140萬(wàn) t/a延遲焦化裝置焦炭塔的制造及質(zhì)量控制

張峰斌

(洛陽(yáng)隆惠石化工程有限公司 ,河南洛陽(yáng) 471012)

1 前言

某煉油廠 140萬(wàn) t/a延遲焦化裝置焦炭塔按照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(98版)、鋼制塔式容器 (JB4710-2005)、鋼制壓力容器 (GB150-1998)、設(shè)計(jì)文件及 70BJ206-2005(中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司標(biāo)準(zhǔn))制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。本文根據(jù)該焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出并分析了該設(shè)備在制造過(guò)程中的關(guān)鍵及難點(diǎn),介紹了該設(shè)備的組裝焊接工藝及其焊接質(zhì)量控制過(guò)程。

2 技術(shù)特性及結(jié)構(gòu)型式

2.1 設(shè)備技術(shù)特性 (見(jiàn)表1)

表1 焦炭塔技術(shù)參數(shù)

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料

焦炭塔外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該焦炭塔泡沫層以下部分主體材料采用了具有高溫持久強(qiáng)度的低合金耐熱鋼15CrMoR鋼板,泡沫層以上部分主體材料選用復(fù)合板15CrMoR+0Cr13;筒體內(nèi)徑9000 mm,筒體長(zhǎng)度2 4000 mm,根據(jù)筒體厚度和材料的不同,筒體共分六大段。筒體下部通過(guò)一球形過(guò)渡段與錐形封頭相連,上部直接與球封頭連接。筒體上除了有 9個(gè)中子料位計(jì)專用螺母和 3個(gè)熱電偶管嘴外,沒(méi)有設(shè)計(jì)任何其它構(gòu)件。整臺(tái)焦炭塔的接管都位于球封頭上。主體與裙座靠大角焊縫連接。主體材料見(jiàn)表2。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表2 焦炭塔主體材料表

3 制造特點(diǎn)和難點(diǎn)

3.1 制造特點(diǎn)

焦炭塔直徑大、噸位重,無(wú)法整體制造;只能分段預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)安裝。根據(jù)焦炭塔的制造要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將其預(yù)制成 10個(gè)分段,然后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝和組焊。10個(gè)分段分別為:3個(gè)下部小錐體,1個(gè)球形過(guò)渡段與裙座的組合段,6個(gè)筒節(jié)和 1個(gè)上部球封頭與所有封頭接管的組合段。

3.2 制造難點(diǎn)

①焦炭塔承受的主載荷為疲勞應(yīng)力,是一臺(tái)疲勞設(shè)備。為了減小因應(yīng)力集中引起的疲勞破壞,設(shè)備本體所有對(duì)接焊縫余高需打磨與母材齊平,所有不連續(xù)處需打磨成圓角過(guò)渡。

②焦炭塔選用耐熱 Cr-Mo鋼板和 Cr-Mo鍛件,焊接時(shí)容易產(chǎn)生冷裂紋、馬氏體和延遲裂紋,且限于塔結(jié)構(gòu)上的原因,焊接后的各分段需要擱置較長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)行焊后熱處理,為此,需制定并嚴(yán)格執(zhí)行焊接預(yù)熱和后熱工藝規(guī)范。

③焦炭塔本體與裙座采用大角焊縫連接,焊接量 (約需 4.2 t焊條)特別大,不連續(xù)處圓滑過(guò)渡打磨質(zhì)量要求特別高,且本體與裙座連接處位置狹小,給焊縫焊接及打磨造成較大難度。

④復(fù)合板組焊要求的各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)較高,給制造帶來(lái)較大難度。

⑤法蘭堆焊時(shí),法蘭變形方向和法蘭口收縮量較難控制,且法蘭與接管組焊要求的各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)較高,需制定并嚴(yán)格執(zhí)行法蘭堆焊工藝及法蘭堆焊后機(jī)加工工藝。

4 組焊安裝及質(zhì)量控制監(jiān)督要點(diǎn)

由于焦炭塔外形尺寸較大,部件的現(xiàn)場(chǎng)組裝、焊接至關(guān)重要。因此,在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制與安裝過(guò)程中,要嚴(yán)格執(zhí)行組裝、焊接、焊接預(yù)熱和后熱、無(wú)損檢測(cè)、熱處理和水壓試驗(yàn)等工藝規(guī)范,要嚴(yán)格監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)組焊的質(zhì)量。

4.1 筒體組焊質(zhì)量控制

4.1.1 焊接規(guī)范

①母材鋼號(hào):15C rMoR;手工電弧焊焊接使用焊條:R307B,手工電弧焊焊接規(guī)范見(jiàn)表3(以壁厚 36 mm為例)。

表3 15C rMoR板材手工電弧焊焊接規(guī)范

②母材鋼號(hào):15C rMoR+0Cr13;手工電弧焊焊接使用焊條:基層 R307B,復(fù)層 ENiCrFe-3,手工電弧焊焊接規(guī)范見(jiàn)表4(以壁厚 22 mm+3 mm為例)。

表4 15C rMoR+0Cr13板材手工電弧焊焊接規(guī)范

4.1.2 焊接坡口

為了控制焊接接頭的焊接質(zhì)量和棱角度,15C rMoR合金板采用外側(cè)稍大,內(nèi)側(cè)稍小的 X型坡口,以 36 mm板厚為例,簡(jiǎn)圖見(jiàn)下頁(yè)圖2;15C rMoR+0Cr13復(fù)合板也采用外側(cè)稍大,內(nèi)側(cè)稍小的 X型坡口,且坡口復(fù)層剝皮 10 mm,以 (22+3)板厚為例,坡口簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖2 合金板縱、環(huán)縫坡口圖

