四、球形罐的制作和安裝

球罐為大容量、承壓的球形儲存容器。球罐與立式圓筒形儲罐相比，在相同容積和相同壓力下，球罐的表面積最小，故所需鋼材面積少;在相同直徑情況下，球罐壁內(nèi)應(yīng)力最小，而且均勻，其承載能力比圓筒形容器大1倍，故球罐的板厚只需相應(yīng)圓筒形容器壁板厚度的一半。故采用球罐，可大幅度節(jié)省鋼材30%?45%;此外，球罐占地面積較小，基礎(chǔ)工程量小，可節(jié)省土地面積。

因此，球罐被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等部門，用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質(zhì)的儲存容器。

(一)球罐的構(gòu)造與分類

1.球罐的構(gòu)造

球罐由本體、支柱(承)及附件組成。其結(jié)構(gòu)外形見圖4.3.4。

(1)球罐本體。球罐本體是球罐結(jié)構(gòu)的主體，它是球罐儲存物料、承受物料工作壓力和液體靜壓力的構(gòu)件。它是由殼板拼焊而成的一個圓球形容器。由于球殼體直徑大小不同，球殼板的數(shù)量也不一樣，球殼有環(huán)帶式(橘瓣式)、足球瓣式、混合式三種結(jié)構(gòu)形式。

(2)球罐支柱(承)。是用于支承球罐本體重量和儲存物料重量的結(jié)構(gòu)部件，有柱式、裙式半埋入式及高架式支座多種。

(3)球罐的附件。

1)梯子平臺。一般球罐設(shè)置頂部平臺和中間平臺，頂部平臺是工藝操作平臺。中間平臺是為了操作人員上、下頂部平臺時中間休息或作為檢查球罐赤道部位外部情況而設(shè)置的。

2)人孔和接管。人孔是為了操作人員進(jìn)出球罐進(jìn)行檢驗和維修而設(shè)置的，同時也用于現(xiàn)場組裝焊接球罐時進(jìn)行焊后整體熱處理、進(jìn)風(fēng)、燃燒口和煙氣排出等。

3)水噴淋裝置。球罐上裝設(shè)水噴淋裝置是為了儲存的液化石油氣、可燃?xì)怏w和有毒氣體的隔熱需要，同時也可起消防保護作用。

4)隔熱和保冷設(shè)施。隔熱和保冷一般是為了保證儲存介質(zhì)的一定溫度。儲存液化石油氣、可燃性氣體和液化氣及有毒氣體的球罐和支柱，應(yīng)該設(shè)置隔熱設(shè)施。球罐儲存低溫物料 (如乙烯、液氨等)時應(yīng)設(shè)保冷裝置。

5)液面計。為觀測球罐內(nèi)液位情況，一般在儲存液體和液化氣體的球罐中裝置液面計。

6)壓力表。為了測量球罐內(nèi)的壓力而設(shè)置壓力表。考慮到壓力表由于某種原因而發(fā)生故障或由于儀表檢查而取出等情況，應(yīng)在球殼的上部和下部各設(shè)一塊壓力表。

2.球罐分類

球罐的結(jié)構(gòu)是多種多樣的。通常按照外觀形狀、殼體構(gòu)造和支承方式的不同來分類。

(1)按形狀分為圓球形和橢球形罐。

1)圓形單層純橘赤道正切柱式支承的球罐，這種球罐由殼體、支柱、拉桿、操作平臺、爬梯及各種附件等組成。在某些情況下，罐內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)梯，外部設(shè)有隔熱保溫層或防火水噴淋管等。

2)橢球形罐。橢球形罐是在常溫下貯存蒸汽壓比大氣壓稍高的揮發(fā)性液體用的低壓容器。使用它是為了防止在將揮發(fā)性液體裝人普通貯罐內(nèi)時會產(chǎn)生蒸發(fā)損失。它特別適合于貯存車用汽油和天然汽油。這種橢球形罐特殊形式，與普通圓筒形貯槽相比顯著不同。從節(jié)約材料來說，使用這種貯罐形狀最好，球殼板承受液壓和氣壓的能力比圓筒形貯槽好得多。

