3 000m3液態二氧化碳球形儲罐設計

馬慶生，李 棟，郭 亮，侯遠大，鐘 秒，沈冬旭

（鞍山華信重工機械有限公司，遼寧鞍山 114200）

中國提出 “2030年碳達峰，2060年碳中和”目標以來，全球應對氣候變化的力度在不斷加強，碳捕集與封存（CCUS）能力的提升日益重要。據全球碳捕集與封存研究院年度旗艦報告，2020年全球CCUS 能力增長了33%，連續四年保持了增長態勢。全球目前共有65 座處于不同階段的CCUS 商業設施，到2050年全球需要至少2 000 座CCUS設施，而當前部署速度遠遠落后于此。球形儲罐在我國化工、石化領域中發揮著重要作用，是二氧化碳CCUS 裝置重點開發對象之一。目前我國在用液態二氧化碳球形儲罐的容量大多集中在400～2 000 m3，設備殼體使用的鋼種局限于16MnDR、15MnNiDR、15MnNiNbDR 等抗拉強度下限值低于530 MPa 的低溫壓力容器鋼種，單體設備壁板厚、質量大、建造成本高，大型化發展困難。文中基于某3 000 m3液態二氧化碳球形儲罐設計實例，總結大型低溫液態二氧化碳球形儲罐使用工況、操作特點、材料選用、結構設計、應力分析設計、制造及安裝技術、保冷絕熱等設計要點。

1 3 000 m3 大型液態二氧化碳球形儲罐材料選擇

1.1 主體材料

液態二氧化碳球形儲罐設計壓力高、設計溫度低，其主體受壓元件材料應選擇強度高且低溫韌性好的材料。目前國內石化裝置在用的液態二氧化碳球罐球殼板材料通常為16MnDR、15MnNiDR、15MnNiNbDR 等，近年來國產高強度調質鋼板在壓力容器上得到了廣泛應用，其中最具代表性的是07MnNiMoDR 鋼。07MnNiMoDR 鋼低溫使用溫度達到-50 ℃，沖擊功性能指標KV2不低于80 J，準抗拉強度下限值比15MnNiNbDR 鋼種提高17.3%，可以有效降低球殼板設計厚度，節約建造成本。07MnNiMoDR 鋼板的力學性能、工藝性能符合3 000 m3液態二氧化碳球形儲罐對材料選擇及低溫操作工況的要求，而且已經應用于多臺低溫球形儲罐的建造。

1.2 附加要求

鞍山華信重工機械有限公司設計的3000 m3液態二氧化碳球形儲罐，主體制造材料選用07MnNiMoDR 鋼板，并對07MnNiMoDR 鋼板提出其他7 個方面的附加要求，包括①所有鋼板進行二次模擬焊后熱處理（2SR），熱處理條件為（575 ±15）℃×3 h。②對鋼板進行-50 ℃橫向1/4 板厚沖擊試驗，沖擊功性能指標KV2平均值不低于100 J，單個值不低于70 J。增加-50 ℃橫向1/2板厚沖擊試驗，沖擊功性能指標KV2平均值不低于80 J，單個值不低于56 J。③鋼板進行落錘試驗。按照GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法》［1］，采用P-2 型試樣，以脆性轉變溫度低于-60 ℃為合格。④鍛件采用NB/T 47009—2017 《低溫承壓設備用合金鋼鍛件》［2］中的10Ni3MoVD 鋼鍛件，人孔鍛件級別為Ⅳ級，其余接管法蘭鍛件級別為Ⅲ級，鍛件應具有5級或更細的實際晶粒度，晶粒度按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》［3］進行測定。⑤鍛件非金屬夾雜物A、B、C、D 和Ds 類夾雜物均低于1.5 級，A 和C 類夾雜物低于2.5 級，B+D+Ds 類夾雜物低于2.5 級，且總和不高于4.5級。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》［4］檢驗非金屬夾雜物。⑥鍛件逐件按照NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》［5］進行100%超聲檢測，檢測結果應符合NB/T 47009—2017 中表4 的規定。鍛件中不得有裂紋、白點、夾層、折疊和夾雜等缺陷。⑦焊接材料選用昆山京群焊材科技有限公司與合肥通用機械研究院合作研發的J607RHDQ 焊條，焊條各項性能指標應符合NB∕T 47018.2—2017 《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件第2 部分:鋼焊條》［6］中E6215-N5M1要求，焊條熔覆金屬化學成分滿足表1 指標，焊條熔覆金屬力學性能滿足表2 指標。

