化工金屬結構設備類型

1．在工業生產中用來支撐和傳遞工藝設備、工藝管道以及其他附加應力所引起的靜、動荷載，或為了操作方便所設置的輔助設施，如設備框架、支架、管廊、柱子、桁架結構、操作平臺、梯子等；

2．服務于工業生產，在現場制作安裝的大型的物料儲存設備，如金屬油罐、鋼質球形儲罐、氣柜、料倉料斗等；

3．排放處理生產廢氣的大型金屬構造物以及相應輔助設施，如火炬、排氣筒、煙道、煙囪等。

一、金屬油罐的制作安裝

油罐是煉油和石油化工工業液態碳氫化合物的主要存儲設備，主要用于存儲油品類液態物質。油罐按其結構外形分為立式油罐和臥式油罐。在石油化工工業中立式油罐用得較多，可分為桁架油罐、無力矩油罐、拱頂油罐、浮頂油罐等。下面簡要介紹石化行業應用廣的拱頂油罐和浮頂油罐。

(一)拱頂油罐

拱頂油罐系指罐頂為球冠狀，罐體為圓筒形的一種容器，其容積可達20000m3。罐頂蓋是由4～6mm的薄鋼板和加強筋壓制而成，如圖10-1-1所示。自支式拱頂油罐簡圖

拱頂油罐能承受較高的壓力，有利于減少儲液揮發損耗。拱頂油罐除罐頂板的制作較復雜（需用胎具壓制拱形）外，其他部位的制作較易，造價較低，在國內外煉油和石油化工行業應用很廣泛。

(二)浮頂油罐

顧名思義，浮頂油罐的頂不是固定的，而是能隨油品液面上下浮動。浮頂油罐的工況特點是浮頂與罐壁之間有一個密封裝置，浮頂直接與油品液面接觸，沒有氣體空間，從而大大減少了油品的揮發損耗。

浮頂油罐的種類很多，有單盤式、雙盤式等，常用的單盤式浮頂油罐在浮頂周圍建造環形浮船，用隔板將浮船分隔成若干個不滲漏的船室，在環形浮船范圍內的面積以單層金屬板覆蓋。而雙盤式浮頂油罐的浮頂則是上、下兩面分別以金屬板覆蓋。不論是單盤浮頂油罐還是雙盤浮頂油罐，浮盤上面都安裝有梯子、平臺和欄桿。建造浮頂的金屬材料有碳鋼和鋁合金兩種，目前，碳鋼材料的浮頂已逐漸被鋁合金浮頂所替代。浮頂一般均在專門的制造廠建造，作為成品部件供貨。

(三)內浮頂油罐

內浮頂油罐是帶罐頂的浮頂油罐，也是拱頂罐和浮頂油罐相結合的一種油罐，外部為拱頂，內部為浮頂。見圖10-1-4。與無蓋浮頂油罐相比較，內浮頂油罐的優點是能有效地防止雨雪、砂塵的侵入，保證儲液的質量。同時，內浮頂漂浮在液面上，使液體無蒸發空間，外層還有一個拱頂保護，減少儲液的蒸發損失，減少空氣污染，減少著火爆炸危險。因此，內浮頂油罐特別適合儲存高級汽油、航空煤油等要求較高的油品。(四)金屬油罐附件

為保證各種油品的儲存、發放、計量和油罐維修的要求，在罐體上需要安裝一些不同用途的附屬配件，通常稱為油罐附件。1人孔、透光孔

人孔用于操作人員進出油罐檢查、清洗和修理之用。為了人員進出方便，人孔安裝的中心線一般距罐底700mm，人孔公稱直徑為600mm。透光孔專門為對罐內進行檢查、修理、刷洗時透光、通風之用，一般安裝在罐的頂部，公稱直徑為500mm。2排污孔、清掃孔

排污孔一般安裝于輕油罐底部，用于清掃油罐時排除污泥，平時用于排除罐內污水。清掃孔一般安裝于重油罐底部，清掃時可排出污水及清除罐內污泥，規格一般為500mm×700mm。