(2)按殼體層數(shù)分為單層殼體和雙層殼體。

1)單層殼體球罐。單層殼體球罐最常見，多用于常溫高壓和高溫中壓球罐。

2)雙層殼體球罐。由外球和內(nèi)球組成，由于雙層殼體間放置了優(yōu)質(zhì)絕熱材料，所以絕熱保冷性能好，適用于液化氣或超高壓氣體的儲存，目前使用不多。

(二)球罐的安裝施工

1.球罐的拼裝方法

(1)分片組裝法。

1)基礎(chǔ)驗收找平、地腳螺栓二次灌漿固定。支柱基礎(chǔ)的地腳螺栓孔一般都是預(yù)留孔，地腳螺栓為兩次灌漿固定。進(jìn)行混凝土灌漿時，要隨時測量檢查，以免搗固時地腳螺栓移位。

2)支柱對接。支柱對接要防止安裝彎曲錯位或不同心。對大型球罐上部支柱已預(yù)先焊在赤道板上，但需要在現(xiàn)場與下部支柱對接。

3)安裝赤道板。首先安裝帶支柱的赤道板，可以用機械吊車或桅桿進(jìn)行起吊。當(dāng)帶支柱的赤道板吊裝在基礎(chǔ)上，用鋼絲繩及手動葫蘆固定張緊，初步調(diào)整其垂直度。接著再用同樣方法安裝第二塊帶支柱的赤道板，它安裝在相鄰的第二個基礎(chǔ)上，安裝完后，用連通管或水平儀測量調(diào)整其垂直度;高度偏差可用基礎(chǔ)上的墊鐵調(diào)整。

當(dāng)相鄰兩支柱臨時固定后，即安裝兩支柱間的赤道板，找平上、下口，調(diào)整好對口間隙，用夾具固定。采用同一方法，將整圈赤道板組裝完畢，并檢查及校正水平度、球面曲率及上、下口直徑的幾何尺寸和橢圓度，然后進(jìn)行點固焊。

4)安裝中心柱。當(dāng)赤道帶板最后一塊板組對前，在罐中心臨時安設(shè)中心立柱。

中心立柱一般用無縫鋼管制成，分四節(jié)用法蘭連接。中心柱J：有固定吊耳，可利用起吊和固定上、下溫帶板之用，還可支撐傘形腳手架。

5)安裝其他各帶板。上、下溫帶板的安裝要考慮減少高空作業(yè)，盡可能在地面平臺上將兩塊或三塊先對接焊成組合件，然后再組裝。

溫帶板的組焊可以利用一塊溫帶板墊實作為胎具，在此胎具上進(jìn)行兩塊溫帶板的組對和點焊。點焊好及用工卡具打緊后放在焊接胎具上進(jìn)行預(yù)熱，然后由兩名焊工從兩端往中間進(jìn)行焊接。背面則由兩名焊工從中間往兩端進(jìn)行焊接。焊接完后進(jìn)行X射線檢查，達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為止，就可以吊裝就位。上、下溫帶板安裝完后，拆除中心柱，最后安裝上、下極板。

6)分片組裝法主要施工方法及工序見表4.3.3所列。

采用分片組裝法的優(yōu)點是施工準(zhǔn)備工作量少，組裝速度快，組裝應(yīng)力小，而且組裝精度易于掌握，不需要很大的吊裝機械，也不需要太大的施工場地;缺點是高空作業(yè)量大，需要相當(dāng)數(shù)量的夾具，全位置焊接技術(shù)要求高，而且焊工施焊條件差，勞動強度大。分片組裝法適用于任意大小球罐的安裝。

(2)拼大片組裝法。拼大片組裝法是分片組裝法的延伸。在胎具上將已預(yù)熱好、編了號的相鄰兩片或多片球殼瓣拼接成較大的球殼片，然后吊裝組焊成球殼體。組合的球殼片瓣數(shù)的多少要根據(jù)吊裝能力確定。拼大片組裝法由于在地面上進(jìn)行組裝焊接，減少了高空作業(yè)，并可以采用自動焊進(jìn)行焊接，從而提高了焊接質(zhì)量。

