大型天然气球罐的设计和材料选用

大型天然气球罐的设计和材料选用*王冰**陈学东吴正亚呼德龙合肥通用机械研究所合肥市燃气集团公司王冰陈学东等大型天然气球罐的设计和材料选用，油气储运，2003,22815~19摘要通过回顾钢制球形储罐的发展历史，分析了国内球形储罐建造技术的现状及其与国外的差距，对西气东输大型天然气球形储罐的选材、结构方案及建造技术进行了探讨，提出了大型天然气球罐建造两种选材方案主题词天然气球罐设计材料比选

一、球罐概况我国球罐制造始于上世纪50年代末60年代初，当时建造的球罐容积大多在1000m3以下20世纪70年代引进3台8250m3的液氨球罐，80-90年代引进多台5000~10球罐作为一种高效的储存容器，在石油化工、冶金、城000m3的天然气球罐1980年以来，我国的球罐设计、制造、组装、焊接与检验技术水平得到迅速提高我国境内建市燃气等行业得到了广泛的应用，储存介质涵盖了丙烷、造的部分大型球罐情况见表lo丁烷、丙烯、乙烯、液化石油气、液氨等液化气体、氧气、、球罐的发展趋势3氮气、天然气和城市煤气等气体大型化单台球罐容积不断增大，可节省投资、减少

1、球罐的特点1占地面积、降低运行费用与同样容积的圆筒形容器相比，球罐的表面积最小，1高参数运行压力从的真空度到十几个兆帕，

20.093消耗材料最少运行温度从℃的低温到℃的高温-250850承受压力载荷的球罐受力均匀，而且在相同的直径2多品种有针对低温深冷操作的双层壳结构球罐、铝3和工作压力条件下，球壳的薄膜应力只为圆筒形容器的一半，制球罐等容器壳体厚度大大降低、我国大型球罐建造技术存在的差距4球罐风力系数约为而圆筒形容器风力系数约为

30.3,近年来，我国大型球罐建造技术虽然提高很快，但与工因此对于风载荷而言，球罐比圆筒形容器更安全

0.7,业发达国家相比还有一定差距以个典型球罐制造企业的3球罐支承结构简单，易于实现大型化4有关数据为例，一个是日本新日铁公司年月公布的

19985、球罐的历史与现状2资料，另外两个是国内南北两个具有代表性的球罐制造企业球罐最早出现在世纪末世纪初，早期的球罐为1920截止年月的资料，见表表对比结果表明，2001122〜6钾接结构第二次世界大战以后，随着焊接技术的发展，球在容积为1000~3000m3的球罐上，3个企业基本相当，罐制造由钾接改为焊接，世界各工业国家先后着手建造、使而在容积以上的球罐上，日本企业比国内两个企3000rr用焊接球罐美国于年、苏联于年、日本于194119441955业技术先进得多，尤其是10000m3以上的球罐，国内两个年、西德于年分别建造了一些压力较高、容量较大的1958企业尚无业绩从表和表还可以56球罐*230031,安徽省合肥市长江西路888号;电话:看出，国内两个企业制造的球罐主体材料为

一、强度级别低是制约国内球罐大型化发展的重要的分另占16MnR U

70.6%和由此可见，材料品种单因素

76.5%表我国境内建造的部分大型球罐1建造地区容积m3内径数量（座）储存介质设计压力球壳板厚度建造时间球壳材料mm（MPa）（mm）北京5000212904天然气K-TEN62CF

0.

8626.51986WEL-TEN62CF10000267402天然气

0.

8634.01988NK-HITEN62UWEL-TEN62CF天然气在建10000267408A738B

1.

0338.0河南4000197002液氨SA516Gr

700.501989四川5000206002液氨SA537CL

10.

7832.61990上海天然气35001885010WEL-TEN62CF

1.

5338.01998成都5000212203天然气SA537CL

11.

2029.0-

30.01996西安10000217304天然气SA537CL

11.

0535.0-

37.01999咸阳天然气5000212003NK-HITEN62U

21.

0332.01999重庆3300185402天然气18G2ANb

1.

3730.01990大连8000248002c NK-HITEN62U

20.

8030.0-

32.019984天津5000212006天然气16MnR

0.

8030.01999广东3500188502LPG NK-HITEN62U

21.

