
接或組裝引起的容器表面損傷如劃痕、焊疤、弧
坑等缺陷， 均應(yīng)予以修磨清除。其它的一些措施
在焊接部分做了詳細(xì)說(shuō)明。
低溫二氧化碳儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)及
工藝要求均綜合考慮了上述情況。
對(duì)于殘余應(yīng)力的消除， 一般應(yīng)通過(guò)合理的焊
接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊后熱處理來(lái)達(dá)到。
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圖I 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1．2材料技術(shù)要求
選材時(shí)，應(yīng)了解介質(zhì)特性及使用工況。介質(zhì)
為液化二氧化碳， 工作溫度．40～ ．20℃ ，綜合考
慮材料的機(jī)械性能、物理性能及制造工藝性能要
求，簡(jiǎn)體及封頭材質(zhì)選用16MnDR (正火狀態(tài))。
16MnDR鋼板應(yīng)符合GB353 1一l996《低溫壓力容
器用低合金鋼板》規(guī)定，鋼板表面不允許存在裂
紋、氣泡、折疊和夾雜等對(duì)使用有害的缺陷；對(duì)
材料化學(xué)成分和力學(xué)性能、彎曲性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，
● ? ? ● ? ●● ● ? -● ● ●? ? ● ● ● ● ● ? ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● - ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
作者簡(jiǎn)介：劉叢兵(1973一)，男，安徽安慶人，工程師，碩士，
從事壓力容器壓力管道檢驗(yàn)工作。
一
6一 ■論文廣場(chǎng) 石油與化工設(shè)備 2010年第13卷
化學(xué)成分應(yīng)重點(diǎn)注意S、P的含量，力學(xué)性能主要
應(yīng)注意對(duì)低溫沖擊功的要求。低溫設(shè)備對(duì)突然的
載荷變化非常敏感，在受到?jīng)_擊時(shí)，材料可能沒(méi)
有時(shí)間產(chǎn)生正常的滑移過(guò)程就發(fā)生脆性開(kāi)裂，其
低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)溫度
為．40℃ ，試樣取樣方向?yàn)闄M向，沖擊功值應(yīng)不
低于27J【2】。此外，鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行100％超聲波探
傷，按JB／T4730—2005要求的III級(jí)合格。
接管等鍛件的材質(zhì)選用1 6MnDIII，螺栓材料
選用35CrMoA，應(yīng)進(jìn)行．40℃ 的低溫v型缺口沖擊
試驗(yàn)，沖擊功值應(yīng)不低于27J。此外，16MnDIII鍛
件應(yīng)逐件進(jìn)行超聲波探傷[]】。
2低溫二氧化碳儲(chǔ)罐的制造
2．1封頭和簡(jiǎn)體的制造
封頭采用熱壓成形，注意封頭板材拼接的焊
接工藝評(píng)定的熱處理為正火+退火， 壓制前先將
板材在爐內(nèi)加熱~tJ910±20~C，保溫30分鐘后出爐
壓制，注意控制終壓溫度不低于650~C，為保證與
簡(jiǎn)體的順利裝配，應(yīng)控制其尺寸精度，壓制成形
后，進(jìn)行100％射線檢測(cè)，符合JB／T4730．2005要求
的II級(jí)合格，若是成形前做的射線檢測(cè)，則成形后
在圓弧過(guò)渡段應(yīng)再做一次射線檢測(cè)， 以防止壓制
過(guò)程中圓弧過(guò)渡段出現(xiàn)裂紋。