表1 J607RHDQ 焊條熔覆金屬化學成分%

表2 J607RHDQ 焊條熔覆金屬力學性能

2 3 000 m3液態二氧化碳球形儲罐設計

2.1 設計參數

3 000 m3大型液態二氧化碳球形儲罐存儲介質為液態二氧化碳，球殼材料為07MnNiMoDR，罐體直徑為18 000 mm，全容積3 054 m3，介質密度1 115 kg/m3。設計壓力為2.3 MPa，工作壓力為2.16 MPa，設計溫度-15 ～-40 ℃，工作溫度-17～-35 ℃，腐蝕裕量1.0 mm，裝量系數0.9，焊接接頭系數1.0，容器類別Ⅲ類，設計使用年限20a，保冷材料為聚氨酯發泡，保冷厚度300 mm。

2.2 幾何數據

液態二氧化碳球罐公稱容積為3 000 m3，依據GB/T 17261—2011《鋼制球形儲罐型式與基本參數》［7］的規定，球罐內直徑確定為18 000 mm，相應的支柱底板底面至球殼赤道平面的距高確定為12 000 mm。按照傳統方法設計3 000 m3球形儲罐，受鋼廠軋制能力、運輸高度、工廠球殼板油壓機壓制能力等限制因素的影響，通常為12 支柱4帶混合式結構，各帶球心角度分別為上極帶90°、上溫帶40°、赤道板50°、上極帶90°，該排版結構對應的焊縫總長度為585 m。

鞍山華信重工機械有限公司采用具有自主著作權的《球形容器殼板計算軟件》［8］對傳統設計進行優化。通過多次排版計算，并結合國內大型鋼廠軋制能力及工廠油壓機壓制能力現狀，最終將球殼結構定為3 帶混合式結構，支柱數量為10根，球殼板總數34 塊，各帶球心角度為上極帶為105°、赤道板為75°、上極帶為105°，最大球殼板尺寸為3 350 mm×10 780 mm，球殼板材料利用率達到了85%，該排版結構焊縫總長度只有448 m。優化后，球殼板分片減少，球殼板焊接長度減少，有利設備的穩定運行，同時降低了設備的運行維護成本。

球殼板與支柱結構采用鞍山華信重工機械有限公司擁有知識產權的專利技術 《一種改善球罐支柱與球殼連接a 點應力的加強結構》［9］，采用該結構形式后支柱與球殼連接部位的應力水平極大降低。

2.3 工藝管口

液態二氧化碳球形儲罐共設有工藝功能管口17 個，包括人孔、物料進口、物料出口、放空口、氣相平衡口、排污口、壓力計口、溫度計口、液位計口等。其中人孔尺寸為DN500 mm，其余工藝管口尺寸在DN25 mm ～DN250 mm，壓力等級為4.0 MPa。液位計口設有導波管，導波管結構采用鞍山華信重工機械有限公司專利技術 《一種球形儲罐遠傳液位計導波管與下極帶板滑動連接裝置》［10］進行設計，有效降低了液位計使用過程中的導波管撓度變形。氣相口采用鞍山華信重工機械有限公司專利技術 《一種液化烴球形儲罐氣相平衡管裝置》［11］, 實現了設備液體充裝過程氣相壓力均衡，保證了設備介質充裝過程安全可靠。溫度測量裝置采用鞍山華信重工機械有限公司專利技術《一種低溫球形儲罐多點溫度計保護套管裝置》［12］，有效保障了設備計量裝置的使用安全可靠和量值傳遞準確。

2.4 補強設計

液態二氧化碳球形儲罐上、下極中板共計開設17 個工藝管口，且同時分布在?2 500 mm 的中心圓上，開孔補強成為一個關鍵點。球殼的名義厚度不小于38 mm，不可采用補強圈進行補強，依據SH/T 3138—2003《球形儲罐整體補強凸緣》［13］中A747 型凸緣進行人孔補強，其它接管的補強采用厚壁接管的補強方式。

2.5 球殼名義厚度

已知計算壓力pc=2.46 MPa、球殼的內徑Di=18 000 mm、載荷組合系數K=1、，設計溫度下應力強度Sm=254 MPa，滿足pc＜0.4KSm條件，按照JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》［14］中的公式（7-4）及圖表進行球殼名義厚度δ 計算。

