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，球罐壁內應力最小，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，基礎工程量小，可節(jié)省土地面積。

因此，球罐被廣泛應用于石油、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、液氮及其他介質的儲存容器。

(一)球罐的構造與分類

1.球罐的構造

球罐由本體、支柱(承)及附件組成。其結構外形見圖4.3.4。

(1)球罐本體。球罐本體是球罐結構的主體，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、混合式三種結構形式。

(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構部件，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置的。

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

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

4)隔熱和保冷設施。隔熱和保冷一般是為了保證儲存介質的一定溫度。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，應該設置隔熱設施。球罐儲存低溫物料 (如乙烯、液氨等)時應設保冷裝置。

5)液面計。為觀測球罐內液位情況，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。為了測量球罐內的壓力而設置壓力表。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，應在球殼的上部和下部各設一塊壓力表。

2.球罐分類

球罐的結構是多種多樣的。通常按照外觀形狀、殼體構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，罐內設有轉梯，外部設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時會產生蒸發(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。由外球和內球組成，由于雙層殼體間放置了優(yōu)質絕熱材料，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)基礎驗收找平、地腳螺栓二次灌漿固定。支柱基礎的地腳螺栓孔一般都是預留孔，地腳螺栓為兩次灌漿固定。進行混凝土灌漿時，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先焊在赤道板上，但需要在現場與下部支柱對接。

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行起吊。當帶支柱的赤道板吊裝在基礎上，用鋼絲繩及手動葫蘆固定張緊，初步調整其垂直度。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上，安裝完后，用連通管或水平儀測量調整其垂直度;高度偏差可用基礎上的墊鐵調整。

當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，然后進行點固焊。

4)安裝中心柱。當赤道帶板最后一塊板組對前，在罐中心臨時安設中心立柱。

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行預熱，然后由兩名焊工從兩端往中間進行焊接。背面則由兩名焊工從中間往兩端進行焊接。焊接完后進行X射線檢查，達到質量標準為止，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)點是施工準備工作量少，組裝速度快，組裝應力小，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，需要相當數量的夾具，全位置焊接技術要求高，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。組合的球殼片瓣數的多少要根據吊裝能力確定。拼大片組裝法由于在地面上進行組裝焊接，減少了高空作業(yè)，并可以采用自動焊進行焊接，從而提高了焊接質量。

(3)環(huán)帶組裝法。環(huán)帶組裝法一般分兩種，一種是在預制廠先將各環(huán)帶預制成型，然后運輸到現場組裝，這種方法常受各種限制，比較大的球罐很少采用。大多數施工單位一般都是在現場進行預制并組裝。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，先按設計規(guī)定把下溫帶大口向上吊裝到球罐基礎中心方位，再進行支柱安裝。支柱間拉桿螺栓預緊。

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量。

環(huán)帶組裝法現場施工時，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，因而強裝焊接后產生較大的應力。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。首先搭設平臺，然后在平臺上畫出赤道帶大口徑的內、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、外圓線，每隔500mm處內交錯焊接臨時定位角鋼，然后沿大口圓周用水準儀測量二十個水準點(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。為保證安裝準確，安裝時要對正圓弧內外線和平面投影線，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，并沿上口內側每隔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，可調整小量錯口間隙，如果對接縫錯口過大，應在罐壁臨時焊接絲杠進行調整錯口間隙量。

當半球的赤道帶、溫帶、極帶板拼裝焊接完后，即進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，經調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)焊接工作首先應經過與球殼板同材質、同批號試驗。焊工應具有勞動部門考試合格證。施工單位應制定合理的焊接施工方案與嚴格的管理制度。焊接工作應按有關技術規(guī)范的要求進行施焊和驗收。

(2)施工現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℃的烘干箱內供干2h，隨烘隨用，未經供干或藥皮不全的焊條嚴禁使用。氣象管理主要是對下雨、風速在10m/s以上及氣溫在0℃以下時如沒有適當的防護措施，應停止焊接。

(3)球殼板雙面對焊時，應進行背面清根，如用碳弧氣刨清根，清根后應將滲透碳層.磨去，必要時需經著色檢查合格，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，裝配后均應用碳弧氣刨去掉，并用砂輪磨光。

