鋼廠必備！飽和水蒸氣球罐技術(shù)參數(shù)、生產(chǎn)過程、實(shí)物圖及失效分析

球罐，就是球形的罐子，飽和水、蒸汽球罐就是里面裝飽和水和蒸汽的球罐，本質(zhì)上和家里的熱水壺差不多，但飽和水、蒸汽球罐工作壓力范圍1.0~4.0 MPa，屬于中壓容器，其設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用都受《特種設(shè)備安全法》監(jiān)管。

煉鋼作業(yè)后續(xù)會配一個蓄熱器（也叫飽和水、蒸汽球罐），是鋼廠余熱回收與蒸汽系統(tǒng)“調(diào)峰穩(wěn)壓” 的關(guān)鍵設(shè)備，本質(zhì)是蒸汽能量的 “緩沖存儲器”，用來平衡鋼廠蒸汽生產(chǎn)側(cè)和需求側(cè)波動，生產(chǎn)側(cè)波動比如轉(zhuǎn)爐吹煉期會瞬間產(chǎn)生大量高溫余熱蒸汽，供應(yīng)側(cè)波動比如鋼廠的蒸汽用戶（如軋鋼線的輥道加熱、脫硫脫硝系統(tǒng)、廠區(qū)采暖、生活用氣等）用汽量有峰谷波動，因此蓄熱器的核心作用削峰填谷和穩(wěn)壓保供。

圖 1 球形蒸汽蓄熱器實(shí)物圖

1 球形蓄熱器起源

球形蓄熱器誕生于2010年，將球罐應(yīng)用為高溫高壓容器，這是中國乃至世界首創(chuàng)。由于球體自身優(yōu)越的物理屬性，球形蓄熱器蓄熱效率高、投資省、占地小、運(yùn)行維護(hù)量小、出口蒸汽干度高等眾多優(yōu)勢與生俱來，為低壓蒸汽綜合利用帶來了巨大的技術(shù)進(jìn)步。其與傳統(tǒng)臥式蓄熱器的指標(biāo)對比詳見下表。

圖 2 臥式蓄熱器

2 球罐 P&ID（僅供參考）

球罐頂部設(shè)置安全閥組，超壓后安全閥起跳自動泄壓，常見球罐 P&ID 如下：

圖 3 球罐P&ID（僅供參考）

3 球形蒸汽蓄熱器技術(shù)參數(shù)

規(guī)格主要分 400 m3 和 650 m3，工作壓力1.0~4.0 MPa，工作溫度194~220℃，球殼板材質(zhì)Q345R或16Mn，安全閥整定壓力=設(shè)計(jì)壓力×0.95。其中650 m3 球形蓄熱器公稱容積650m3，球體直徑≈10.8m，支柱數(shù)量12~16根。

4 球閥生產(chǎn)過程展示

球閥由鋼板焊接而成，現(xiàn)在車間里將鋼板預(yù)成型成指定形狀，然后在項(xiàng)目現(xiàn)場先拼裝焊接球罐的腰部，最后拼裝焊接灌頂和罐底。

圖 4 球罐焊接過程展示

4 失效潛在模式分析

650m3 球形蒸汽蓄熱器作為鋼廠三類壓力容器，長期在高溫、高壓、間歇式蓄放熱（壓力 / 溫度頻繁波動）工況下運(yùn)行，失效模式主要集中在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性能、材料腐蝕、安全附件失靈四大類。

4.1 球殼板及焊縫失效（最核心風(fēng)險）

失效原因：

• 超壓運(yùn)行：安全閥失靈、蓄熱時充汽速率過快、液位超 80%（氣枕空間不足），導(dǎo)致罐內(nèi)壓力超過設(shè)計(jì)壓力
• 溫度波動疲勞：蓄熱階段溫度快速升高（如從 150℃升至 220℃），放熱階段溫度驟降，球殼板反復(fù)熱脹冷縮，產(chǎn)生熱應(yīng)力疲勞裂紋；
• 材質(zhì)缺陷：球殼板（Q345R）采購時存在夾層、疏松等冶金缺陷，或焊接時未嚴(yán)格執(zhí)行工藝（如焊前預(yù)熱不足、焊后未消應(yīng)力），導(dǎo)致焊縫存在未焊透、夾渣等缺陷，長期運(yùn)行后擴(kuò)展為裂紋

失效后果：球罐破裂，高溫蒸汽瞬間噴發(fā)，引發(fā)人員燙傷、設(shè)備損損，甚至廠區(qū)停產(chǎn)。

4.2 安全附件及接管失效（安全閥失效）

失效模式：卡澀、拒跳、誤跳、回座不嚴(yán)

失效原因：

• 蒸汽中的粉塵雜質(zhì)附著在閥芯密封面，導(dǎo)致卡澀；
• 彈簧疲勞或整定壓力調(diào)整錯誤；
• 安全閥長期未校驗(yàn)（超過 1 年），密封性能下降。

失效后果：超壓時安全閥拒跳，引發(fā)球罐超壓破裂；或誤跳導(dǎo)致蒸汽大量浪費(fèi)，管網(wǎng)壓力驟降。

防控措施：

• 安全閥入口加裝過濾器，防止雜質(zhì)進(jìn)入；
• 每年至少校驗(yàn) 1 次，起跳后立即離線校驗(yàn)；
• 采用雙安全閥配置（一用一備），提高可靠性

5 總結(jié)

壓力容器屬于特種設(shè)備，根據(jù)《特種設(shè)備安全法》其設(shè)計(jì)、制造和使用等環(huán)節(jié)都要接受當(dāng)?shù)靥貦z院的監(jiān)檢，鋼廠飽和水蒸氣球閥（球形蒸汽蓄熱器）也不例外，正常情況下，其附屬的安全閥等安全設(shè)施每年都需要送到特檢院進(jìn)行校定。

相較于化工裝備上的幾百兆的高壓容器而言，鋼廠4 MPa 的飽和水蒸氣球罐壓力并不高，但球罐如果出現(xiàn)爆炸，根據(jù)能量守恒理論，理論上灌頂拋射高度可達(dá)2000米以上，考慮到空氣阻力、結(jié)構(gòu)破碎能量、多碎片分散等因素，罐頂拋射高度的實(shí)際范圍約為 300~800 米，罐頂拋射高度極高，且碎片會以超音速飛行，對周邊數(shù)公里范圍的人員、設(shè)備造成致命傷害。因此，球罐必須嚴(yán)格執(zhí)行定期檢驗(yàn)、超壓聯(lián)鎖保護(hù)、安全閥 / 爆破片雙重安全裝置等規(guī)范。

安全無小事，對于安全閥起跳，很多化工廠認(rèn)為這是事故，需要調(diào)查分析，原因是設(shè)備失效造成工藝波動，如果出現(xiàn)不可控的化學(xué)反應(yīng)，造成壓力驟增，很可能會引生產(chǎn)安全事故。