筒體的下料應(yīng)根據(jù)封頭端口外圓周長(zhǎng)按中徑
展開(kāi)，第一節(jié)筒節(jié)在卷制過(guò)程中應(yīng)做好詳細(xì)記錄
以作為后續(xù)筒節(jié)卷制的基礎(chǔ)，包括滾壓壓力、滾
壓來(lái)回次數(shù)、滾壓成形的筒節(jié)周長(zhǎng)伸長(zhǎng)量、成形
后的壁厚等。應(yīng)保證每節(jié)筒節(jié)卷制后的橢圓度不
超過(guò)2．8mm。
2．2整體焊接
低溫二氧化碳儲(chǔ)罐制造最關(guān)鍵工序是焊接，
尤其應(yīng)注意改善焊接接頭的韌性、防止晶粒粗大
和應(yīng)力集中，整個(gè)焊接過(guò)程要按照焊接工藝嚴(yán)格
執(zhí)行， 否則焊接接頭的性能就可能達(dá)不到規(guī)定要
求，導(dǎo)致設(shè)備不能正常使用。焊接要求如下：
2．2．1焊材要求
手工電弧焊焊條采用J507RH， 自動(dòng)埋弧焊焊
絲采用H10Mn2，焊劑采用SJ102；手工鎢極氬弧
焊焊絲采用ER70S—G。焊條應(yīng)按批次進(jìn)行藥皮含
水量或熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的復(fù)驗(yàn)。
2．2．2焊前準(zhǔn)備
①對(duì)A、B類焊縫和人孔D類焊縫坡口各30mm
范圍內(nèi)進(jìn)行清理，直至露出金屬光澤為合格，所
有的點(diǎn)焊縫都不得存在裂紋、未熔合、氣孔、夾
渣和弧坑等缺陷，否則在焊接過(guò)程中要磨去。
② 檢查坡口尺寸是否符合工藝要求，重點(diǎn)是
坡口的對(duì)接接頭的錯(cuò)邊量和管與管法蘭的間隙。
2．2．3焊接要求
焊接過(guò)程中主要影響低溫鋼焊接接頭晶粒
度， 直接影響低溫沖擊韌性的工藝因素為焊接線
能量。
焊接線能量公式H】：
Q=IU l v
式中：Q— — 焊接線能量，J／cm；
卜焊接電流，A；
【，。一電弧電壓，V：
y一焊接速度，cm／S；
由公式可看出：焊接電流、電弧電壓增大，
焊接速度減小會(huì)使焊接線能量值增大，使焊縫冷
卻凝固緩慢，焊縫組織變得粗大， 晶界間的結(jié)合
力降低，最終使低溫沖擊韌性顯著降低。相反，
焊接電流、電弧電壓減小， 焊接速度加快則有利
于焊縫獲得細(xì)晶粒度，從而保證焊縫具有良好的
低溫韌性。另外，新焊縫對(duì)上一層焊縫有回火作
用， 正常線能量的回火作用會(huì)使上一層焊縫的晶
粒細(xì)化，改善性能。但大的線能量會(huì)造成回火溫
度高， 降低低溫沖擊韌性。
為此，焊接工藝要求： 為避免焊縫金屬及熱
影響區(qū)出現(xiàn)晶粒粗大、韌性降低，宜用快速多道
焊以減少焊道過(guò)熱，并通過(guò)多層焊的重?zé)嶙饔眉?xì)
化晶粒。焊接時(shí)焊條盡量不擺動(dòng)，采用短弧窄焊
道， 焊接電流不宜過(guò)大， 電壓不宜過(guò)高，施焊過(guò)
程中必須嚴(yán)格控制熱輸入量，不準(zhǔn)超過(guò)焊接工藝
評(píng)定熱輸入量的上限。
此外，焊道之間應(yīng)均勻搭接， 交接處不應(yīng)形
成凹槽、咬邊等缺陷。不得在受壓元件上打材料
標(biāo)記和焊工鋼印等。焊接工藝評(píng)定和產(chǎn)品焊接試
板都應(yīng)進(jìn)行焊縫和熱影響區(qū)的低溫夏tLv形缺口沖
擊試驗(yàn)。
2．2．4焊縫外觀要求
對(duì)接接頭焊縫余高應(yīng)盡量小， 對(duì)于超標(biāo)部
分應(yīng)平滑修磨； 所有角接頭角焊縫不應(yīng)有急劇的
形狀變化，必須圓滑過(guò)渡，焊縫盡量有一定的凹
陷， 以使焊縫與母材相連處平緩過(guò)渡，不形成階
梯；焊縫表面不得有裂紋、氣孔和咬邊等缺陷。
2_3無(wú)損檢測(cè)
熱處理前，對(duì)A、B類對(duì)接接頭應(yīng)進(jìn)行100％射

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