3罐頂結合管與罐壁結合管

用于儲存介質的進入或排出。4量油孔

用于測量罐內油品的高度、溫度及采樣。

5呼吸閥、安全閥、通氣管

呼吸閥的作用是調節罐內的油氣壓力，當罐內壓力過高時，通過呼吸閥將部分多余油氣排出，使罐內壓力下降；當罐內壓力過低時，通過呼吸閥從罐外吸入空氣，使罐內壓力升高，始終保持與大氣壓恒定的狀態，呼吸閥安裝在油罐的頂部。安全閥的作用是油罐在操作過程中，當呼吸閥失靈時起安全作用，其工作壓力稍高于呼吸閥壓力，能防止由于罐內正壓或負壓太高，而造成油罐被破壞。安全閥安裝在罐頂中部。儲存揮發性差的燃料油、重柴油、潤滑油、蠟油等油罐需安裝通氣管，以便調節罐內氣壓。6防火器

防火器(亦稱阻火器)由防火箱、銅絲網和鋁隔板組成，安裝在呼吸閥或安全閥的下面，用以防止火星、空氣經過呼吸閥或安全閥進入罐內引起意外。7加熱器

加熱器的作用是通過蒸汽或電對原油或重油加熱，防止油品凝固，便于輸送。局部加熱器安裝在進出油結合管附近。全面加熱器安裝在罐底上。8其他附件

其他附件包括旁通管、膨脹管、升降管、噴淋降溫管線、消防管線、靜電接地、避雷針、梯子、操作平臺、欄桿等，均有其相應的作用。(五)金屬油罐的制作安裝

大型立式金屬油罐，由于其直徑和高度較大，壁板較薄，不適于整體預制，只能在施工現場進行本體安裝。常見的施工方法有正裝法、倒裝法、氣頂法和水浮法幾種。

1正裝法

機械正裝法是按施工規范先將罐底在基礎上鋪設焊好，經真空試漏合格后，將罐壁的第一圈板逐塊分別與底板按劃線垂直對好并施焊。當第一圈罐壁組焊完畢，檢查合格后再用機械逐塊吊裝第二圈壁板與第一圈壁板組裝焊接，按此方法直至最后一圈壁板組焊完成，再安裝頂板。此種施工方法，大部分作業均在高空進行，不安全因素較多，較難保證質量，目前一般很少采用。充水正裝法適用于大容量的浮船式金屬儲罐的施工，它是利用水的浮力和浮船結構的特點，為罐體組裝提供方便。其方法是先將罐底鋪設在基礎上，焊好后經無損探傷及嚴密性試驗合格，將罐壁的第一圈壁板按線逐塊分別與罐底焊接，第一圈壁板安裝完畢，檢查合格后開始安裝儲罐的浮頂。當浮頂安裝完后，進行充水使浮頂上升到安裝其他圈壁板的合適位置，也就是將浮頂作為安裝操作平臺。此方法在安裝浮頂油罐時用的較多。2倒裝法

與正裝法正好相反，倒裝法是先將底板鋪好后，然后從上到下進行安裝。其安裝順序是先將罐頂和罐頂下的第一圈壁板在底板上裝配并安裝好，再將罐頂下的第二圈壁板圍在第一圈壁板的外圍，并以第一圈壁板為胎具，組對壁板的縱向焊縫并焊成圓形，將罐頂和第一圈壁板整體吊至第一、二圈壁板相搭接的位置停下點焊，再進行環焊縫的焊接。其他各帶壁板均依同樣方法順序安裝，直至儲罐的最下一圈壁板焊接后與罐底板焊接完成。倒裝法示意圖見圖10-1-5。倒裝法安裝基本上在地面進行，避免了高空作業，保證了施工安全，有利于提高工效和工程質量，但需要較大的吊裝機具。3充氣升頂法

