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修淑英 北京燕化石油化工股份有限公司设计院 内容摘要 目前，国内使用的低温乙烯球罐用钢板大部分仍是从国外引进的，尽管近几年来一些大型乙烯球罐开始采用国产板，但为数不多。本文主要介绍了东方化工厂1000m3乙烯球罐的设计。如设计选材、设计参数的确定、整体方案设计、球壳壁厚的确定、支柱结构设计以及焊后整体热处理、对制造安装的技术要求等，并作了简单的理论分析。 关键词：乙烯球罐 设计要点 乙烯球罐国产化，是我国发展的必然趋势。过去，由于我们没有成熟的乙烯球罐的合适用材，乙烯球罐绝大多数是从国外引进，为了将乙烯球罐逐步实现国产化，以满足石油化工发展的需要，作为工程设计人员有责任在保证安全和满足现行规范要求的前提下，尽可能选用国产材料。 1 设计选材 球罐采用国产CF-62钢，即低焊接裂纹敏感性钢，它除具有良好的焊接性能外，还具有较好的低温韧性。CF-62钢(即07MnNiCrMoVDR)是综合性能较高的新一代高强度钢。国产CF-62钢板保证值为:－40℃，三个标准试样低温冲击功平均值AKV≥47J，单个值≥33J。国产CF-62钢板具有较低的焊接裂纹敏感性组成(Pcm≤0.21)，所需预热温度较低，焊接施工环境可得到明显改善，采用国产CF-62钢板，球罐造价大大降低，与进口相比，一台1000m3球罐可节约300万人民币，经济效益非常可观。特别是大庆1500m3乙烯球罐已首先实现国产化，并在1994年通过国家鉴定，1995年3月投用至今运行情况良好。兰化的乙烯球罐也已实现了国产化。国产CF-62钢已具备制造大型低温乙烯球罐的条件。在此东方化工厂乙烯球罐的国产化已是势在必行。 综上所述，在设计选材时，决定东方化工厂1000m3乙烯球罐壳体板采用07MnNiCrMoVDR，锻件采用与之配套的08MnNiCrMoVD，焊条采用J607RH（PP.J607RH）。 2 设计参数的确定 原东方化工厂1000m3乙烯球罐是意大利TPL公司设计，操作温度为－27℃，设计温度取为－45℃，设计压力为2.2Mpa(顶部)，球壳板材质为日本的LT50-V-50G，如设计温度照搬国外仍取－45℃，那么，根据我国现行规范将无材可选，只能引进，为此设计小组进行了深入细致的讨论和分析，以大庆1500m3乙烯球罐为例，大庆地处我国东北，乙烯球罐的操作温度为－27℃，设计温度取为－30℃，对钢板和焊缝要求必须保证－40℃低温韧性指标，这符合我国规范。日本川崎为我公司化工一厂承制的四台乙烯球罐，球罐操作温度-30.1℃，操作压力为18.4Kgf/cm2,设计温度为-31℃，设计压力为21Kgf/cm2,已经正常运转二十多年了，而且使用的钢板是日本－40℃级的低温钢，有关球罐操作的实践调查，结论是燕化乙烯球罐在正常操作时从来没有出现过低于－40℃的情况。没有出现过不等于不可能出现，例如球罐的置换、预冷、倒空等工况失控或违反操作法，是有可能出现低于－40℃的情况。严格在规定的条件下操作，设备是可以安全稳定运行的。纵观以往引进的乙烯球罐各项参数进行的分析和目前乙烯球罐的现状，也充分考虑了我国今后乙烯的发展趋势，公司及时组织有关部门召开了关于东方化工厂1000m3乙烯球罐设计温度－40℃安全性论证，认为乙烯球罐运行过程中只要严格执行操作规章制度，球罐的操作和设计温度均不会低于－40℃。我们同时也查阅了有关标准规范，我国HGJ14-89《钢制化工容器设计基础规定》规定：介质工作温度小于-20℃时，设计温度取介质正常操作温度减0～10℃。在石化公司SH3074-95《石油化工钢制压力容器》规定：当最高或最低工作温度≤-20℃时，设计温度应为介质正常操作温度减0～10℃或取最低介质温度。故东方化工厂乙烯球罐设计温度取为-40℃，完全符合我国现行规范的要求，而在制造技术条件中，则对钢板、锻件实物水平的冲击功温度做了更加严格限制（包括熔敷金属），对冲击功的数值作了适当的调整提高。这些超规范的要求，既考虑到今后发展的需要，也保证了钢板和焊缝的低温韧性储备，提高球罐整体的安全裕度。 球罐设计参数如下： （a）公称容积：1000m3（b）球壳内直径：φ12300mm（c）存储介质:乙烯 （d）操作压力:2.0MPa(顶部)（e）设计压力:2.2MPa(顶部) （f）操作温度：－27℃（g）设计温度:－40℃ （h）壳体材质：07MnNiCrMoVDR（i）名义厚度：δn=38mm（钢板负偏差≤0.25） 3 球罐的设计方案的确定 方案一：球壳内直径φ12300mm，采用混合式四带排板，最大板宽(弧长)为1932.1mm，最长板长(弧长)为6830.9mm，球体共54块板，支柱10根。焊缝总长360m。方案二：球壳内直径为φ12300mm，采用混合式三带排板，最大板宽(弧长)2415.1mm，最长板长（弧度）为8032.3mm球壳共30块板，支柱8根，焊缝总长270m。 因方案一采用四带结构，虽然板宽较小，但其环焊缝较长，球罐的环焊缝存在很大内应力，一般地说，如果有裂纹出现，那么大部分裂纹出现在球罐的环焊缝上，大庆1500m3球罐焊后残余应力测试，充分证明了这一点。其次，这个方案也没有最大限度地利用板宽，造成浪费。过长的焊缝，加大了焊接工作量，甚至会造成安全隐患。 为避免焊缝过长，就要适当加大球壳板几何尺寸，但要考虑国内轧机能力、钢厂钢锭的吨位，由此而计算出钢板的厚度、轧机宽度及定尺F、能生产出来的钢板长度等。为此设计小组（包括我院与合肥通用所）、钢铁研究总院、及其他合作单位与钢厂协商，在各个方面作出了巨大努力，保证钢板最大宽度。经过方案比较（见表一），选择第二种方案。 表一 分带数 各带球心角 | 