(3)環(huán)帶組裝法。環(huán)帶組裝法一般分兩種，一種是在預(yù)制廠先將各環(huán)帶預(yù)制成型，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場組裝，這種方法常受各種限制，比較大的球罐很少采用。大多數(shù)施工單位一般都是在現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)制并組裝。在臨時鋼平臺上，先后將赤道帶，上下溫帶、上下極板分別組對焊接成環(huán)帶，然后將各環(huán)帶組裝焊接成球體。

各環(huán)帶組裝成球有兩種方法：

1)先安裝下溫帶再安裝赤道帶。方法是根據(jù)圖紙把下溫帶(包括極板)吊放在安裝座圈上，然后吊裝赤道帶并與下溫帶組對焊接，再分裝球罐支柱。最后吊裝上溫帶(包括極板)進(jìn)行組對找正、焊接成型。

2)先安裝赤道環(huán)帶再組裝下溫帶。方法是首先吊裝赤道帶，就位后找平，先按設(shè)計規(guī)定把下溫帶大口向上吊裝到球罐基礎(chǔ)中心方位，再進(jìn)行支柱安裝。支柱間拉桿螺栓預(yù)緊。

環(huán)帶組裝法組裝的球殼，各環(huán)帶縱縫的組裝精度高，組裝的拘束力小，減少了高空作業(yè)和全位置焊接，施工進(jìn)度快，提高了工效。同時也減少了不安全因素，并能保證縱縫的焊接質(zhì)量。

環(huán)帶組裝法現(xiàn)場施工時，需要一定面積的臨時鋼平臺，占用場地大;組裝時需用的加固支撐較多;組成的環(huán)帶重量較大，.組裝成球時需較大的吊裝機械。另外，環(huán)縫組對時難以避免強制性組裝，因而強裝焊接后產(chǎn)生較大的應(yīng)力。環(huán)帶組裝法一般適用于中、小球罐的安裝。

(4)拼半球組裝法。首先搭設(shè)平臺，然后在平臺上畫出赤道帶大口徑的內(nèi)、外圓弧線、瓣片的平面投影線和赤道帶小口的投影線，并沿大口內(nèi)、外圓線，每隔500mm處內(nèi)交錯焊接臨時定位角鋼，然后沿大口圓周用水準(zhǔn)儀測量二十個水準(zhǔn)點(每塊瓣片兩個點)及圓中心點。在安放第一塊瓣片時，須沿大口中心線錯開200mm處。為保證安裝準(zhǔn)確，安裝時要對正圓弧內(nèi)外線和平面投影線，并量上口至圓心斜長值(偏差為±2mm)來控制上、下口的同心度。

整圈合縫后，再逐塊檢查，調(diào)校無誤后隨之點焊，最后在每條對接縫距上、下口150mm及接縫中間處各焊一塊弧形板，以控制瓣片接縫處的焊接變形，赤道帶各瓣片組成對型后，各條焊縫均在球外側(cè)施焊三遍。

溫帶板的拼裝方法與赤道帶板拼裝方法相同。

溫帶板拼裝焊接后，測量和修整上口(與上、下級板接口處)高度差，并沿上口內(nèi)側(cè)每隔300?400mm處焊上臨時定位鐵板，然后吊起極帶板與溫帶板扣上合縫。沿合縫四周每隔400?500mm處焊接一塊定位楔鐵，可調(diào)整小量錯口間隙，如果對接縫錯口過大，應(yīng)在罐壁臨時焊接絲杠進(jìn)行調(diào)整錯口間隙量。

當(dāng)半球的赤道帶、溫帶、極帶板拼裝焊接完后，即進(jìn)行兩個半球組對焊接。

組對之前，先測量赤道帶上口的高度差，并加以打磨，修整合格后，將已組成整體的極帶與溫帶半球相扣合縫，經(jīng)調(diào)整后開始點固和焊接。兩半球吊裝合縫由兩臺吊車操作。

