烯烃球罐设计优化与应用

第13卷第1期神莘科技2015年1月VOL.13 NO.1Jan.2015烯烃球罐设计优化与应用宋全祝黄守林(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司北京，10011)1摘要:从2000m2乙烯球罐和2500m'丙烯球罐设计参数的确定,材料比选,设计方案论证、球罐设计和优化，在确保球罐使用安全的前提下降低成本,实现项目建设经济利益最大化的目标。关键词:球罐设计参数材料优化中图分类号:TQ2文献标识码:A文章编号:1674- -8492(2015)01-070-05质气化，导致球罐的压力升高。丙烯球罐属于常温储1引言存容器,外部无保温设施。因此,乙烯和丙烯球罐的设随着石油化工、煤化工行业的迅猛发展,装置大计压力和设计温度应根据工艺要求、介质的性质以及型化已成发展趋势,大型球罐的应用已得到飞速发球罐的保冷设施综合确定。展。球罐被广泛用于储存乙烯、丙烯、液氨氧气、天然2.1乙 烯球罐设计参数气等物料。然而如何优化球罐设计,如何实现质量与国内现有部分大型乙烯球罐的设计压力、设计温效益并举的目标,成了亟待解决的问题。度、容积和直径参数见表1。目前,由神华集团投资建设的某煤化工项目,可表1国内部分大型乙烯球罐 主要设计参数生产高压聚乙烯30万t/a,聚丙烯30万t/a。主要通过单位名称E积工作压力 工作温度设计压力设计温度甲醇制烯烃、烯烃聚合生成高压聚乙烯和聚丙烯。根(m) M P a(G)(C) MPa(G) (C)据项目建设要求,设有6台乙烯球罐和5台丙烯球罐。神华包头20001.-302.2乙烯球罐的容积均为2000m2,丙烯球罐的容积均为燕山石化20001.812.062500m'。鉴于已建成的神华包头煤制烯烃项目建有7齐鲁石化15001.882.16-3台乙烯和丙烯球罐,其容积全部为2000m',使用日本.大庆石化20002.07-22.40-40JFE-HITEN610U2L进口钢板,采用常规设计方法进天津石化20001.95. -27 ~ 451.95-4行设计。因此,设计院推荐本项目乙烯和丙烯球罐的1.86材料仍然选用日本进口低温高强钢板(JFE-HITEN610U2L) ,采用常规设计方法,乙烯和丙烯球从表1看出,乙烯球罐的最低工作温度一般罐的预算价格达到8700万元以上。为-30C ~-27C,设计温度从-45C~-31C,主要是为了降低项目建设成本,在确保球罐设计安全、考虑球罐出现不正常低温工况时,使球罐有一-定的建造质量的前提下,进行了球罐设计参数的优化、开抗过冷能力;球罐的操作压力是操作温度下的饱和展材料比选。同时支持球罐材料国产化;经过充分论压力,球罐的设计压力为1.95~ 2.4MPa(G),主要也证.反复比选、优化设计方案,实现成本降低目标。是考虑乙烯球罐低温特性,使操作温度有-.个波动的范围。2乙烯和丙烯球罐设计参数本项目乙烯球罐的工作温度为-34C,工作压力乙烯球罐属于低温储存容器,在储存过程中,尽.为1.65MPa(G),选择乙烯球罐的设计温度为-45°C~管球罐设有保冷设施,但总会吸收环境中的热量使介50C,设计压力为2.16MPa(G)是合理的。作者简介:宋全祝(1963-),男.高级工程师,1985年毕业于北京化工大学化工机械专业，现任中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司专业经理，具有丰富的压力容器设计经验和管理经验,Tel: 18001285651 ,E- mail:songquanzbu@cscle.com第1期宋全视等:烯烃球罐设计优化与应用.71●2.2丙烯球罐设计参数度,要求材料具备-定的强度级别。因此,球罐应优先表2国内部分大型丙烯球罐主 要设计参数表选用力学性能稳定,可焊性好的材料。单位名称容积工作压力工作温度设计压力设计温度.1 乙烯球罐材料比选(m) MPa(G)(CMP a(G)(C)作为石化项目、煤化I项目关键设备之一-的乙烯神华包头20001.01202.2~ 45/50球罐,其建造技术水平是设计技术、材料技术、制造技燕山石化20001.594C2.0~ 20/50术及安装技术的综合体现。