一级造价工程师

四、球形罐的制作和安装

球罐为大容量、承压的球形储存容器。球罐与立式圆筒形储罐相比，在相同容积和相同压力下，球罐的表面积最小，故所需钢材面积少;在相同直径情况下，球罐壁内应力最小，而且均匀，其承载能力比圆筒形容器大1倍，故球罐的板厚只需相应圆筒形容器壁板厚度的一半。故采用球罐，可大幅度节省钢材30%?45%;此外，球罐占地面积较小，基础工程量小，可节省土地面积。

因此，球罐被广泛应用于石油、化工、冶金等部门，用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。

(一)球罐的构造与分类

1.球罐的构造

球罐由本体、支柱(承)及附件组成。其结构外形见图4.3.4。

(1)球罐本体。球罐本体是球罐结构的主体，它是球罐储存物料、承受物料工作压力和液体静压力的构件。它是由壳板拼焊而成的一个圆球形容器。由于球壳体直径大小不同，球壳板的数量也不一样，球壳有环带式(橘瓣式)、足球瓣式、混合式三种结构形式。

(2)球罐支柱(承)。是用于支承球罐本体重量和储存物料重量的结构部件，有柱式、裙式半埋入式及高架式支座多种。

(3)球罐的附件。

1)梯子平台。一般球罐设置顶部平台和中间平台，顶部平台是工艺操作平台。中间平台是为了操作人员上、下顶部平台时中间休息或作为检查球罐赤道部位外部情况而设置的。

2)人孔和接管。人孔是为了操作人员进出球罐进行检验和维修而设置的，同时也用于现场组装焊接球罐时进行焊后整体热处理、进风、燃烧口和烟气排出等。

3)水喷淋装置。球罐上装设水喷淋装置是为了储存的液化石油气、可燃气体和有毒气体的隔热需要，同时也可起消防保护作用。

4)隔热和保冷设施。隔热和保冷一般是为了保证储存介质的一定温度。储存液化石油气、可燃性气体和液化气及有毒气体的球罐和支柱，应该设置隔热设施。球罐储存低温物料 (如乙烯、液氨等)时应设保冷装置。

5)液面计。为观测球罐内液位情况，一般在储存液体和液化气体的球罐中装置液面计。

6)压力表。为了测量球罐内的压力而设置压力表。考虑到压力表由于某种原因而发生故障或由于仪表检查而取出等情况，应在球壳的上部和下部各设一块压力表。

2.球罐分类

球罐的结构是多种多样的。通常按照外观形状、壳体构造和支承方式的不同来分类。

(1)按形状分为圆球形和椭球形罐。

1)圆形单层纯橘赤道正切柱式支承的球罐，这种球罐由壳体、支柱、拉杆、操作平台、爬梯及各种附件等组成。在某些情况下，罐内设有转梯，外部设有隔热保温层或防火水喷淋管等。

2)椭球形罐。椭球形罐是在常温下贮存蒸汽压比大气压稍高的挥发性液体用的低压容器。使用它是为了防止在将挥发性液体装人普通贮罐内时会产生蒸发损失。它特别适合于贮存车用汽油和天然汽油。这种椭球形罐特殊形式，与普通圆筒形贮槽相比显著不同。从节约材料来说，使用这种贮罐形状最好，球壳板承受液压和气压的能力比圆筒形贮槽好得多。