這種施工方法的特點是高空作業(yè)少，安裝速度快，但需用吊裝能力較大的起重機械等，故僅適用于中、小型球罐的安裝。

(5)分帶分片混合組裝法。將支柱分兩部分，上部支柱與赤道環(huán)帶在臨時鋼平臺上組裝拼接好，然后吊起赤道環(huán)帶，與已就位于基礎(chǔ)上的下部支柱組對拼接。其他球殼板以分片組裝的方法，逐片吊裝與赤道環(huán)帶接成上、下溫帶和上、下極板，最后焊接成完整的球殼體，這種方法適用于中、小型球罐的安裝。

上述這組裝方法中，在施工中較常用的暈分片組裝法和環(huán)帶組裝方法。

2.球罐焊接

球罐的焊接工作量很大，焊接難度高，焊縫包括平、立、仰、橫各種位置的焊接。

(1)焊接工作首先應(yīng)經(jīng)過與球殼板同材質(zhì)、同批號試驗。焊工應(yīng)具有勞動部門考試合格證。施工單位應(yīng)制定合理的焊接施工方案與嚴(yán)格的管理制度。焊接工作應(yīng)按有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行施焊和驗收。

(2)施工現(xiàn)場必須建立焊條管理與氣象管理制度。焊條管理工作包括焊條的供干、恒溫和保溫;焊條一般在250℃的烘干箱內(nèi)供干2h，隨烘隨用，未經(jīng)供干或藥皮不全的焊條嚴(yán)禁使用。氣象管理主要是對下雨、風(fēng)速在10m/s以上及氣溫在0℃以下時如沒有適當(dāng)?shù)姆雷o措施，應(yīng)停止焊接。

(3)球殼板雙面對焊時，應(yīng)進(jìn)行背面清根，如用碳弧氣刨清根，清根后應(yīng)將滲透碳層.磨去，必要時需經(jīng)著色檢查合格，然后再行施焊。

(4)組對時的點固焊、工夾具和起重吊耳的焊接工藝及焊條必須和主焊縫相同，點固焊長度不小于50mm,其焊肉高度不低于8mm。點固焊距離不得大于300mm。工夾具、吊耳等非正式附件，裝配后均應(yīng)用碳弧氣刨去掉，并用砂輪磨光。

3.球罐焊前預(yù)熱、焊后熱處理及整體熱處理

(1)焊前預(yù)熱。預(yù)熱是指施焊前把焊接的工件加熱到比環(huán)境更高的溫度，再在此溫度下進(jìn)行焊接，球罐的材質(zhì)大多數(shù)為高強度的合金鋼，在焊接過程中，由于材質(zhì)焊后冷卻收縮，易于產(chǎn)生冷裂紋及脆性斷裂。預(yù)熱的目的就是為了防止焊接金屬的熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，減少應(yīng)力變形量，防止金屬熱影響區(qū)的塑性、軔性的降低，并且可以除去表面水分。根據(jù)施工規(guī)范規(guī)定，球罐的預(yù)熱溫度根據(jù)焊件材質(zhì)、厚度、接頭的拘束度、焊接材料及氣象條件確定。

預(yù)熱時要求對焊接部位均勻加熱，使其達(dá)到焊接工藝規(guī)定的溫度，預(yù)熱范圍為焊接接頭中心兩側(cè)各3倍板厚以上，且不少于100mm的范圍內(nèi)。

(2)焊后熱處理。球罐焊接完后應(yīng)立即進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理的主要目的：一方面是釋放殘余應(yīng)力，改善焊縫塑性和韌性;更重要的是為了消除焊縫中的氫根，改善焊接部位的力學(xué)性能。

球罐的焊接后消氫處理應(yīng)由焊接工藝評定結(jié)果確定，焊后熱處理溫度一般要求應(yīng)與預(yù)熱溫度相同(200?350°C),保溫時間應(yīng)為0.5?1h。遇有下列情況的焊縫，均應(yīng)在焊后立即進(jìn)行焊后熱消氫處理。

1)厚度大于32mm的高強度鋼;

2)厚度大于38mm的其他低合金鋼;