而球罐用钢又是球罐设扬子石化1002.04AM2.~ 10/50计、制造的基础。低温球罐用低合金钢向两个方向发大庆石化30001.954(2.16 ~ 20/50展,一是提高强度,二是确保良好的低温韧性和焊接南化公司10001.9AMB性能。目前,国内设计温度为-50C ~ -459C的2000m’兰州石化15001.95 .402.16大型乙烯球罐用材主要有:新日本制铁公司的N-从表2看出,丙烯球罐的工作温度一般为TUF490、JFE钢铁株式会社的JFE-HITEN610U2L.国20C ~ 40C,工作压力为1.01 ~ 2.04M P a(C)设计温度内宝钢、武钢、华菱湘钢等生产的07MnNiMoDR,这几从-45C ~ 50%C。由于丙烯的临界温度为91.759C,则丙种均为调质钢板。现就国内应用量最大的JFE-烯球罐无需保冷设施,按照《固定式压力容器安全技术HITEN610U2L和07MnNiMoDR进行对比分析,提出监察规程>(TSG R0004- 2009 以下简称《固容规)》)第制造乙烯球罐最适宜的材料。3.9.3条的规定,丙烯的最高工作压力按50C丙烯饱和JFE- HITEN610U2L由日本JFE公司在JFE- HTTEN蒸气压力选取。丙烯50^C时饱和蒸汽压为1.96MPa610U常温钢基础上发展的钢种,其屈服限(RJ)≥(G),设计压力取2.0~ 2.2MPa(G)是合理的。按照《固490MPa,属于-50C低温高强调质钢板,主要用于大型容规》3.10条规定,最低设计金属温度不得高于历年低温球罐,具有强度高、低温韧性好、良好成型性和焊来月平均最低气温的最低值。而从表2看出，神华包接性能。头煤制烯烃项目丙烯球罐最低设计温度,由于考虑了为了适应-50C低温乙烯球罐高强调质钢板的需事故排放工况,取-45°C,显然偏于保守。要,近几年国内新研制出07MnNiMoDR低温高强调质本项目丙烯球罐的工作温度为环境温度(AMB)，钢板,已纳入GB19189- 2011《压力容器用调质高强度工作压力为1.57MP a(G),选择丙烯球罐的设计温度钢板》标准中。为- 20C ~ 50C,设计压力为2. I6M P a(G)是合理的。现以宝钢生产的07MnNiMoDR制球罐(2台为乙烯球罐,设计压力1.95MPa,设计温度-459C,名义厚度3球罐材料比选,降低设备建造成本44mm)和JFE钢铁株式会社的JFE-HITEN610U2L(12球罐选材必须符合GB150- 201 1《压力容器》的规台为乙烯球罐,设计压力1.9MPa,设计温度- .45C,名定。但因球壳承受双向拉应力,而且须在现场组装、焊义厚度38mm)为例,对其化学成分和力学性能对比分接,球壳焊缝长、焊接条件差,且焊缝质量要求高,球析,详见表3和表4。罐体积大,一旦失效其危害性也大。因而对材料提出从表3中可以看出,07MnNiMoDR钢板和JFE-了特殊要求。为了承受双向拉应力,以及控制球壳厚表3 07MnNiMoDR 和JFE- HITEN610U2L化学成分对比化学成分(质量分数)%材质siInSNiMoV___标准值≤<0.09 0.15-0.40 1.20-1.0<0.005<0.0150.30-0.60≤0.30 0.10-0.30 ≤0.0607MnN质保书007-0.0 0.19-0.22 1.38-.45 0000 0050.0 0.38-0.46 0.12-0.19 0.18-0.22 041-0.0408 0.178-0.191iMoDR复验值005-0.0 020-0.33 13-.43 000.000 000.00 0.36-0.46 0.8-0.25 019022 0.03-0.0 0.7-0.92JFE- 标准值<0.18 <0.75 ≤1.6≤0.30HTEN质保书0.06-0.08 0.18-0.20 1.28-1.35.0010.004-01 0.30-0.33 0.19-0.22 0.14-0.16 0.04-0.05 0.171-0.194610U21L.2 复验值07-0.0 0.17-0.21 130-.38 00 006-0.0 030-0.33 019-0.2 015-0.6 0.04-0.0 0181-0.00神華科技●72●第1期HITEN610U2L钢板的主要元素的质量分数基本相当,的数据波动性相对更小一些。