6042.02000表日本新日铁公司座球罐容积表我国南方某制造企业座球罐所用材料21945326球罐容积（m3）球罐数量（座）所占比例%球罐数量（座）所占比例%材料

10003317.016MnR WH

51023070.61000-

30003061.9SPV355N

164.93000〜

100003015.5SPV490Q

154.

610000115.6LT

5020.6WEL-TEN610CF

6319.3表我国南方某制造企业座球罐容积3216表我国北方某制造企业座球罐所用材料球罐容积球罐数量所占比例6158m3（座）%球罐数量所占比例材料（座）%

10008238.01000-

300012758.820R

31.93000-

1000073.216MnR WH

51012176.51000000SPV355N

117.015MnNbR WH

53010.6（国产）CF-62表我国北方某制造企业座球罐容积

117.04158NK-HITEN610U

2117.0球罐容积球罐数量所占比例（座）%m3总结我国大型球罐的建造经验，球罐大型化目

10002314.6前存在的主要问题如下1000-

300011774.0（）材料国外常通过限制球罐壳板的厚度来3000〜

100001811.41避免现场整体热处理,这意味着大型球罐必须使用1000000高强度钢我国从世纪年代开始生产为现多采用集两者之长的混合瓣型式，即赤道带、温带采用桔2080o610MPab的CF—62钢，但因板幅小，性能尚不够稳定，而且很长一瓣式分瓣结构，极带采用足球瓣式分瓣结构段时间只有个别企业能够生产，这就限制了这种钢在大型球虽然《钢制球形储罐形式与基本参GB/T17261-1998罐上的应用目前虽已有所改观，但仍不能满足球罐大型化数》对球壳分瓣型式作了推荐性的规定，但是设计者还应根的需要据球壳板材料的供货和运输以及压制成型的球壳板的运输条高强度钢的焊接性能和焊接技术高强度钢淬硬倾向2件，尽量采用大尺寸的球壳板，这样不仅可以缩短球罐对接明显，对焊接方法、焊接材料、坡口型式、焊接热量输入、焊缝的总长度、减小现场焊接工作量，而且有利于保证球罐焊接工艺及气候环境等影响十分敏感，施焊时对焊接工艺规最终质量的可靠性典型的参数及球壳分瓣型式见表7范的要求极为严格，稍有不慎，焊接接头就容易产生硬化、表典型的大型天然气球罐参数及球壳分瓣型式70脆化和裂纹国内曾发生过多起在用和在建的高强度钢球罐开裂事故球罐容积球壳内径设计压力球壳重量m3mm MPat设计我国球罐的设计标准采用的是常规设计，即为3建立在第一强度理论最大主应力理论基础上的传统设计方

3000180001.55305法，而国外已开始采用分析设计，对球罐上的应力分类加以

5000212001.35425控制，从而减小球罐壁厚，使结构更趋合理

8000248001.