按上式計算得δ=43.7 mm。按照腐蝕裕量0 mm、鋼板負偏差0.3 mm 綜合考慮，取名義厚度為47 mm。

3 3 000 m3液態二氧化碳球形儲罐有限元分析設計

3.1 結構建模

基于球殼厚度等于47 mm，同時考慮拉桿作用進行建模，按照分析計算結果滿足強度評定要求進行模型整體結構及全部接管結構的有限元應力計算及評定。根據球罐整體結構對稱特性和承載對稱特性，在有限元模型構建中，取球形儲罐的1/2 構建有限元分析簡化模型。液態二氧化碳球形儲罐整體模型見圖1。

圖1 球形儲罐整體模型

設置位移邊界條件為，①球形儲罐對稱面法向位移為0。②支腿下端Δx=Δy=Δz=0（總體笛卡爾坐標系）。球形儲罐本體及支柱結構采用ANSYS軟件中的20 節點三維實體單元(SOLID95)，拉桿采用ANSYS 軟件中的2 節點三維拉桿單元(LINK10) 。

設置4 種載荷工況。工況1 載荷為自重+ 計算壓力，工況2 載荷為自重+ 計算壓力+ 風載，工況3 載荷為自重+ 計算壓力+25%風載+ 地震載荷，工況4 載荷為壓力試驗。工況1～工況4 載荷計算中，重力加速度均取9.81 m/s2，計算壓力均為2.3 MPa。工況2 載荷計算中基本風壓數值取400 Pa，工況3 載荷計算中抗震設防烈度取7 度（0.10g），工況4 載荷計算中假定球形儲罐充滿水介質，試驗壓力p試=2.875 MPa。

考慮到自重、風壓和地震載荷對球形儲罐人孔及接管局部結構有限元分析分析結果影響甚微，建立相應有限元模型時忽略其影響，只考慮計算壓力載荷。接管端面等效拉力pet按下面的公式計算。

式中：Dit為接管內徑，Dot為接管外徑。

3.2 應力分析

有限元分析采用ANSYS 軟件，得到了液態二氧化碳球形儲罐正常操作工況的力學邊界和風載荷邊界圖、4 種載荷工況應力分布云圖，分別見圖2 和圖3。

圖2 液態二氧化碳球形儲罐應力分析力學邊界和風載荷圖

圖3 4 種工況下液態二氧化碳球形儲罐應力分布云圖

3.3 強度評定

依據JB 4732—1995（2005年確認），參照GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》［15］進行應力強度評定。通過應力強度最大節點（對于球形儲罐整體分析，是球殼上的應力強度最大節點），并沿壁厚方向的最短方向設定應力線性化路徑，相對高應力強度區沿壁厚方向設定路徑。

3.3.1 整體強度

工況1、工況3、工況4 下液態二氧化碳球形儲罐整體結構應力線性化分析路徑設定見圖4。

圖4 工況1、工況3 和工況4 下液態二氧化碳球形儲罐應力線性化路徑

工況1 下應力強度最大點位于球殼外壁，支柱與球殼相接的上部邊緣處；工況3 下應力強度最大點位于球殼內壁，支柱與球殼相接的最下部邊緣；工況4 下應力強度最大點位于球殼外壁，支柱與球殼相接的下部邊緣。工況2 下液態二氧化碳球形儲罐的最大應力值為482.743 MPa，小于工況3 的最大應力值658.074 MPa，可判定Fe+0.25FW大于Fw。式中Fe為球罐的水平地震力，Fw為球罐的水平風力。作用于球形儲罐的水平載荷Fmax?。‵e+0.25Fw）與Fe中較大者，按照GB/T 12337—2014 中的載荷計算規定，可以確定工況2 應力強度評定結果與工況3 應力強度評價結果一致。

工況1、工況3、工況4 下應力類別、數值及強度評定結果見表3。

表3 工況1、工況3 及工況4 下液態二氧化碳球形儲罐應力評定結果

3.3.2 人孔及接管

液態二氧化碳球形儲罐的人孔及各管口強度分別按設計載荷（2.46/2.3 MPa）、工作載荷（2.16/2.32 MPa）條件進行評定，最大應力S1=241.4 MPa＜254 MPa, 滿足SⅠ≤KSm，SⅡ在58.52 ～335.7 MPa，滿足SⅡ≤1.5KSm，SⅣ在93.22～445.3 MPa ,滿足SⅣ≤3Sm，各管應力評定結果合格。