充氣升頂法是罐壁倒裝法的另一種形式，采用充氣升頂法安裝油罐既節省人力、物力，又安全可靠，遠比采用笨重的起重設備進行倒裝法安裝要得多。

充氣升頂法原理是利用罐體本身的結構條件和密封性能利用鼓風機向罐內送入壓縮風所產生的浮力使上部罐體上升就位，當罐體浮升到一定高度時，逐漸關小風門，控制進風量，罐體即懸空平衡，此時可逐圈組裝焊接，直至最后一圈壁板安裝完畢，并與罐底連接。

在油罐施工中，由于施工單位各自的裝備和施工條件不同，因而采用的施工方法也不盡相同，有關定額對油罐的施工方法是綜合考慮的，常用的油罐施工方法下見表。

各類油罐的施工方法選定

油罐類型施工方法水浮正裝法抱桿倒裝法充氣升頂法整體吊裝法拱頂油罐（m3）—100～7001000～20000—無力矩油罐（m3）—100～7001000～5000—浮頂油罐（m3）3000～50000———內浮頂油罐（m3）—100～7001000～5000—臥式油罐（m3）———各種容量

(六)金屬油罐的檢驗

按照設計技術條件和規范要求，金屬油罐在安裝完后，需對焊縫進行無損探傷，應分別對罐底板、罐壁板和罐頂板的焊縫進行檢驗。

1罐底板焊縫檢驗

罐底焊接后，通常用真空箱試驗法進行嚴密性試驗。真空箱是一個無底矩形試驗箱，箱底周邊裝有海綿狀泡沫塑料，頂部裝窺視鏡。試驗前在焊道上涂刷肥皂液，然后將真空箱置于焊道上，開動真空泵，使箱內處于真空狀態，當焊縫有穿透性裂紋和穿透性氣孔等缺陷時，空氣就會從上述焊縫缺陷中穿過而產生肥皂泡。在缺陷處作出標記，以便返修。然后用同樣方法把真空箱移到下一段焊道上進行檢驗，直至全部檢驗完畢。2罐壁板焊縫檢驗

罐壁板焊縫嚴密性檢驗一般采用煤油試漏法。此法是在需檢驗的焊縫部位（外壁）涂刷一層白堊水溶液，然后在焊縫的另一面（內壁），以0.1～0.2MPa的壓力噴射煤油，經過一段時間，檢查焊道外表面。當焊縫有穿透性焊接缺陷時，煤油會滲透到白堊的表面，出現明顯的煤油斑點，即可確定焊縫缺陷位置，進行返修處理。

3罐頂板焊縫檢驗

罐頂板焊縫一般采用煤油試漏或壓縮空氣試驗法檢驗其嚴密性。壓縮空氣試驗法是在需檢驗焊縫的內部通入壓縮空氣，并在焊縫外部表面涂肥皂水，未發現氣泡為合格。4油罐充水試驗

對油罐的罐底、罐壁、罐頂分別進行嚴密性試驗后，應再進行充水試驗，并檢查下列試驗內容：罐底嚴密性，罐壁強度及嚴密性，固定罐頂的強度、穩定及嚴密性，浮頂的升降試驗及嚴密性，中央排水管的嚴密性，基礎沉降觀測。

罐底的嚴密性以罐底無滲漏為合格。罐壁強度及嚴密性以充水到設計最高液位并保持48h罐壁無滲漏、無異常變形為合格。固定罐頂的強度及嚴密性試驗方法是：罐內充水高度大約1m后，將所有管口封閉，進行緩慢充水升壓，當升至試驗壓力時，在罐頂焊縫表面涂以肥皂水，應以罐頂無異常變形、焊縫無氣泡為合格。若發現缺陷，應在補焊后重新進行試驗。浮頂的升降試驗應以升降平穩、導向機構及密封裝置無卡澀現象、浮梯轉動靈活、浮頂與液面接觸部分無滲漏為合格。

