球形储罐建造技术的优化及探讨

球形储罐建造技术的优化及探讨

李祖平

中国核工业二三建设有限公司北京101300

摘要：球形储罐建造工程影响效率关键工作就是现场组装，通过某部中压储气项目球形储罐现场组装实施，采取优化的施工方法，提出了相应的措施和对策，更好地控制壳板错边和角变形，高效率地完成施工任务。

关键词：球形储罐；组装焊接技术；高效施工

前言

球形储罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于市政建设、燃气储存、石油、化工、冶金等工业领域中，以往通常采用预组装、中心立柱拉杆调节安装法组装，组装时不能保证球形储罐赤道带组装质量提高，而且造成了工期的延长，施工速度慢且费力。

通过对储罐组装技术的研究，不断更新球形储罐组装工艺，并在承接的项目上推广应用，对球形储罐项目的成功建造及公司制造安装水平的提升具有重大意义，结合某中压储气项目建造中采用的优化的组装技术，介绍球形储罐组装过程中的要点控制。

一、概述

2012年中国核工业二三建设有限公司在某中压储气项目承接了10台1000m3球罐，罐壁厚度为52mm，由8根立柱、30块罐壳板组成，壳体材质为Q345R；设计压力为2.5MPa；容器类别为三类；球形储罐自重为213.058t；对比常用组装方法，从组装工艺的选择、施工方法的优化、龙门卡具的设计等方面进行了改进。

二、球形储罐组装方法的对比

一般通常采用预组装、中心立柱拉杆调节法进行球形储罐组装施工，就是在预制平台上将赤道带组装完毕后，在罐中心位置立一根立柱，在立柱上安装有用松紧螺栓调节的刚性拉杆，当组装下温带时，利用拉杆联接下温带板，用工卡具将板挂好、卡好、进行校缝，利用调节拉杆上的松紧螺栓慢慢调节，一旦遇有调节量比较大的地方，就很难调节，组装上温带时，由于要固定第一块板，用拉杆进行支撑，本已测好的弦高，却由于中心柱的不稳定，在支撑板时向相反的方向倾斜，造成了误差，在接下来的组装过程中使得每一张板都不能顺利进行，造成组装困难，浪费时间，组装间隙不均匀，还要隔板，使得关门板组装进行困难，最后结果是球形储罐组装几何尺寸难以达到理想的结果，易造成过大的角变形和错口，将增大局部的附加弯曲应力，造成严重的局部应力集中，球罐的质量及安全性都受到严重影响，工期也较长。

本文介绍的建造技术为不预组装，去掉中心柱，利用球形储罐赤道带上部焊接吊耳，克服了中心柱不稳定的特点，避免了壳板在组装过程中位置不固定，上下移动且组装困难的情况，利用倒链本身调节量大、灵活、速度快的优点，改善工作环境、减少高空作业量、提高安全性、降低成本、既保证了组装质量、又减少了组装误差和应力，提高了效率。

三、球形储罐组装要点

1、组装前的准备

在制造厂球壳板出厂前进行预组装、组对间隙、错变量、棱角、赤道线的水平误差等指标严格检查和验收。

对球壳板、支柱、拉杆、人孔及接管等零部件进行现场检验和验收，以保证后续工作的高效进行。

2、球形储罐安装施工程序优化

优化施工程序，相比常用流程省去了中心柱安装和拆卸、地面的预组装、调节拉杆的安装、减少了外胎具、底部安装座圈、斜撑等大量辅助机具，缩短了的工作线路

3、球形储罐组装方法的优化

（1）支柱与赤道带板组焊

支柱下段与赤道板组焊在钢板铺成的钢平台上进行，平台必须保持水平，使用千斤顶调整。根据支柱的长度，赤道板的几何尺寸划线定位，并焊上阻止赤道板移动的挡板。支柱就位后，用水准仪和直尺检查其直线度。

（2）球体（球壳板）吊装

a.球形储罐组装采用50吨吊车单片散装法。

b.球形储罐吊装散装法，吊耳利用方铁（方块板）。

c.球体吊装顺序：赤道带板→下极板→上极板。

d.赤道带板吊装

赤道带板吊装按照排版顺序进行。

在下极侧板吊装前，先焊好专用吊钩；安装时，以赤道板中心标记线为准，球板吊装按顺序进行；利用方铁，顺时针依次吊装下极侧板。用钢丝绳、倒链、专用吊钩，将下极侧板上口与赤道带下口连接在一起。利用内外侧龙门卡具，将下极侧板之间及其赤道带板连接在一起，用这种方法安装下极侧板至封闭。

（4）下极中、边板吊装

安装下极板，按图纸找出接管安装方位，并保护好接管、人孔、法兰面。利用方铁（方块铁）作吊耳，在下极板内侧装上吊钩吊装下极板，并对准安装中心线，用曲率板边测量边安装。利用内侧龙门卡将极板与下极侧板环缝固定在一起，直至封闭。

（5）上极侧板吊装

利用方铁（方块铁）作吊耳，按安装排版图，下口用卡具与赤道带固定，上口用导链拉在预先埋好的锚点（或钢管支撑）上，顺时针依次吊装上极侧板，利用外侧龙门卡具将上极侧板之间与赤道板固定在一起，这样安装至封闭。