4 3 000 m3液態二氧化碳球形儲罐制造及安裝工藝要求

4.1 球殼板

4.1.1 工藝

球殼板應采用多點冷壓成型工藝，球殼板成型時應緩慢壓至所規定的曲率，嚴禁急劇成型。球殼板成型應在0 ℃以上進行。每塊球殼板應完整，不得采用拼接形式制成。成型球殼板表面不允許存在長度等于及大于0.3 mm 的機械損傷，對局部損傷部位應打磨圓滑過渡。球殼板成型后的最小厚度不得小于圖樣所標注的厚度。

4.1.2 偏差

球殼板成型后幾何尺寸允許偏差為，①長度方向弦長L 允差為±2 mm，長度方向弧長允差不大于2 mm。任意寬度方向弦長B 允差為±2 mm，寬度方向的弧長允差不大于1.5 mm。對角線弦長D 允差為±2.5 mm，兩條對角線應在同一平面上，用兩直線對角測量時，兩直線的垂直距離偏差不得大于4 mm。

4.1.3 坡口

球殼板的焊接坡口應采用自動切割法一次成型，坡口角允許偏差為±2.5o，坡口鈍邊允許厚度偏差為±1 mm，坡口鈍邊中心允許位移偏差為±1 mm。

4.2 開孔接管焊接要求

4.2.1 組焊

對于凸緣或接管與極中板的組焊，制造單位應進行07MnNiMoDR 與10Ni3MoVD 鋼種J607RHDQ焊條的焊接工藝評定，評定項目符合NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》［16］中相關要求。人孔組焊、法蘭與凸緣或接管的組焊以及上段支柱與赤道板組焊，均應在球殼制造單位進行。

4.2.2 對焊

人孔凸緣、接管與極板的焊縫，法蘭與10Ni3MoVD 鍛鋼接管的對接焊縫，以及上述焊縫的定位焊道，應選用J607RHDQ 焊條焊接。支柱與球殼板連接的焊縫選用J607RHDQ 焊條焊接，接管與法蘭焊接采用氬弧焊焊接，焊絲牌號TGS-60A。

4.2.3 接頭

對人孔凸緣與上下極中板的對接接頭，應按照NB/T 47016—2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》［17］制做產品焊接試件，并進行模擬焊后熱處理，要求進行拉伸試驗、沖擊試驗和側彎試驗，拉伸試驗合格指標為Rm≥610 MPa，沖擊試驗合格指標為-40 ℃下3 個試樣平均沖擊功KV2≥60 J，側彎試驗指標為d=4a（180°）。

4.2.4 檢查

開孔接管焊接后，應對開孔極板周邊100 mm范圍內及開口中心1 倍開孔直徑范圍外，用弦長2 000 mm 的樣板檢查曲率，最大間隙不得大于2.5 mm。人孔凸緣與極板對接焊縫形成的棱角E（包括錯邊），應打磨成圓滑過渡，用弦長2 000 mm的樣板檢查，最大間隙應小于或等于2.5 mm。

4.3 無損檢測

球殼板與凸緣的對接焊縫及所有凸緣、接管與長頸法蘭的B 類焊縫應進行100% 射線檢測及100%的超聲檢測復驗。所有球殼板上的A、B、D 類焊縫及支柱與球殼板的角焊縫內外表面應進行100%的磁粉檢測。射線檢測按照NB/T 47013—2015 中的Ⅱ級驗收，射線檢測技術等級不低于AB 級。超聲檢測按照NB/T 47013—2015 中的Ⅰ級驗收，超聲檢測技術等級不低于B 級。磁粉檢測按照NB/T 47013—2015 中的Ⅰ級驗收。

4.4 現場組裝要求

球殼板的組對間隙（2±2）mm，球殼板的對口錯邊量應不大于2 mm，用弦長不小于1 000 mm 的樣板測量對接接頭，棱角不應大于4 mm，組對間隙、錯邊量和棱角的檢查應沿對接接頭每500 mm測量一點。

支柱安裝時，找正后應在球形儲罐徑向和周向測量支柱的垂直度，其垂直度允許偏差應不大于10 mm，測量方法按GB/T 12337—2014 中的規定。

4.5 現場焊接及無損檢測要求

所有受壓元件的焊接應采用焊條電弧焊，焊接應在焊接工藝評定所確認的范圍內，嚴格控制焊接線能量和層間溫度，選擇較小的焊接線能量，采用窄焊道多層多道施焊，確保焊縫的沖擊韌性指標。