二、球形貯罐制作安裝

在我國石油、化工、冶金、城市煤氣等工業部門，廣泛采用鋼質球形貯罐（以下簡稱球罐）用來貯存液化石油氣（如乙烯、丙烯、丁烷等）、液化天然氣、液氧、液氮、液氨、氧氣、氮氣、天然氣、城市煤氣或其中間產品。

球罐與立式或臥式圓筒形容器相比，在相同容積和相同壓力下，球罐的表面積最小，因而所需鋼材最少；在相同直徑和相同壁厚情況下，球罐壁內應力最小，只有圓筒形容器縱向應力的1/2，即在相同應力情況下，球罐的板厚只需圓筒形容器的一半。此外，球罐占地面積小，基礎工程量小，可充分利用土地面積。目前，我國已能制作安裝壓力為1.03MPa容積為10000m3的貯存天然氣的球罐。

(一)球罐的結構

　　球罐由本體、支座及附件組成。

1球罐本體。

　　球罐本體是球罐結構的主體，它是球罐貯存物料并承受物料工作壓力和液體靜壓力的構件。球罐本體是由許多塊球殼板拼焊而成的一個球形容器。其結構外形見圖10-1-7。由于球罐直徑大小不同，球殼板的數量也不一樣。球殼體有桔瓣式和混合式兩種結構

球殼板為標準球形，一般由容器制造廠根據設計圖紙進行壓制。壓制方法有熱壓和冷壓兩種。熱壓是將鋼板置于加熱爐中，加熱至750～800℃然后放在模具上進行壓制。對于調質和正火供貨的鋼板，為保持鋼板原有的機械性能，應進行冷壓成形。

冷壓是將鋼板置于模具上用壓力機通過模頭對鋼板施以壓力使鋼板應力超過屈服強度限而變形。不論是熱壓和冷壓，球殼板周邊均應留有余量，便于檢驗尺寸、劃線切割和開坡口。球殼板經檢查合格后，在制造廠還應進行預組裝，然后對每塊球殼板編號，發送施工現場。

2球罐支座。

球罐支座系用于支承球罐本體、附件、儲存物料重量及承受風載、地震力等自然力的結構部件。球罐支座多采用與球罐赤道板正切的柱式支座，也稱球罐支柱。球罐支柱一般用鋼管制成，支柱數量通常為赤道板數量的一半。支柱間有拉桿，使其支承連成整體。支柱通過柱腳板用地腳螺栓固定在基礎上。

除上述赤道正切式支座外，還有V型柱式支座、裙式支座、半埋式支座等，但用得較少。

3球罐附件

(1)梯子平臺。為了檢查、維護和操作，球罐上均設置有頂部平臺和中間平臺。頂部平臺是工藝操作平臺，球罐上的工藝接管、人孔、儀表等大部分設置在球罐頂部的極板上。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而設置的。有的球罐為便于內部檢查和維護，設置有內部轉梯，該轉梯可以旋轉，可轉到球罐內部的任何部位。

(2)人孔和接管。人孔是為了檢修人員進出球罐進行檢查和維修而設置的，同時也用于現場組裝焊接球罐時通風、進行熱處理、安裝燃燒器和煙氣排出等用，人孔大小一般選用DN500。根據工藝需要，球罐還裝有各種接管。

(3)噴淋裝置。噴淋裝置的作用有二：一是對球罐起冷卻作用。噴淋裝置裝在球罐的上部,通水時，冷卻水從環管或堰流出，沿球罐壁流下，起到冷卻介質的作用。二是消防作用。在球罐不同高度，離球罐外壁一定距離裝環形管，環形管每隔一段距離裝一個噴頭，當球罐失火（自身或相鄰）時，即可通過噴頭噴灑滅火介質（一般為高壓水，通過噴頭后形成霧狀）進行滅火或隔熱。