（6）上极中、边板吊装

利用方铁作吊耳，吊装上极板，利用外侧龙门夹具将极板与上极侧环缝固定在一起，这样直至封闭。

（7）脚手架搭设

a.罐内脚手架搭设时，应确保安全稳固的原则，并应注意不要与球形储罐内壁相焊接。跳板的铺设应有利于焊工焊接及检测工作的顺利进行。

b.外部双排满架到顶，铺设的跳板应绑扎牢固，外挂三防篷布或采取其他防风、防雨措施。

4、球体壳板错边、角变形控制

（1）球壳板组对错边量的控制

由于焊缝的错边处会产生应力集中，增大焊缝的内应力，使焊缝产生裂纹，所以为避免焊接裂纹的发生，必须严格控制组对时球壳板的错边量。从预制阶段开始在下料、压制、坡口加工的工序上设置停止点，严格检查控制，保证形状尺寸达到安装要求，本球形储罐组对采用了专门优化设计的新型龙门夹具，它是由龙门板、卡帽、圆锥销、楔块组成。本球形储罐所测得的568处的对口错边量都符合国家规范，最大值只有1.5mm（允差≤3mm），对口最大间隙3mm（允差5mm）。

（2）球壳板组对角变形的控制

焊缝角变形过大是引起焊接裂纹的原因之一，为了保证对接焊缝的焊接质量，控制球壳板组对时的角变形是十分重要的。由于球形储罐焊缝坡口形式为不对称X形，焊接程序为先焊外侧再焊内侧，根据焊接反变形原理，其组对角变形尽量控制在负偏差范围内（即直径变小的方向）。这是因为焊外侧焊缝时其熔敷金属相变应力产生向内的角变形，但内侧受点固焊的约束，向内的角变形不大。而焊内侧焊缝时，熔敷金属相变应力产生向外的角变形，再加上焊接热向外热胀的作用，使角变形向外凸出2-3mm，故组对时严格控制正偏差在一个较小的值内（本球罐控制在+3mm以内）。这样足以保证焊接后的角变形正负偏差都在一个较小的范围内。焊后检查角变形为正偏差+5mm，小于标准允差（允差±10mm）。

四、Y形和T形焊缝易产生裂纹的原因及对策

钢材的淬硬倾向，焊接接头中扩散氢的含量及分布、接头所受的拘束应力是引起冷裂纹的主要原因，本球形储罐共有8个Y形焊缝接头和几十个T形焊缝接头，结合现场实践表明，Y形和T形焊缝是产生焊接裂纹的敏感部位，而且现场组焊比在制造厂焊接裂纹倾向更大。这是因为：

（1）由于现场组装焊接受到条件的限制，球壳板纵横两端角变形较大。在现场组装中可能发生强行组对，这样在高应力集中区会叠加组装应力，所以产生裂纹的可能性增大。

（2）球壳板纵横两端分别为多层焊缝重复起弧或熄弧处，均为焊接缺陷的易发区。现场组装时，这些焊缝一般采用立焊，比在制造厂平焊产生焊接缺陷的可能性大。在高应力组焊时，这些缺陷即使是微观缺陷，但在以后的使用中也可能是产生裂纹的启裂点。鉴于以上原因，在本球形储罐施工中采取以下措施：

a.本球形储罐采用了新型龙门夹具，对组对尺寸调节性强，其最大的优点在于它不需焊在球壳板上，不用强行组对，组装应力较小，见图7。

b.球形储罐焊接施工中，施焊顺序为先外侧、后内侧，先纵缝、后环缝，这样有利于焊接变形控制。

c.纵缝采用分段退焊法焊接，每段长度为1—2m，保证了焊接质量，减轻了焊工劳动强度。上下极带环缝由八名焊工对称分布同步施焊，减少了焊接应力。

d.纵缝焊接时，两端设置了引弧和收弧板，可防止两端产生焊接缺陷。

e.严禁在Y形和T形焊缝接头交叉处及周围50mm内引弧或熄弧。

各层T形焊缝接头相互错开50mm，避免了在同一垂直截面上集中。

五、效益分析

通过上述改进技术的实际运用，我们顺利的将全部球形储罐顺利组装完毕，在老工艺下几何尺寸差为40毫米到50毫米，本项目已减小到5毫米到15毫米左右，每台罐的工期已由过去的十五天到二十天缩短到现在的六到七天，每台球形储罐的人工、材料、机械台班费用节省约6万元。

结束语

该法可使用于1000～8000立方米球形储罐现场组装，并且在罐壁上没有出现异常变型现象，外观美观，达到了设计要求。该工程结束后、经过业主实际使用，情况良好，实践证明，以该方法组装球罐工艺简单、成本节约，进度快、工程质量有保证，该施工技术值得在以后的类似项目中推广。

参考文献

[1]GB50094-1998球形储罐施工及验收规范

[2]HG_20583-1998_钢制化工容器结构设计规定

[3]SH/T3512—2002.球形储罐工程施工工艺标准

[4]徐英，杨一凡，朱萍.球罐和大型储罐.第1版.化学工业出版社