1558010000268001.05675

二、大型天然气球罐的设计球罐容积球壳板对接焊分瓣型式数量缝总长m3块m、设计标准与规范1带柱混合式

300041054527.80球罐是一种特殊的储存式压力容器，目前大多数国家带柱混合式

500041054621.23还没有单独的球罐设计、建造规范，而是按统一的压力容器带柱混合式

800051286910.51带柱混合式规范进行设计，如美国的、英国的、法国的

10000514981121.83ASME BSCODAP注球壳名义厚度为38mm，主体材质为CF-62等规范日本的也没有专门的球罐分篇，但日本高压气JIS体安全协会曾制定专门的球罐规范KHK S0201《球形储罐2人孔与接管GB12337-1998规定，球罐一般应在技术规范》，对日本乃至我国球罐的建造技术曾产生过重要上、下极板各设置一个人孔，便于建造、使用及检验时人员、影响近年来，日本液化石油气协会也曾编制《液JLPA201机具的出入对于必须进行焊后整体热处理的球罐，则上、化石油气球罐标准》，对液化石油气球罐的管理体制、材料、下人孔应设在球罐的垂直中心线上目前，大型球罐人孔多结构、制造、检验、修补、附属设备、涂装和标志等进行了采用整体锻件凸缘结构进行补强，使开孔部位应力分布更趋详细规定合理我国是继日本之后又一个对球罐制定专门的设计、建根据储存物料情况和工艺要求，球罐一般应设置物料造标准的国家年机械部、石油部和化工部颁布了三1982进出口、仪表接口以及排污口等接管是球罐的应力集中部部标准《球形储罐设计规定》，年经大幅度修订，该1990位，也是检验的薄弱环节为了提高接管的安全性，目前大标准升格为国家标准《钢制球形储罐》，目前GB12337-90型球罐多采用锻件厚壁管或整体锻件凸缘结构为了便于工使用的是该标准的版此外，关于球1998GB12337-1998艺操作与控制，接管的位置应尽量集中在上、下极板罐的现场组焊、检验及验收，还有国家标准GB50094-1998支承结构球罐支承结构有多种型式，最常用的是赤3《球形储罐施工及验收规范》，该标准的前身即为建设部管道正切式球罐支承结构主要有支柱、拉杆、支柱底板和地理的施工国家标准GBJ94-86o脚螺栓等组成对于大型球罐，支柱一般分为两段或多段，、结构设计这样一方面方便运输，另一方面可使支柱上段材质与球壳板2相同，而下段采用普通结构钢，避免支柱与球壳板连接成为球壳分瓣型式球罐多采用现场组焊，即在制造厂内1异种钢焊缝支柱、拉杆设计不仅应考虑球罐在操作和水压分瓣制造并运抵施工现场，球壳的组装、焊接及无损检测等试验等工况条件下的压力、重量（包括设备自重和储存介质均在现场完成常见的球壳分瓣型式有桔瓣式、足球瓣式，重量）等载荷，而且应顾及当地的地质情况以及风载荷、地川崎River Ace610A12-38-30-100震等载荷38-60-20~100住友SUMITEN610F12~60-20~

100、锻件与焊接材料2

三、大型球罐材料的选用国内在开发钢板的同时，完成了配套07MnCrMOVR锻件和配套焊条的开发，为国08MnNiCrVD PP-J607RH、球壳板用钢1产钢在压力容器及其它工程结构中的应用打下了焊CF-62目前，国内生产的球壳板用钢主要有16MnR、接基础国内已有多家企业可以生产这些配套材料，质量稳15MnNbR.07MnCrMOVR.07MnNiCrMOVDR.定（按日本标准生产）等，进口球壳板用钢主SPV355N JIS在引进钢板的球罐建造中，早期配套锻件和焊接材料要有、、SPV355N SPV490Q NK-H1TEN61OU都同时引进，如世纪年代北京引进的座208045000n等NK-HITEN610U

2.WEL-TEN610CF及两座10000m3天然气球罐，配套锻件为HW50EQ和（）俗称国产07MnCrMOVR07MnNiCrMOVDR CF］（前者为日本牌号，后者为按美国标准生A350LF ASTM钢，是目前国内唯一的标准抗拉强度在以上的-62610MPa产的锻件），配套焊条为（日本神户制钢生产）LB-62UL压力容器用钢，自上世纪年代研制成功以来，在压力容80和（日本新日铁生产）；年代上海引进的座L-60s90103器，尤其是球罐上的应用取得了一定进展迄今为止，已建500m3天然气球罐，配套锻件为SFL1（日本牌号），配造50~2000m3的各类球罐近百座但由于该钢在很长一套焊条为（日本日铁溶接生产）近年来，随着国L-62CF段时间内只有一家钢铁公司能够生产，而且因生产线不能提产锻件质量技术指标的逐步提高，即使主体材料选用进□CF供宽厚板，限制了该钢在以上球罐上的应用目2000m3钢板，配套锻件也可采用国产锻件-6208MnNiCrMOVD前，已有另外两家钢铁公司能够生产这种钢板，且可提供如陕西咸阳座天然气球罐，球壳板材料采用35000m大尺寸板材因此，国产CF-62钢在3000m3以上的天配套焊条采用（日本神户制NK-HITEN610U2,LB62-ULS然气球罐上应用的条件已基本具备钢生产），而锻件则采用国产08MnNiCrMOVD统计数据表明，目前国内在用的3000m3以下球罐多采用国产钢板，而3000m3以上的球罐多采用进口钢板