(4)隔熱和保冷設施。隔熱和保冷是為了保證介質的一定溫度，根據不同的介質和要求而定。

(5)液面計。用于觀測球罐內液位。

(6)壓力表。為了測量球罐內的壓力，一般在球罐的上部和下部各裝一塊壓力表。(二)球罐的分類

1、按形狀分為圓球形和橢球形兩種。橢球形球罐重心較低但制造復雜，應用較少。

2.按組成球殼體的球殼板形狀可分為桔瓣式球罐、足球瓣式球罐和上述兩種型式相混的混合式球罐。足球瓣式球罐的優點是球瓣的尺寸相同或相近，制作開片簡單。缺點是組裝比較困難，有部分支柱搭焊在球殼體的焊縫上，容易形成焊接缺陷和應力集中，因而用得較少。

3.按殼體層數分為單層殼體和雙層殼體。雙層球罐由外球和內球組成，雙層殼體間充填優質隔熱材料，所以隔熱保冷性能好，一般用于儲存溫度低的液化氣，如液體乙烯。殼體材料的采用一般是內殼體為不銹鋼，用于承受介質工作壓力和低溫工作條件；外殼體為碳鋼，用于支承內殼體和介質的重量，同時可隔絕雨、雪對隔熱材料的侵襲。

4.按支承結構分為柱式支承和裙式支承。柱式支承中以赤道正切柱式支承用得最多，我國應用較廣。裙式支座有圓筒裙式支承和錐形裙式支承，用于容積較小的球罐支承，但用得較少。

(三)球罐的安裝施工

在我國，施工現場廣泛采用的拼裝球罐方法有兩種：環帶組裝法和分片組裝法。1環帶組裝法。

環帶組裝法的要點是按照設計圖紙對球罐的各個環帶，分別在平臺上組裝焊接好，經檢驗合格后，然后把各個環帶由下至上，或先安裝赤道帶，后安裝下溫帶，再安裝上溫帶，逐帶吊裝就位，最后施焊環縫，完成球罐的安裝。

環帶組裝法的優點是環帶縱縫的組裝精度高，組裝的約束力小，高空作業比較少，施工進度快，減少了不安全因素，有利于提高工效。缺點是需組裝一個比較大的平臺，鋼板用的較多，占用施工場地也比較大；另外，在組裝環縫時，往往難以避免強制組裝現象的發生，組裝后應力較大，焊縫易產生延遲裂紋；同時，需要吊裝能力較大的吊裝機械。因此，環帶組裝法一般用于容積等于或小于400m3的球罐。2分片組裝法。

分片組裝法的順序是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。方法是：第一塊帶支柱的赤道板吊裝就位并經調整檢查合格用鋼絲繩張緊固定。然后用同樣的方法安裝第二塊帶支柱的赤道板。當相鄰兩支柱的赤道板臨時固定后，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圓度，然后進行點固焊。赤道帶組裝完后再組裝下溫帶、上溫帶及極板。最后進行全位置焊接。

采用分片組裝法的優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，也不需要很大的吊裝機械，同時可省去組裝平臺或只需一簡易平臺，因而施工現場相對較小。缺點是高空作業大、需要相當數量的夾具，全位置焊接技術要求高，焊工施焊條件差，勞動強度大。

(四)球罐焊前預熱、焊后后熱及整體熱處理

1．焊前預熱。制作球罐的鋼材大多為高強度鋼，焊接后由于冷卻、收縮較快，易產生冷裂紋及脆性斷裂。預熱的目的就是為了緩解焊縫熱影響區的冷卻、收縮速度，降低鋼材硬度，增加塑性及除去表面水分。焊前預熱的溫度應根據焊件的材質、厚度、接頭拘束度、氣候條件等，由焊接試驗確定，也可按GB12337-1998的規定執行，見表10-1-2。

表10-1-2常用鋼種的預熱溫度鋼種20R16MnR

16MnDR15MnVR15MnVNR07MnCrMoVR

07MnNiCrMoVDR09Mn2VDR板厚/mm預熱溫度/℃20———75～12550～95—25——75～125100～150—32—75～125100～150125～175—3875～125100～150125～175150～200—50100～150125～175150～200150～20075～100—2.焊后后熱。焊后后熱的目的是為了釋放焊接殘余應力、改善焊縫塑性和韌性，防止產生冷裂紋，更重要的是加速擴散氫的逸除，改善焊接部位的機械性能。后熱溫度根據板厚不同一般為200～250℃，保溫時間為0.5～1h。遇有下列情況的焊縫，均應在焊后立即進行焊后后熱消氫處理。