同时,日本钢板的伸长特别是S、P质量分数,国内的控制水平也较过去有了率比国产钢板要略好- -些。从质保书提供的数据看,很大提高,且远高于标准要求。两种钢板的焊接裂纹倾国产钢板实物冲击吸收能量中,单个最大值和日本的向都比较小。相对而言,07MnNiMoDR钢板比JFE-钢板相差不大;平均值明显要低于日本钢板,不过其HITEN610U2L钢板焊接冷裂纹倾向性更小- - 些。绝对值也还是很高的,表明国产钢板实物的冲击功储辰4 07MnNiMoDR和JFE- HTTEN610U2L力学性能对比备也是很大的。从复验数据看,国产和日本钢板的统检测项目拉伸试验冲击试验计数据显示出它们的水平很接近。屈服断后温冲击功吸收能 量(J)因此,经过JFE-HITEN610U2L和07MnNiMoDR质~ \抗拉强强度度MPa伸长度每张钢板 3个试样进行对比分析,神华某煤化工项目乙烯球罐确定采用MPa率% (C) 3个试样 的平均值国产07MnNiMoDR材料代替进口材料。610~3.2丙烯球罐材料比选标准值≥490730≥I7 -50≥80根据本项目设计条件,丙烯球罐用材应立足国产，降低造价为目的,主要采用Q345R、Q370R和、646723 25.0350338值07MnMoVR3种材料。这3种材料化学成分和力学性能详见表5和表6。07M保5161019.0 -5070117表5 Q345R、Q370R 和、07MnMoVR化学成分对比化学成分(质量分数)%MoD均558644 21.5221材质PNiCrMoVNb大675， 720 25.0299297复最Q345 ≤≤1.20 ≤≤验520 610 19.0 -50 77121R 0.20 0.551.60 0 50.0160266921.52455R 0.18 0.550.01 0.020.0≥17 -10≥471.60 0 074000.15 1.2(0.10 0.02632 704 33.036MoVR 0.09~ 0.00 0.020.401.60500.40.300.30 0.06JFE 保5306209.5 -50886其中,07MnMoVR中焊接裂纹敏感性组成Pem≤HIT581654 29.2902520.20%。EN6表6 Q345R、Q370R和、07MnMoVR力学性能对比1021大630 730 27.0查GB150.2表2 2222复最5259.0 -50 .106抗拉强度屈服断后50C时许用温冲击功吸强度伸长应力MP度收能量率%(]577Q345R 490~620 ≥315 ≥2181≥34从表4可以看出,07MnNiMoDR钢板的性能和Q370R 520-620 ≥315≥209307MnMoJFE-HTTEN610U2L钢板的相差不多,说明国产钢板.VF610~730 ≥>490 ≥1726 -20 ≥80的实物水平已经接近日本钢板的实物水平。当然,从从表5可以看出,07MnMoVR与Q370R和Q345R数据的波动性来看,日本钢板的屈服强度、抗拉强度第1期宋全祝等:烯烃球罐设计优化与应用●73●比较,化学成分中增加了铬(Gr).镍(Ni) 、钥(Mo)、铜普遍。为了降低项目建设投资,我们对国内多家设计(Cu)、钒(V)等元素.Q370R与Q345R和07MnMoVR院球罐:设计方法进行调研、比选。由于分析设计将各比较,化学成分中增加了铌(Nb)。对于硫(S)、磷(P)部位的受 力情况进行较精确分析,依结构破坏的危险含量,07MnMoVR控制指标最严, Q370R次之,Q345R程度,对应力进行分类,对各类应力取不同的许用值与其它两种材料比较,相对宽松。进行评定,虽取较低的安全系数(注:《固容规》规定应从表6中3种材料力学性能对比表来看,07Mn-力分析设计方法抗拉强度的安全系数可取2.4),但设MoVR与Q370R和Q345R比较,其抗拉强度和屈服强备的总体安全性不会降低,而可靠性增加。