四、结论例如，上海天然气输配公司10座3500m3天然气球罐采用日本新日铁公司生产的大连石化公司两WEL-TEN610CF,近年来，国内大型球罐在制造、安装技术等方面取得座球罐采用日本钢管公司（）生产的8000rr NKKNK-了长足的进步，为大型球罐的建造奠定5000~10000n北京市天然气储配系统先后引进的座H1T-EN610U2o45了工艺与装备基础000m3及两座10000m3天然气球罐，则分别采用WEL-和两种钢板，这两种钢是TEN610CF NK-HITEN610U2日本钢的典型代表，也是进口钢在大型球CF-62CF-62罐上使用业绩最好的按照《压力容器安全技术监察规程》（版）第199922条第款要求，国内首次使用标准抗拉强度下限值不高于4的国外材料，必须经国家技术监督行政部门授权610MPa的有关认证机构的评审截止目前，已完成认证评审的有和日本川崎制钢的、NK-HITEN610U2River Ace610A日本住友金属的种钢板批准的使用范SUM-ITEN610F o3围见表80表种经过评审的进口钢板数据83生产厚度设计温度材料牌号厂商mm（℃）NK-HITEN610U2NKK50-20-50防腐保温!（埋地钢质管道外防腐层的腐蚀机理郭生武一方军锋郝晓晨王志宏邓军孝（中国石油天然气集团公司管材研究所）（陕西省天然气有限责任公司）郭生武方军锋等埋地钢质管道外防腐层的腐蚀机理，油气储运，2003,22

（8）19〜22摘要介绍了埋地钢质管道外防腐层有机覆盖层的防腐蚀机理，分析了有机防腐覆盖层与阴极保护的关系，指出了三层聚乙烯防腐层、熔结环氧粉末防腐层和液体环氧涂料的优缺点，推荐采用固体聚氨酯防腐涂料作为管道外100%防腐层的补口材料，并提出了提高覆盖层有效性的途径主题词埋地管道外防腐层腐蚀机理分析一710065,陕西省西安市电子2路32号，电话；

（029）8726181随着管道建设规模的扩大，对管道外防腐层有机涂料由于有机高分子的几何尺寸大于腐蚀剂分子的需求量不断增大，埋地钢质管道外防腐涂料的原料供应、（如和）及离子（如一），成膜过程中一般带有0H Ocl22生产、工厂预制、现场涂覆、维修已形成规模，与之相适针孔等缺陷，还有第三方破坏造成的损伤，致使有机覆盖应的设备配套、原料、配方、施工工艺研发日趋成熟因层不能起到绝对的隔离作用，而透气性和透水性又使得腐此，探讨外防腐层的防腐蚀机理，对于长输管道外防腐层蚀介质容易透过覆盖层到达钢铁表面由于透过有机覆盖有机覆盖层的研发、生产、选用、施工、维修具有实际指层的水和氧高于裸钢腐蚀时所耗水和氧的速度，致使覆盖导意义层的导电性提高导电性是有机覆盖层致密性和绝缘性的表征，优良的致密性和低导电性将大大提高有机覆盖层的

一、有机覆盖层的防腐蚀机理防腐蚀能力、附着作用（粘结）

3、隔离作用⑴良好的附着力能抵抗有机覆盖层起泡和抗阴极剥离1覆盖层起泡的原因，一是水透过有机覆盖层使覆盖层处于所谓隔离就是将钢铁与环境隔离，阻止环境中的腐蚀低劣的湿态附着状态，此时水和溶解在水中的腐蚀剂直接剂到达钢铁表面欧洲有观点认为，有机覆盖层能够抵御与钢接触，引起腐蚀，当腐蚀进行时，产生的、Fe2+OFT湿气，防止钢铁腐蚀从这个观点出发，德国开发了聚乙造成覆盖层下的渗透压池，渗透压达到2500〜3000kPa,烯防腐层，即2PE而覆盖层的形变力为6〜40kPa,因此形成泡而膨胀，剥离、绝缘作用2覆盖大型天然气球罐球壳分瓣型式，应以球壳板材料的供锻件采用08MnNicrMOVD,焊条采用PP-J607RH；二是锻货与运输情况和球壳板成形后的运输条件为基础，尽量采用件国产，其余进口，球壳板材料采用NK-HITEN610U

2、大尺寸钢板配套锻件采用08MnNicrMOVD,焊条采用LB62-ULS（日本神户制钢生产）这两种方案各有其技术经济优势大型天然气球罐建造有两种可选的材料方案，一是全部采用国产材料，其中球壳板材料采用配套（收稿日期2002-10-11）07MncrMOVR,编辑刘春阳。