摘要：在液氨应力腐蚀条件下，从选材、球壳结构、支柱与球壳连接结构等方面对2000m3液氨球罐进行了分析、探讨.
关键词：液氨球罐；液氨应力腐蚀；球壳分带；Q370R;
一、概述
随着近年来化工技术、冶金技术及城市燃气工业的迅猛发展，球形储罐（以下称为球罐）与相同容积的其他储存容器相比，其具有表面积小、重量 轻、受力均匀，建造方便、美观等优点，被广泛的应用于石油化工及冶金等行业，用于储存气体、液化气体及液体。与此同时，随着社会生产力的进步，球罐规格逐渐走向高规格，高参数，对其选材、制造、检验手段也提出了更高的要求。本文对一台2000m3液氨球罐，从选材、球壳结构等方面进行分析，阐述了球罐选材及其结构的重要意义。
二、球罐设计参数
球罐直径 mm 15700 介质 液氨
公称容积 m3 2000 密度 kg/m3 560
操作容积 m3 1820 充装系数 0.9
操作压力MPa（G） 1.43 场地土类别 II类
操作温度 ℃ 40 基本风压N/m3 450
设计压力MPa（G） 1.8 基本雪压N/m3 250
设计温度 ℃ 45 地震设防烈度 7度
三、球罐选材
球罐用钢是设计和制造的基础，恰当的选材，可确保球罐的安全使用，又能保证其经济合理性。液氨球罐的选材，必须从抗腐蚀性、强度、刚度、焊接方法、焊后热处理要求等多方面因素做综合考虑。
1、液氨的腐蚀机理
液氨应力腐蚀，是最为危险的腐蚀破坏形式之一。通常，无水液氨只对钢材产生轻微的均匀腐蚀，但盛装液氨的容器在充料、排料及检查过程中容易受到污染，大气中的氧和二氧化碳能促进液氨的应力腐蚀，反应中产生的氨基甲氨酸对碳钢具有强烈的腐蚀作用，它使钢材表面钝化膜在拉伸应力的作用下发生滑移导致破裂，并沿着此处产生阴极型的应力腐蚀裂纹。此应力腐蚀不在钢材表面留下宏观的破坏痕迹，也不会减薄容器的壁厚，只是由内及里沿纵深方向形成裂纹，往往是缺陷还未被发现的情况下突然断裂。
2、防腐蚀对材料的要求
芬兰检测技术中心针对压力容器在液氨环境中预防应力腐蚀的研究，提出了TTK指令：推荐盛放液氨的压力容器用钢屈服强度最大值为350MPa，屈服强度超过450MPa的钢材不适用于制造盛放液氨的容器；日本斗本弘毅等学者的研究结果则认为：液氨引起低碳钢和低合金钢的应力腐蚀开裂与材料的硬度有密切的关系，当硬度值HV>210或屈服强度大于540MPa时，就可能产生应力腐蚀开裂。实践证明，材料的强度越高，发生应力腐蚀的可能性越大，但不发生应力腐蚀的最低强度限与杂志含量及特性、应力大小、操作速度等因素有关。为防止应力腐蚀，在综合考虑操作压力、残余应力以及安全性和经济性的情况下，应尽可能选用强度较低的钢材。
3、材料的可焊性与屈服极限
材料的可焊性一般以碳当量Ceq和裂纹敏感性组织Pcm的大小来衡量。当钢材的Ceq不大于0.45%时，认为其可焊性良好；当钢材的Pcm不大于0.2%时，认为其可焊性良好。
根据标准GB/T12337-2014《钢制球形储罐》，国内建设大型球形储罐主要用钢采用0245R、Q345R、Q370R（老标准为15MnNbR）、07MnCrMoVR等钢材。但Q245R许用应力太低，设备厚度太厚，此次选材不考虑。07MnCrMoVR则是采用低碳多元微合金以严格控制碳当量Ceq和裂纹敏感性组织Pcm，并通过合理的调质热处理获得强韧比最佳的组织结构，从根本上保证了其良好的焊接性能和低温韧度，但其屈服强度大于490MPa,不耐液氨腐蚀，故不宜使用。Q370R（屈服强度350MPa级）是在Q345R基础上添加元素Nb,提高了钢材的强度和韧性，其强度和韧性都优于Q345R，力学性能稳定，焊接性能好，有良好的的抗冷裂纹性，具有良好的抗液氨腐蚀性能。价格上，与Q345R相比，二者相差不大。所以能够很大程度提高球罐使用的安全可靠性，是大型球罐的理想用钢,也满足了我国大型球罐用钢的迫切需求。
4、结合经济合理性对比
对于上述可选用的Q345R、Q370R两种钢材进行综合计算，得到的选材方案如下表：
Q345R Q370R
焊接性能 较好 好
耐腐蚀性能 较好 好
球壳厚度（mm） 48 44
球壳重量（吨） 280 260
球罐重量（吨） 325 310
单台造价（万元） 约420 约422
综上所述，通过各方面对比，本台液氨球罐选取Q370R作为主材。
四、球壳的结构优化
1、球壳的结构形式：球壳几何尺寸的设计原则为是，少分带，尽量加大球片的几何尺寸，减少焊缝长度，但是球壳板尺寸受到钢板幅面以及压力机能力的制约．所以，球壳板几何尺寸的大小应根据实际情况决定。目前，球壳的结构形式主要有以下3种：