(2)按壳体层数分为单层壳体和双层壳体。

1)单层壳体球罐。单层壳体球罐最常见，多用于常温高压和高温中压球罐。

2)双层壳体球罐。由外球和内球组成，由于双层壳体间放置了优质绝热材料，所以绝热保冷性能好，适用于液化气或超高压气体的储存，目前使用不多。

(二)球罐的安装施工

1.球罐的拼装方法

(1)分片组装法。

1)基础验收找平、地脚螺栓二次灌浆固定。支柱基础的地脚螺栓孔一般都是预留孔，地脚螺栓为两次灌浆固定。进行混凝土灌浆时，要随时测量检查，以免捣固时地脚螺栓移位。

2)支柱对接。支柱对接要防止安装弯曲错位或不同心。对大型球罐上部支柱已预先焊在赤道板上，但需要在现场与下部支柱对接。

3)安装赤道板。首先安装带支柱的赤道板，可以用机械吊车或桅杆进行起吊。当带支柱的赤道板吊装在基础上，用钢丝绳及手动葫芦固定张紧，初步调整其垂直度。接着再用同样方法安装第二块带支柱的赤道板，它安装在相邻的第二个基础上，安装完后，用连通管或水平仪测量调整其垂直度;高度偏差可用基础上的垫铁调整。

当相邻两支柱临时固定后，即安装两支柱间的赤道板，找平上、下口，调整好对口间隙，用夹具固定。采用同一方法，将整圈赤道板组装完毕，并检查及校正水平度、球面曲率及上、下口直径的几何尺寸和椭圆度，然后进行点固焊。

4)安装中心柱。当赤道带板最后一块板组对前，在罐中心临时安设中心立柱。

中心立柱一般用无缝钢管制成，分四节用法兰连接。中心柱J：有固定吊耳，可利用起吊和固定上、下温带板之用，还可支撑伞形脚手架。

5)安装其他各带板。上、下温带板的安装要考虑减少高空作业，尽可能在地面平台上将两块或三块先对接焊成组合件，然后再组装。

温带板的组焊可以利用一块温带板垫实作为胎具，在此胎具上进行两块温带板的组对和点焊。点焊好及用工卡具打紧后放在焊接胎具上进行预热，然后由两名焊工从两端往中间进行焊接。背面则由两名焊工从中间往两端进行焊接。焊接完后进行X射线检查，达到质量标准为止，就可以吊装就位。上、下温带板安装完后，拆除中心柱，最后安装上、下极板。

6)分片组装法主要施工方法及工序见表4.3.3所列。

采用分片组装法的优点是施工准备工作量少，组装速度快，组装应力小，而且组装精度易于掌握，不需要很大的吊装机械，也不需要太大的施工场地;缺点是高空作业量大，需要相当数量的夹具，全位置焊接技术要求高，而且焊工施焊条件差，劳动强度大。分片组装法适用于任意大小球罐的安装。

(2)拼大片组装法。拼大片组装法是分片组装法的延伸。在胎具上将已预热好、编了号的相邻两片或多片球壳瓣拼接成较大的球壳片，然后吊装组焊成球壳体。组合的球壳片瓣数的多少要根据吊装能力确定。拼大片组装法由于在地面上进行组装焊接，减少了高空作业，并可以采用自动焊进行焊接，从而提高了焊接质量。

(3)环带组装法。环带组装法一般分两种，一种是在预制厂先将各环带预制成型，然后运输到现场组装，这种方法常受各种限制，比较大的球罐很少采用。大多数施工单位一般都是在现场进行预制并组装。在临时钢平台上，先后将赤道带，上下温带、上下极板分别组对焊接成环带，然后将各环带组装焊接成球体。

各环带组装成球有两种方法：

1)先安装下温带再安装赤道带。方法是根据图纸把下温带(包括极板)吊放在安装座圈上，然后吊装赤道带并与下温带组对焊接，再分装球罐支柱。最后吊装上温带(包括极板)进行组对找正、焊接成型。

2)先安装赤道环带再组装下温带。方法是首先吊装赤道带，就位后找平，先按设计规定把下温带大口向上吊装到球罐基础中心方位，再进行支柱安装。支柱间拉杆螺栓预紧。

环带组装法组装的球壳，各环带纵缝的组装精度高，组装的拘束力小，减少了高空作业和全位置焊接，施工进度快，提高了工效。同时也减少了不安全因素，并能保证纵缝的焊接质量。