3)鍛制凸緣與球殼板的對接焊縫。

(3)整體熱處理。

1)整體熱處理的目的。球罐的整體熱處理是根據(jù)設(shè)計的規(guī)定和要求進(jìn)行的。球罐整體熱處理的目的是為了消除由于球罐組焊產(chǎn)生的應(yīng)力，穩(wěn)定球罐幾何尺寸，改變焊接金相組織，提高金屬的韌性和抗應(yīng)力能力，防止裂紋的產(chǎn)生。同時，由于溶解氫的析出，防止延遲裂紋產(chǎn)生，預(yù)防滯后破壞，提高耐疲勞強度與蠕變強度。

球罐焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是由于焊接時局部加熱、焊縫金屬的金相組織的變化而引起的內(nèi)應(yīng)力。焊縫應(yīng)力分布比較復(fù)雜，同時金屬球殼也產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，三項應(yīng)力的不良金相存在是引起球罐低應(yīng)力脆性破壞的主要因素。為消除殘余應(yīng)力和減輕焊縫附近金相組織的局部硬化，改善焊縫的力學(xué)性能，目前我國對壁厚大于34mm的各種材質(zhì)的球罐都采用整體熱處理。

2)整體熱處理的方法。球罐整體熱處理有兩種方法：內(nèi)燃法和電熱法。

①內(nèi)燃法。內(nèi)燃法是把焊接完畢并經(jīng)檢驗合格的球體作為爐殼，在球體內(nèi)布置若干個

噴油嘴，用空氣壓縮機(鼓風(fēng)機)、油泵、霧化器相配套的設(shè)備，以霧化的輕柴油作為燃料，以石油液化氣作為點火器燃料，使球罐內(nèi)部燃料不斷燃燒，產(chǎn)生熱對流和熱輻射加熱整個球體。為防止熱量的損耗，罐外用保溫材料進(jìn)行保溫。為了加強溫度測量和管理，在球體外部均勻布置測溫點，并設(shè)專人定崗操作和監(jiān)視測量系統(tǒng)，做好記錄。熱處理溫度應(yīng)按設(shè)計要求。

②電加熱法。在施工現(xiàn)場不允許用火焰加熱時，可采用電加熱法進(jìn)行球罐的整體熱處理。電加熱的原理和方法是把專門設(shè)計的電氣元件放置在球罐內(nèi)的下方，電熱元件的引線從底部人孔引出接到電源。球罐作表面保溫處理。人孔以及所有管口也均用保溫材料封閉，這樣整體球罐就形成了一個封閉式電爐。加熱時借助于罐內(nèi)空氣的對流把電熱元件放出的熱量均勻地傳給罐壁，從而達(dá)到加熱的目的。

4.球罐的檢驗

焊接質(zhì)量檢驗是保證球罐質(zhì)量不可缺少的重要手段。

(1)焊縫檢查。

1)外觀檢查。也稱為焊縫的外觀檢驗。焊縫外觀檢查時，焊縫及熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、夾渣、凹陷、熔合性飛濺物等缺陷，焊縫的焊角高度、寬度、余高等都應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)定要求。

2)焊縫內(nèi)在質(zhì)量的檢驗。對焊縫內(nèi)在質(zhì)量的檢驗是米用無損探傷檢驗。無損探傷檢查的具體手段有射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷和滲透探傷。

①球罐的對接焊縫(包括人孔和公稱直徑不小于250mm接管的對接焊縫和法蘭，鍛制加強圈的外接焊縫)應(yīng)100%進(jìn)行射線探傷和超聲波探傷。

②選擇100%射線探傷檢查時，對球殼板厚度大于38mm的焊縫還應(yīng)作超聲波探傷復(fù)檢，復(fù)檢長度不應(yīng)小于所探焊縫總長的20%。

③選擇100%超聲波探傷方法時，應(yīng)對超聲波探傷部位作射線探傷復(fù)檢。

④水壓試驗后進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查數(shù)量不得小于焊縫全長的20%。復(fù)查部位包括全部“T”形接頭及每個焊工各個焊接位置的對接焊縫和各種角焊縫。