厚度大于32mm，且材料標準抗拉強度下限值6b＞540MPa的球殼；厚度大于38mm的低合金鋼；鍛制凸緣與球殼板的對接焊縫；焊接試驗確定需消氫處理者。

3.整體熱處理。制作球罐的材料，隨著厚度的增加，施焊以后，焊縫產生的殘余應力不僅很復雜，而且數值也高，這是引起球罐在設計低應力下產生脆性破壞的主要因素。球罐整體熱處理的目的就是為了消除球罐組焊時產生的殘余應力，穩定球罐的幾何尺寸，改變焊縫金相組織，提高金屬韌性和抗應力的能力，防止裂紋的產生。球罐整體熱處理還能促使溶解氫析出，防止延遲裂紋的產生，預防滯后破壞，提高耐疲勞強度與抗蠕變強度。

球罐整體熱處理目前有兩種方法，即內燃法和電加熱法。使用最多的為內燃法。

(1)內燃法。內燃法是將焊接完畢并經檢驗合格的球體作為爐殼。在球體內布置一個或若干個燃燒器（噴油嘴），以霧化的輕柴油作為燃料，以石油液化氣作為點火器燃料，燃料在球罐內部不斷燃燒，產生熱對流和熱輻射加熱整個球體。為減少熱量的損耗，罐外用隔熱材料進行隔熱。熱處理溫度按設計要求，也可參照下表熱處理溫度鋼號熱處理溫度（℃）20R600±2516MnR600±2515MnVR570±2015MnVNR565±2007MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR565±2009Mn2VDR、16MnDR600±20熱處理恒溫時間，按球殼厚度每25mm恒溫1h計算，且不少于1h。

(2)電加熱法。電加熱法的原理和方法是將專門設計的電熱元件放置在球罐內下部，球罐外部用隔熱材料封閉，使球罐形成一個封閉式電爐。加熱時借助罐內空氣的對流將熱量均勻地傳給罐壁，從而達到加熱的目的。

(五)球罐的檢驗

1.焊縫檢驗。焊縫檢驗有外觀檢查、射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷及著色探傷等。外觀檢查主要是檢查焊縫外表質量，可用目測或放大鏡，要求焊縫及熱影響區不得有裂紋、氣孔、夾渣、凹陷、熔合性飛濺物等缺陷。有些焊縫的表面微小裂紋缺陷目測檢驗有困難，則需進行磁粉或著色探傷。焊縫的內在缺陷則采用射線探傷和超聲波探傷檢驗。

選擇100%射線探傷檢驗時，當球殼板厚度大于38mm時還應作超聲波探傷復檢，復檢長度不應小于所探焊縫長度的20%。選擇100%超聲波探傷時，應對超聲波探傷部位作射線探傷復檢，復檢長度不應小于所探焊縫長度的20%。水壓試驗后對焊縫應進行復查，復查數量不得小于焊縫全長的20%。

2.水壓試驗。水壓試驗的目的是為了檢驗球罐的強度、考核球罐組裝焊接質量，以保證球罐能夠承受設計壓力，經過水壓試驗尚能改善球罐內應力及承載能力。水壓試驗壓力一般為設計壓力的1.25倍，設計有特殊要求時按設計文件要求進行，試壓用液體一般為清潔的工業用水。

3.氣密性試驗。氣密性試驗的目的主要是檢查焊縫及各連接點的嚴密性。球罐的氣密性試驗應在水壓試驗合格后進行。由于氣密性試驗有一定的危險性，在試驗過程中應嚴格執行預先制訂的各項試驗步驟、技術要求和安全措施。氣密性試驗壓力一般等于設計壓力，介質為干燥、清潔的壓縮空氣或氮氣。