环带组装法现场施工时，需要一定面积的临时钢平台，占用场地大;组装时需用的加固支撑较多;组成的环带重量较大，.组装成球时需较大的吊装机械。另外，环缝组对时难以避免强制性组装，因而强装焊接后产生较大的应力。环带组装法一般适用于中、小球罐的安装。

(4)拼半球组装法。首先搭设平台，然后在平台上画出赤道带大口径的内、外圆弧线、瓣片的平面投影线和赤道带小口的投影线，并沿大口内、外圆线，每隔500mm处内交错焊接临时定位角钢，然后沿大口圆周用水准仪测量二十个水准点(每块瓣片两个点)及圆中心点。在安放第一块瓣片时，须沿大口中心线错开200mm处。为保证安装准确，安装时要对正圆弧内外线和平面投影线，并量上口至圆心斜长值(偏差为±2mm)来控制上、下口的同心度。

整圈合缝后，再逐块检查，调校无误后随之点焊，最后在每条对接缝距上、下口150mm及接缝中间处各焊一块弧形板，以控制瓣片接缝处的焊接变形，赤道带各瓣片组成对型后，各条焊缝均在球外侧施焊三遍。

温带板的拼装方法与赤道带板拼装方法相同。

温带板拼装焊接后，测量和修整上口(与上、下级板接口处)高度差，并沿上口内侧每隔300?400mm处焊上临时定位铁板，然后吊起极带板与温带板扣上合缝。沿合缝四周每隔400?500mm处焊接一块定位楔铁，可调整小量错口间隙，如果对接缝错口过大，应在罐壁临时焊接丝杠进行调整错口间隙量。

当半球的赤道带、温带、极带板拼装焊接完后，即进行两个半球组对焊接。

组对之前，先测量赤道带上口的高度差，并加以打磨，修整合格后，将已组成整体的极带与温带半球相扣合缝，经调整后开始点固和焊接。两半球吊装合缝由两台吊车操作。

这种施工方法的特点是高空作业少，安装速度快，但需用吊装能力较大的起重机械等，故仅适用于中、小型球罐的安装。

(5)分带分片混合组装法。将支柱分两部分，上部支柱与赤道环带在临时钢平台上组装拼接好，然后吊起赤道环带，与已就位于基础上的下部支柱组对拼接。其他球壳板以分片组装的方法，逐片吊装与赤道环带接成上、下温带和上、下极板，最后焊接成完整的球壳体，这种方法适用于中、小型球罐的安装。

上述这组装方法中，在施工中较常用的晕分片组装法和环带组装方法。

2.球罐焊接

球罐的焊接工作量很大，焊接难度高，焊缝包括平、立、仰、横各种位置的焊接。

(1)焊接工作首先应经过与球壳板同材质、同批号试验。焊工应具有劳动部门考试合格证。施工单位应制定合理的焊接施工方案与严格的管理制度。焊接工作应按有关技术规范的要求进行施焊和验收。

(2)施工现场必须建立焊条管理与气象管理制度。焊条管理工作包括焊条的供干、恒温和保温;焊条一般在250℃的烘干箱内供干2h，随烘随用，未经供干或药皮不全的焊条严禁使用。气象管理主要是对下雨、风速在10m/s以上及气温在0℃以下时如没有适当的防护措施，应停止焊接。

(3)球壳板双面对焊时，应进行背面清根，如用碳弧气刨清根，清根后应将渗透碳层.磨去，必要时需经着色检查合格，然后再行施焊。

(4)组对时的点固焊、工夹具和起重吊耳的焊接工艺及焊条必须和主焊缝相同，点固焊长度不小于50mm,其焊肉高度不低于8mm。点固焊距离不得大于300mm。工夹具、吊耳等非正式附件，装配后均应用碳弧气刨去掉，并用砂轮磨光。