球形儲罐正式施焊前必須按NB/T 47014—2011 進行焊接工藝評定，應掌握該鋼種的焊接工藝和焊接性能，且符合GB/T 12337—2014、GB 50094—2010《球形儲罐施工規范》［18］中規定。

焊接前應檢查坡口，將坡口表面和兩側至少20 mm 范圍內的油污、水分、鐵銹及其它有害雜質清除干凈。表面不得存在咬邊、裂紋、氣孔、弧坑及夾渣等缺陷，焊接接頭上的熔渣及兩側的飛濺物應打磨清除干凈。焊前應對焊縫表面進行預熱，溫度為100～150 ℃。所有受壓焊縫焊后應立即進行焊后消氫處理，后熱溫度為200～250 ℃，后熱時間為0.5～1 h。

球形儲罐的焊接順序應按照先縱焊縫、后環焊縫，先外坡口、后內坡口的順序進行焊接。按GB/T 12337—2014 中相關規定制作平焊+ 仰焊、立焊2 塊產品試件，試樣制備及試驗方法應符合NB/T 47016—2011 中的相關規定。產品焊接試件的熱處理應與球形儲罐一起進行，試驗后力學試驗結果符合4.2.3 條要求。

球殼上的所有對接焊縫及凸緣、接管與長頸法蘭的對接焊縫應進行100%射線檢測，經100%的射線檢測合格后，再對該焊縫進100%的超聲檢測復查，包括全部T 型、Y 型接頭。其中射線檢測應符合NB/T 47013—2015 中規定的Ⅱ級要求，射線檢測技術等級不低于AB 級。超聲檢測應符合NB/T 47013—2015 中規定的Ⅰ級要求，超聲檢測技術等級不低于B 級。球殼上的所有對接焊縫及凸緣、接管與長頸法蘭的對接焊縫在水壓試驗后再進行100%的超聲檢測復查，包括全部T型、Y 型接頭。超聲檢測應符合NB/T 47013—2015 中規定的I 級要求，超聲檢測技術等級不低于B 級。

4.6 球形儲罐焊后整體熱處理及水壓試驗要求

按照GB/T 30583—2014 《承壓設備焊后熱處理規程》［19］、GB/T 12337—2014、GB 50094—2010 中相關的要求進行，熱處理溫度為（575 ±15）℃，恒溫時間不得小于1.88 h。當溫度升到400 ℃以后，控制加熱速度在50～80 ℃/h。降溫速度控制在30～50 ℃/h，降至400 ℃以下時可在空氣中自然冷卻。在400 ℃以上階段，球殼表面上任意兩測溫點的溫差不得大于120 ℃。恒溫階段加熱區內最高與最低溫度之差不應大于65 ℃。保溫層外表面的溫度應不高于60 ℃。

水壓試驗壓力為2.88 MPa，水壓試驗時水溫不得低于5 ℃。試驗時壓力應緩慢上升，當上升至1.44 MPa 時，保壓10 min，然后對球形儲罐的所有焊縫和連接部位進行滲漏檢查，確認無滲漏、無異?，F象后繼續升壓。當壓力升至設計壓力2.16 MPa 時，保壓10 min，再次進行滲漏檢查，確認無滲漏、無異?，F象后繼續升壓。當壓力升至試驗壓力2.88 MPa 后，保壓時間不少于30 min，然后將壓力降到設計壓力2.16 MPa，保壓足夠時間進行檢查，檢查期間壓力應保持不變，以無滲漏、無其他異?，F象為合格。

4.7 防腐及保冷要求

制造、安裝和檢驗合格的球形儲罐內、外表面應進行噴砂除銹，除銹等級應達到GB/T 8923—2011 《鋼鐵表面處理技術通用要求及分類》［20］中規定的Sa2.5 級要求，并對球形儲罐外表面進行厚度為300 mm 的聚氨酯發泡保溫處理，支柱托板以下涂耐火極限不少于2 h 的防火涂料。

5 結束語

采用07MnNiMoDR 及配套國產化接管鍛件、焊接材料設計3 000 m3及以上大型液態二氧化碳球形儲罐是我國重大技術裝備建造國產化的成功案例，本項目的設計成果對我國3 000 m3及以上大型液態二氧化碳球形儲罐等重大技術裝備的國產化進程可起到一定的推進作用。