3.球罐焊前預熱、焊后熱處理及整體熱處理

(1)焊前預熱。預熱是指施焊前把焊接的工件加熱到比環(huán)境更高的溫度，再在此溫度下進行焊接，球罐的材質大多數為高強度的合金鋼，在焊接過程中，由于材質焊后冷卻收縮，易于產生冷裂紋及脆性斷裂。預熱的目的就是為了防止焊接金屬的熱影響區(qū)產生裂紋，減少應力變形量，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。根據施工規(guī)范規(guī)定，球罐的預熱溫度根據焊件材質、厚度、接頭的拘束度、焊接材料及氣象條件確定。

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

(2)焊后熱處理。球罐焊接完后應立即進行焊后熱處理。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性能。

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

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設計的規(guī)定和要求進行的。球罐整體熱處理的目的是為了消除由于球罐組焊產生的應力，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力能力，防止裂紋的產生。同時，由于溶解氫的析出，防止延遲裂紋產生，預防滯后破壞，提高耐疲勞強度與蠕變強度。

球罐焊接后產生的殘余應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應力。焊縫應力分布比較復雜，同時金屬球殼也產生內應力，三項應力的不良金相存在是引起球罐低應力脆性破壞的主要因素。為消除殘余應力和減輕焊縫附近金相組織的局部硬化，改善焊縫的力學性能，目前我國對壁厚大于34mm的各種材質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：內燃法和電熱法。

①內燃法。內燃法是把焊接完畢并經檢驗合格的球體作為爐殼，在球體內布置若干個

噴油嘴，用空氣壓縮機(鼓風機)、油泵、霧化器相配套的設備，以霧化的輕柴油作為燃料，以石油液化氣作為點火器燃料，使球罐內部燃料不斷燃燒，產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。熱處理溫度應按設計要求。

②電加熱法。在施工現場不允許用火焰加熱時，可采用電加熱法進行球罐的整體熱處理。電加熱的原理和方法是把專門設計的電氣元件放置在球罐內的下方，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，從而達到加熱的目的。

4.球罐的檢驗

焊接質量檢驗是保證球罐質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、余高等都應滿足有關規(guī)定要求。

2)焊縫內在質量的檢驗。對焊縫內在質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100%進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的焊縫還應作超聲波探傷復檢，復檢長度不應小于所探焊縫總長的20%。

③選擇100%超聲波探傷方法時，應對超聲波探傷部位作射線探傷復檢。

④水壓試驗后進行復查，復查數量不得小于焊縫全長的20%。復查部位包括全部“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、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)應在耐壓試驗前進行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，則應在熱處理前進行探傷。

②水壓試驗后應作復查，復查數量應為焊縫總長的20%以上，復查部位應包括全部“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量，以保證球罐能夠承受設計壓力不漏。經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行了嚴格的檢驗工作，但漏檢的缺陷有可能在水壓試驗中出現。因此水壓試驗也是比較重要的檢驗手段。

1)進行水壓試驗前，球罐應具備下列條件：

①本體及附件的組裝、焊接和檢驗工作全部結束;

②需要進行焊后整體熱處理的球罐熱處理工作已全部結束，并檢驗合格。

③基礎二次灌漿已達到設計強度;

④支柱拉撐桿調整緊固完畢;

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。當球罐充滿水后封閉人孔開始升壓，并按以下步驟進行：

①升壓前檢查球殼表面應無結露現象;

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，然后將壓力降至設計壓力進行檢查，以無滲漏為合格。

3)水壓試驗要求：

①水壓試驗壓力應為設計壓力的1.25倍。設計有特殊規(guī)定時按設計文件要求進行，但不應小于球罐設計壓力的1.25倍。

②試驗用水應為清潔的工業(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按設計規(guī)定進行。

③球罐水壓試驗過程中要進行基礎沉降觀測，觀測應分別在充水前、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行觀測，并做好實測記錄。

(3)氣密性試驗。根據規(guī)定，球罐經水壓試驗合格后要再進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、溫度計經過校驗合格后進行。氣密性試驗所用氣體應是干燥、清潔空氣或其他惰性氣體，氣體溫度不得低于5℃。當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行檢查，確認無泄漏后繼續(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行檢查，以無滲漏為合格。如有滲漏應處理后重新進行氣密性試驗。

3)卸壓時應緩慢。

（責任編輯：gx）

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