3.球罐焊前预热、焊后热处理及整体热处理

(1)焊前预热。预热是指施焊前把焊接的工件加热到比环境更高的温度，再在此温度下进行焊接，球罐的材质大多数为高强度的合金钢，在焊接过程中，由于材质焊后冷却收缩，易于产生冷裂纹及脆性断裂。预热的目的就是为了防止焊接金属的热影响区产生裂纹，减少应力变形量，防止金属热影响区的塑性、軔性的降低，并且可以除去表面水分。根据施工规范规定，球罐的预热温度根据焊件材质、厚度、接头的拘束度、焊接材料及气象条件确定。

预热时要求对焊接部位均匀加热，使其达到焊接工艺规定的温度，预热范围为焊接接头中心两侧各3倍板厚以上，且不少于100mm的范围内。

(2)焊后热处理。球罐焊接完后应立即进行焊后热处理。焊后热处理的主要目的：一方面是释放残余应力，改善焊缝塑性和韧性;更重要的是为了消除焊缝中的氢根，改善焊接部位的力学性能。

球罐的焊接后消氢处理应由焊接工艺评定结果确定，焊后热处理温度一般要求应与预热温度相同(200?350°C),保温时间应为0.5?1h。遇有下列情况的焊缝，均应在焊后立即进行焊后热消氢处理。

1)厚度大于32mm的高强度钢;

2)厚度大于38mm的其他低合金钢;

3)锻制凸缘与球壳板的对接焊缝。

(3)整体热处理。

1)整体热处理的目的。球罐的整体热处理是根据设计的规定和要求进行的。球罐整体热处理的目的是为了消除由于球罐组焊产生的应力，稳定球罐几何尺寸，改变焊接金相组织，提高金属的韧性和抗应力能力，防止裂纹的产生。同时，由于溶解氢的析出，防止延迟裂纹产生，预防滞后破坏，提高耐疲劳强度与蠕变强度。

球罐焊接后产生的残余应力是由于焊接时局部加热、焊缝金属的金相组织的变化而引起的内应力。焊缝应力分布比较复杂，同时金属球壳也产生内应力，三项应力的不良金相存在是引起球罐低应力脆性破坏的主要因素。为消除残余应力和减轻焊缝附近金相组织的局部硬化，改善焊缝的力学性能，目前我国对壁厚大于34mm的各种材质的球罐都采用整体热处理。

2)整体热处理的方法。球罐整体热处理有两种方法：内燃法和电热法。

①内燃法。内燃法是把焊接完毕并经检验合格的球体作为炉壳，在球体内布置若干个

喷油嘴，用空气压缩机(鼓风机)、油泵、雾化器相配套的设备，以雾化的轻柴油作为燃料，以石油液化气作为点火器燃料，使球罐内部燃料不断燃烧，产生热对流和热辐射加热整个球体。为防止热量的损耗，罐外用保温材料进行保温。为了加强温度测量和管理，在球体外部均匀布置测温点，并设专人定岗操作和监视测量系统，做好记录。热处理温度应按设计要求。

②电加热法。在施工现场不允许用火焰加热时，可采用电加热法进行球罐的整体热处理。电加热的原理和方法是把专门设计的电气元件放置在球罐内的下方，电热元件的引线从底部人孔引出接到电源。球罐作表面保温处理。人孔以及所有管口也均用保温材料封闭，这样整体球罐就形成了一个封闭式电炉。加热时借助于罐内空气的对流把电热元件放出的热量均匀地传给罐壁，从而达到加热的目的。

4.球罐的检验

焊接质量检验是保证球罐质量不可缺少的重要手段。

(1)焊缝检查。

1)外观检查。也称为焊缝的外观检验。焊缝外观检查时，焊缝及热影响区表面不得有裂纹、气孔、夹渣、凹陷、熔合性飞溅物等缺陷，焊缝的焊角高度、宽度、余高等都应满足有关规定要求。

2)焊缝内在质量的检验。对焊缝内在质量的检验是米用无损探伤检验。无损探伤检查的具体手段有射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤和渗透探伤。

