七、球罐
球形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，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。
由上述特点可知，采用球罐，可大幅度减少钢材的消耗，一般可节省钢材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。
（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。
（1）球罐本体。球罐本体是球罐结构的主体；是球罐储存物料承受物料工作压力和液体静压力的构件；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、混合式结构三种形式。
（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。
1）柱式支座。它是由若干支柱组成的支座。支柱由无缝钢管制成，无缝钢管的大小规格及数量根据球罐的大小规格而定。
赤道正切柱式支座是使用最多的一种形式。它的结构是支柱正切于球罐的赤道带；各支柱间有拉杆连接，以加强受力情况。
2）裙式支座。这种结构的特点是支座较低，由钢板制成。其优点是稳定性好，节省钢材。
3）半埋入支座。这种结构是半球体支承于钢筋混凝土基础上。
（3）球罐的附件
1）梯子平台
2）人孔和接管
3）水喷淋装置
4）隔热和保冷设施
5）液面计
6）压力表
2.球罐分类
球罐的结构是多种多样的，根据不同的使用条件（介质、容量、压力和湿度）有不同的结构形式。通常按照外观形状、壳体构造和支承方式的不同来分类。
（二）球罐的安装施工
1.球罐的拼装方法
球罐的拼装方法有多种，可根据球罐的容量、结构形式、施工现场及组装平台的大小、施工单位吊装机具及人力资源情况进行合理选择。
（1）分片组装法
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，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，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。组合的球壳片瓣数多少为宜，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。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。另一种，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。
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，然后在平台上划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20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，需沿大口中心线错开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（±2mm）来控制上、下口的同心度。
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。
上述这些组装方法中，在施工中较常用的是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，技术要求十分严格。
（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烘干、恒温和保温；焊条一般在250℃的烘干箱内烘干2h，随烘随用；未经烘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、韧性的降低，并可以除去表面水分。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10Omm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℃），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；另外，焊缝应力分布也比较复杂，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。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。如设计无要求时，对于A3R钢、16MnR钢热处理温度宜为625±25℃；对于15MnVR钢宜为570±25℃；对于15MnVNR钢宜为565±15℃。
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。球罐做表面保温处理，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。对焊缝表面质量检验、检查的方法主要靠目测，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采用无损探伤检验。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的焊缝还应做超声波探伤复检，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做射线探伤复检，复检长度不应小于所探焊缝总长的20%。
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：
（2）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，球罐应具备的条件
2）水压试验步骤
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。