度明显高于Q370R和Q345R,Q370R次之,Q345R相乙烯和丙烯球罐按照国内应力分析设计标准JB/对较低,查取CB150.2表2, 50^C时07MnMoVR许用应T4732《钢制压力容器-分析设计标准》进行设计和力为226MPa, Q370R许用应力为193MPa, Q345R许制造,采用ANSYS应力分析软件。在构建模型的规模用应力为181MPa。时,综合考虑球罐的几何结构特征及承载特性,取球Q345R是压力容器常用专用钢板,属低合金钢。罐一半来构建力学模型与有限元模型。按照下列4种具有一定的强度,较好的韧性,其延伸率达到20%以载荷工况设置边界条件,进行有限元网格划分:上,具有良好的焊接性能和冷成型性能等特点。但许(1)自重+计算压力载荷组合工况。用应力较低,适用于建造各类压力容器和中小型球(2)自重+计算压力+风压力载荷组合工况。罐,不适用建造大型球罐。(3)自重+计算压力+25%风压力+地震载荷组合07MnMoVR与07MnNiMoDR均属于调质高强钢工况。板,以严格控制碳当量( Ceq<0.42% )和焊接裂纹敏感(4)压力试验载荷工况。性组织( Pem≤0.20% ),并通过合理的调质热处理获得对于球罐各接管局部部位的分析,由于风载、地较高的强度,具有- -定的韧性,采用相应的焊接材料震载荷等影响很小，因此受力边界条件只考虑压力载施焊。此种材料的钢板属于调质钢板,大型球罐施加荷。根据结构特性,对于径向接管结构采用轴对称模工过程中易产生焊接冷裂纹,焊接质量应严加控制，型处理,而对于非对称结构如垂直偏心接管结构须建需焊后热处理。此种钢应用于大型球罐,其施工难度立完整三维模型来进行分析。较大。乙烯和丙烯球罐的应力集中出现在上支柱与球Q370R(原牌号为15MnNbR)钢是国内近年来研壳的连接处，合理地设计上支柱连接结构,以避免连制出来的-种新型钢材,其强度高于Q345R材料,韧接件刚度过大问题。评定时应对球罐主体上最大应力性与Q345R钢材相近,其焊接性能及抗硫化氢应力强度点及其它危险部位划出路径,将应力线性化,沿腐蚀性能与Q345R的相似。具有优良的综合性能,是径向找出最短路径。评定时,对各种组合应力强度应建设用于大型球罐比较理想的材料。按JB4732标准进行评定。对于组合工况系数,应按因此,经过Q345R Q370R和、07MnMoVR对比分JB4732标准表3-3选用。析,神华某煤化I项目丙烯球罐确定采用Q370R材料。乙烯和丙烯球罐分析设计，达到了常规设计难以4充分论证、反复比选、优化设计方案,实现达到的合理效果,使设备各处厚度适宜,球罐结构各部位的应力均满足于各自的许用极限值。由于应用球成本降低目标罐分析设计,可将关注部位的受力状态进行较为精确神华某煤化工项目乙烯和丙烯球罐设计若采用的分析计算及呈现,使得结构优化成为可能,即该薄常规设计,乙烯球罐材料采用07MnNiMoDR,通过计处薄,该厚处厚,从而可降低球罐总重量,减少总造算确定其壁厚为44mm;丙烯球材料采用Q370R,通过价。因此,在确保球罐设计、制造安全性的前提下,虽计算确定其壁厚为52mm。乙烯和丙烯球罐的投资将然会增加一定的设计费用,但设备总投资降低近6000万元以上。10% ~ 20%。设计院根据我们的建议,采用应力分析近几年，国内多家设计院陆续采用先进的应力分法进行乙烯和丙烯球罐优化设计,降低了乙烯和丙析设计技术,随着分析方法和专业软件的日臻成熟，烯球罐壁厚。以及工程应用的案例的增加,球罐分析设计已越来越采用应力分析法进行乙烯和丙烯球罐设计后,神華科技●74.第1期乙烯球罐壁厚减至38mm,最大排板尺寸为2510x采用应力分析法设计的安全性和实用性,并对乙烯和10650mm(赤道板)和2920x9600mm(上、下极边板);丙烯球罐优化设计提出很多中肯的意见。设计院按照丙烯球罐壁厚减至48mm,最大排板尺寸为2710x专家意见优化乙烯和丙烯球罐设计。11500mm(赤道板)和3160x10400mm(上、下极边5结论板)。对乙烯和丙烯球罐设计和制造提出了较为严格的技术要求。