①球罐的对接焊缝(包括人孔和公称直径不小于250mm接管的对接焊缝和法兰，锻制加强圈的外接焊缝)应100%进行射线探伤和超声波探伤。

②选择100%射线探伤检查时，对球壳板厚度大于38mm的焊缝还应作超声波探伤复检，复检长度不应小于所探焊缝总长的20%。

③选择100%超声波探伤方法时，应对超声波探伤部位作射线探伤复检。

④水压试验后进行复查，复查数量不得小于焊缝全长的20%。复查部位包括全部“T”形接头及每个焊工各个焊接位置的对接焊缝和各种角焊缝。

3)磁粉探伤和渗透探伤检查。磁粉探伤和渗透探伤规定如下：

①球罐对接焊缝的内、外表面(包括人孔及公称直径不小于250mm接管的对接焊缝和法兰，锻制加强圈的外接焊缝，支柱角焊缝等)应在耐压试验前进行100%焊缝长度的磁粉探伤或渗透探伤，如果球罐需焊后热处理，则应在热处理前进行探伤。

②水压试验后应作复查，复查数量应为焊缝总长的20%以上，复查部位应包括全部“T”形焊缝及每个焊工所焊焊缝的一部分。

(2)水压试验。水压试验是为了检查球罐的强度、考核球罐组装焊接质量，以保证球罐能够承受设计压力不漏。经过水压超载能够改善球罐的承载能力。尽管球罐在制造、组装焊接过程中和焊后都进行了严格的检验工作，但漏检的缺陷有可能在水压试验中出现。因此水压试验也是比较重要的检验手段。

1)进行水压试验前，球罐应具备下列条件：

①本体及附件的组装、焊接和检验工作全部结束;

②需要进行焊后整体热处理的球罐热处理工作已全部结束，并检验合格。

③基础二次灌浆已达到设计强度;

④支柱拉撑杆调整紧固完毕;

⑤工卡具定位焊痕迹打磨完毕，并检验合格。

2)水压试验步骤。当球罐充满水后封闭人孔开始升压，并按以下步骤进行：

①升压前检查球壳表面应无结露现象;

②升压至试验压力的50%时保持15min，然后对球罐的所有焊缝和连接部位做初次目视和渗漏检查，确认无渗漏后继续升压;

③压力升至试验压力的90%时保持15min，再次做渗漏检查;

④压力升至试验压力时保持30min，然后将压力降至设计压力进行检查，以无渗漏为合格。

3)水压试验要求：

①水压试验压力应为设计压力的1.25倍。设计有特殊规定时按设计文件要求进行，但不应小于球罐设计压力的1.25倍。

②试验用水应为清洁的工业用水，对碳素钢和16MnR钢制球罐水温不得低于5℃;其他低合金钢球罐试压用水温度不得低于15℃对新钢种的试验水温应按设计规定进行。

③球罐水压试验过程中要进行基础沉降观测，观测应分别在充水前、充水到1/3、充水到2/3球罐本体高度、充满水24h和放水后各个阶段进行观测，并做好实测记录。

(3)气密性试验。根据规定，球罐经水压试验合格后要再进行一次磁粉探伤或渗透探伤;排除表面裂纹及其他缺陷后，再进行气密性试验。气密性试验是在球罐各附件安装完毕、压力表、安全阀、温度计经过校验合格后进行。气密性试验所用气体应是干燥、清洁空气或其他惰性气体，气体温度不得低于5℃。当球罐充满气后开始升压，其步骤如下：

1)首先压力升至试验压力的50%后保持10min，然后对球罐所有焊缝和连接部位进行检查，确认无泄漏后继续升压。

2)压力升至试验压力后保持10min，对所有焊缝和连接部位涂刷肥皂水进行检查，以无渗漏为合格。如有渗漏应处理后重新进行气密性试验。

3)卸压时应缓慢。

（责任编辑：gx）

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