3)磁粉探傷和滲透探傷檢查。磁粉探傷和滲透探傷規(guī)定如下：

①球罐對接焊縫的內(nèi)、外表面(包括人孔及公稱直徑不小于250mm接管的對接焊縫和法蘭，鍛制加強圈的外接焊縫，支柱角焊縫等)應(yīng)在耐壓試驗前進(jìn)行100%焊縫長度的磁粉探傷或滲透探傷，如果球罐需焊后熱處理，則應(yīng)在熱處理前進(jìn)行探傷。

②水壓試驗后應(yīng)作復(fù)查，復(fù)查數(shù)量應(yīng)為焊縫總長的20%以上，復(fù)查部位應(yīng)包括全部“T”形焊縫及每個焊工所焊焊縫的一部分。

(2)水壓試驗。水壓試驗是為了檢查球罐的強度、考核球罐組裝焊接質(zhì)量，以保證球罐能夠承受設(shè)計壓力不漏。經(jīng)過水壓超載能夠改善球罐的承載能力。盡管球罐在制造、組裝焊接過程中和焊后都進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗工作，但漏檢的缺陷有可能在水壓試驗中出現(xiàn)。因此水壓試驗也是比較重要的檢驗手段。

1)進(jìn)行水壓試驗前，球罐應(yīng)具備下列條件：

①本體及附件的組裝、焊接和檢驗工作全部結(jié)束;

②需要進(jìn)行焊后整體熱處理的球罐熱處理工作已全部結(jié)束，并檢驗合格。

③基礎(chǔ)二次灌漿已達(dá)到設(shè)計強度;

④支柱拉撐桿調(diào)整緊固完畢;

⑤工卡具定位焊痕跡打磨完畢，并檢驗合格。

2)水壓試驗步驟。當(dāng)球罐充滿水后封閉人孔開始升壓，并按以下步驟進(jìn)行：

①升壓前檢查球殼表面應(yīng)無結(jié)露現(xiàn)象;

②升壓至試驗壓力的50%時保持15min，然后對球罐的所有焊縫和連接部位做初次目視和滲漏檢查，確認(rèn)無滲漏后繼續(xù)升壓;

③壓力升至試驗壓力的90%時保持15min，再次做滲漏檢查;

④壓力升至試驗壓力時保持30min，然后將壓力降至設(shè)計壓力進(jìn)行檢查，以無滲漏為合格。

3)水壓試驗要求：

①水壓試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1.25倍。設(shè)計有特殊規(guī)定時按設(shè)計文件要求進(jìn)行，但不應(yīng)小于球罐設(shè)計壓力的1.25倍。

②試驗用水應(yīng)為清潔的工業(yè)用水，對碳素鋼和16MnR鋼制球罐水溫不得低于5℃;其他低合金鋼球罐試壓用水溫度不得低于15℃對新鋼種的試驗水溫應(yīng)按設(shè)計規(guī)定進(jìn)行。

③球罐水壓試驗過程中要進(jìn)行基礎(chǔ)沉降觀測，觀測應(yīng)分別在充水前、充水到1/3、充水到2/3球罐本體高度、充滿水24h和放水后各個階段進(jìn)行觀測，并做好實測記錄。

(3)氣密性試驗。根據(jù)規(guī)定，球罐經(jīng)水壓試驗合格后要再進(jìn)行一次磁粉探傷或滲透探傷;排除表面裂紋及其他缺陷后，再進(jìn)行氣密性試驗。氣密性試驗是在球罐各附件安裝完畢、壓力表、安全閥、溫度計經(jīng)過校驗合格后進(jìn)行。氣密性試驗所用氣體應(yīng)是干燥、清潔空氣或其他惰性氣體，氣體溫度不得低于5℃。當(dāng)球罐充滿氣后開始升壓，其步驟如下：

1)首先壓力升至試驗壓力的50%后保持10min，然后對球罐所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查，確認(rèn)無泄漏后繼續(xù)升壓。

2)壓力升至試驗壓力后保持10min，對所有焊縫和連接部位涂刷肥皂水進(jìn)行檢查，以無滲漏為合格。如有滲漏應(yīng)處理后重新進(jìn)行氣密性試驗。

3)卸壓時應(yīng)緩慢。

（責(zé)任編輯：gx）

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