（1）桔瓣式：球壳的的瓶装焊缝规则，施工组装简单，但球壳板尺寸规格多，互换性差，板材的利用率低，焊缝总长度较长。
（2）足球瓣式：分瓣少，材料利用率高，焊缝总长度少，但对钢板的规格冲压成型要求较高，现场组装复杂。
（3）混合式：指桔瓣式与足球瓣式的简单组合形式，兼具两者的优点，焊接工作量、焊接用材料以及能源消耗也是最小的。
2、球壳结构分带优化分析
结合目前国内的生产制造情况，本台液氨球罐着重考虑混合式分带结构。设计过程中，根据我国现行标准GB/T17261《钢制球形储罐型式与基本参数》，可得出以下两种方案：
（1）第一种（见图1）：选取4带10支柱结构，球壳板块数仅54块，焊缝数量多，设备生产周期长。
（2）第二种（见图2）：选取3带10支柱结构，球壳板总块数相比4带10支柱结构减少了20块，焊缝长度减少了120m，这意味着相对于第一种方案，球罐现场组焊的工作量大大的减少，板材利用率提高了4%，，泄漏点减少了，球罐的安全性也得到了提高。
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图1 混合式4带10支柱结构
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图2 混合式3带10支柱结构
随着冶金技术的不断提高，大尺寸球壳板技术的成熟，综合考虑球罐的总体造价及施工周期的要求，本台液氨球罐最终采用混合式3带10支柱的球壳结构。
五、开孔补强
大型球罐的补强一般采用这两种结构：厚壁管补强（见图3）和整体锻件凸缘补强（见图4）。厚壁管补强结构简单，节省材料，但厚壁管与球壳焊接处角焊缝底部的清根困难，边缘处应力交际中。较整体锻件凸缘补强大大降低了应力集中部位峰值应力的数值，且凸缘与球壳板的连接采用对接结构，便于焊缝的焊接及无损检测。
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图3 厚壁管补强 图4 整体锻件凸缘补强
本台液氨球罐的设计，公称直径不大于100mmm的接管补强，采用厚壁管补强结构，为降低边缘处应力集中系数，适当增大厚壁管壁厚，加大过度圆弧半径；公称直径大于100mmm的接管补强，采用整体锻件凸缘补强，以便于焊接和无损检测。
六、支柱与球壳的连接结构
球壳支柱是用来支撑球壳及其附件和物料载荷的重要部件。我国现行标准GB/Tl2337—2014《钢制球形储罐》中，支柱与球壳以赤道正切连接，可采用以下3种结构：a直接连接形式、b加U形托板、c长圆形结构。其中，a直接连接形式不能保证支柱与球罐焊缝下部的焊接质量，所以，该结构不常使用。b结构加U形托板制造工艺较简单，消除了焊接死角，被多数制造厂采用。本液氨球罐采用加托板的结构。
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图5 支柱与球壳的连接结构
七、结束语
通过对2000m3液氨球罐材料的分析对比选用、分带结构、开孔补强、支柱与球壳连接结构等方面的分析和探讨，可看出材料和结构对于球罐建造的意义之大。合理的选材和结构，不仅涉及到具体强度计算中壁厚的确定、材料检验要求、焊接工艺评定、焊后检验、热处理要求等方面，而且能提高材料利用率，互换率，更能减少焊接工作量，从而减少裂纹缺陷产生的安全隐患。所以球罐材料的选用和结构的设计，需做全面的考虑，确保球罐安全使用，同时又经济合理。
参考文献
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［3］GB/T17261-2011《钢制球形储罐型式与基本参数》，国家质量监督检验检疫总局，中国标准出版社2011
［4］陈慧媛.浅析液氨压力容器应力腐蚀及预防措施[J]. 2009,(5):523.doi:10.3969/j.issn.1001-9960.2009.05.409.
作者简介：
姓名：罗君子，女，中共党员，1987年7月出生。2009年毕业于天津大学化工学院过程装备与控制工程专业，2009年7月-2017年4月就职于中国化学赛鼎工程有限公司，从事非标设备设计，2014年被评为工程师；2017年5月起投身于贵阳铝镁设计研究院有限公司非标设备的设计。工作过程中参与的项目较为广泛：涉及合成氨，尿素，煤制天然气，煤制甲醇，焦炉气制甲醇，甲醇制芳烃，焦化，TDI，BDO，硝酸硝铵，苯酚丙酮，苯胺硝基苯，氧化铝、碳素等等。至今，已累积了11年丰富的设计经验，拥有过硬的专业能力，具备较强的团队领导及协调能力，能保证非标设备保质保量的完成。