例如:球罐A、B类焊接接头无损检测应通过采取上述设备优化设计措施,极大地提高了采用100%TOFD+20%RT;C、D类焊接接头以及非受乙烯和丙烯球罐分析设计的安全性。采用应力分析法压元件与受压元件相连的焊接接头表面应做100%进行乙烯和丙烯球罐设计后,乙烯球罐壁厚减少了MIT或PT检测;弧坑、焊疤、修磨后的表面,缺陷去除6mm,丙烯球罐壁厚减少了4mm,降低了设备投资。后的表面及焊补表面应做100%MT或PT检测。受压经过论证与比选,乙烯和丙烯球罐采用了先进的元件的焊接接头要求为全焊透结构;焊接接头的焊缝应力分析法,优化了设计,在满足项目要求,确保球罐表面不允许有咬边。嵌人式接管以及插人式接管,其设计安全、可靠性的前提下,累计降低设备投资成本内表面转角半径应不小于球罐壁厚名义厚度的1/4,超过1000万元以上。且不大于20mm。乙烯球罐采用07MnNiMoDR钢板,通过神华某煤化工项目乙烯和丙烯球罐采用先其罐壁厚度为38mm,焊前预热100C以上,不需要整.进的应力分析法,实现成本降低10%~20%的目标，体热处理,减少了热处理费用;丙烯球罐采用Q370R对即将开展的神华煤直接液化项目-期工程第二、三钢板,其罐壁厚度为48mm,需要整体热处理。条生产线、神华包头煤制烯烃改扩建项目等,均具有由于神华项目首次采用应力分析法进行球罐设十分重要的借鉴意义,以实现降低成本、经济利益最计,为了确保应力分析法在球罐设计中的正确性,实大化的目标。现乙烯和丙烯球罐设计的安全可靠,神华某煤化工项参考文献:目于2013年2月26日在北京组织召开“乙烯和丙烯球罐分析设计”专家评审会。本次评审会特别邀请了[1] TSG; R0004- 2009,固定式压力容器安全技术监察规程[s].7位国家级压力容器专家参加。专家组听取了有关项[2] GB150- 2011,压力容器[s].目总体情况介绍,以及设计单位对乙烯和丙烯球罐设[3] JB 4732-1995,钢制压力容器一分析设计标准[S].计情况的介绍,并对乙烯和丙烯球罐分析设计安全、[4] GB12337- 198,钢制球形储罐[S][5] GB19189-2011, 压力容器用调质高强度钢板[s].可靠性进行了充分讨论,最终形成并签署了专家意[6] GB713-2008,锅炉和压力容器用钢板[s].见。此次审查会议,专家充分肯定了乙烯和丙烯球罐[7] GB 50094-2010球形储罐施工规范[S].Optimization Design and Application for Olefin Spherical TankSONG Quan-zhu, HUANG Shou-lin( Engineering Technology Management Department of Bejing Engineering Company China Shenhua Coal to Liquidand Chemical Co, Ltd. Bejing 100011 ,China)Abstract: Briefly introduces the determination of design parameters of 2000m2 Ethylene Spherical Tanks and2500m' Propylene Spherical Tanks, comparison and selection of materials, design verification, design and opti-mization of Spherical Tanks. Achieving cost reduction objective and maximizing the economic benefits of con-struction project in the precondition of ensuring the safe use of the spherical tank.Key words: Spherical Tank; Design; Parameters; Materials; Optimization(收稿日期:2014- -08-15责任编辑:杨 静