圖3 復(fù)合板縱、環(huán)縫坡口圖

4.1.3 焊接順序

縱縫焊接順序:縱縫焊接時(shí),根據(jù)筒節(jié)縱縫的數(shù)量安排同等數(shù)量的焊工,每名焊工負(fù)責(zé)焊接一條縱縫,每條縱縫內(nèi) (外)第一層自下而上相隔 400 mm左右進(jìn)行分段跳躍退步立焊。第二層自上而下分兩段進(jìn)行退步焊,其余各層自下而上連續(xù)施焊。

環(huán)縫的焊接順序:環(huán)縫焊接時(shí),將每條環(huán)縫按每段 4 m左右進(jìn)行等分,然后每段安排一名焊工沿圓周均布,同時(shí)同向進(jìn)行分段退步橫焊,焊縫的層道數(shù)排列順序應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。

不論是縱縫還是環(huán)縫,原則上要求每條焊縫一次焊完,當(dāng)遇特殊情況必須中斷焊接時(shí),必須保持預(yù)熱不?；蛄⒓催M(jìn)行后熱,再次進(jìn)行施焊前,仍按原工藝進(jìn)行預(yù)熱。

4.1.4 監(jiān)督檢驗(yàn)內(nèi)容

①嚴(yán)格檢查筒節(jié)板的下料及成形質(zhì)量,實(shí)時(shí)將下料尺寸、坡口尺寸、滾圓弧度和滾圓后筒節(jié)板的實(shí)際尺寸控制在允許的最小公差之內(nèi);②嚴(yán)格檢查筒體的組對(duì)質(zhì)量,實(shí)時(shí)將筒節(jié)的組對(duì)間隙、對(duì)口錯(cuò)變量、直線度、橢圓度及外圓周長(zhǎng)控制在允許的最小公差之內(nèi);③嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量,檢查焊接工藝評(píng)定和焊工的焊接資格證并實(shí)時(shí)對(duì)焊接材料、焊接環(huán)境(主要指預(yù)熱和后熱溫度)、焊接工藝執(zhí)行情況和施焊過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè) (主要指焊前坡口,焊中清根后及堆焊前的磁粉檢查)等進(jìn)行監(jiān)控。

4.2 封頭組焊質(zhì)量控制

4.2.1 封頭結(jié)構(gòu)與一般措施

焦炭塔球形封頭由1 4塊球形瓜瓣和一個(gè)Φ3 642 mm的球形頂圓拼接而成。預(yù)熱、消氫處理及焊接工藝與 15C rMoR+0Cr13復(fù)合鋼板筒節(jié)相同。錐形封頭由一個(gè)球形過(guò)渡段和一個(gè)錐段組成?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)制時(shí),球形過(guò)渡段由 14塊球形瓜瓣拼接而成,錐段由三個(gè)分別有 6塊扇形瓜瓣拼接而成的小錐體組焊而成。預(yù)熱、消氫處理及焊接工藝與15C rMoR筒節(jié)的要求相同。

4.2.2 影響封頭成形質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)

焦炭塔封頭縱縫的組焊方法與筒體縱縫的組焊方法基本相同,其成形質(zhì)量高低的關(guān)鍵點(diǎn)在于組成封頭瓜瓣預(yù)制成形質(zhì)量的高低和環(huán)縫組焊質(zhì)量的控制。

封頭瓜瓣預(yù)制成形質(zhì)量是影響封頭整體成形質(zhì)量的主要因素。瓜瓣弧度是否預(yù)制到位是影響封頭組焊棱角度、錯(cuò)變量及外觀的主要因素,瓜瓣尺寸是否預(yù)制到位是影響封頭組對(duì)間隙、外圓周長(zhǎng)及錯(cuò)變量的又一重要因素。因此在封頭瓣片預(yù)制成形時(shí)一定要實(shí)時(shí)嚴(yán)加控制瓣片的弧度成形和尺寸公差,使其控制在最小公差范圍之內(nèi);同時(shí)在封頭瓣片驗(yàn)收時(shí)要進(jìn)行預(yù)組裝,以觀察封頭瓣片成形的整體效果。

封頭環(huán)縫的組焊質(zhì)量是影響封頭成形質(zhì)量的又一重要因素。封頭的外圓周長(zhǎng)和組對(duì)間隙的大小將直接影響到環(huán)縫的錯(cuò)變量。因此在進(jìn)行縱縫組焊時(shí)一定要將封頭的外圓周長(zhǎng)公差控制在最小范圍之內(nèi),同時(shí)在進(jìn)行環(huán)縫組焊時(shí)要按要求控制環(huán)縫的組對(duì)間隙。

4.2.3 監(jiān)督檢驗(yàn)內(nèi)容

①嚴(yán)格檢查封頭瓣片的成形質(zhì)量,實(shí)時(shí)將封頭的尺寸公差、形狀公差和坡口尺寸控制在允許的最小公差之內(nèi);②嚴(yán)格檢查封頭的組對(duì)質(zhì)量,實(shí)時(shí)將封頭的組對(duì)間隙、對(duì)口錯(cuò)變量、直線度、橢圓度及外圓周長(zhǎng)控制在允許的最小公差之內(nèi);③嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量,檢查焊接工藝評(píng)定和焊工的焊接資格證并實(shí)時(shí)對(duì)焊接材料、焊接環(huán)境 (主要指預(yù)熱和后熱溫度)、焊接工藝執(zhí)行情況和施焊過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)(主要指焊前坡口,焊中清根后及堆焊前的磁粉檢查)等進(jìn)行監(jiān)控。

4.3 裙座與本體連接角焊縫的組焊質(zhì)量控制

4.3.1 焊縫特點(diǎn)

焦炭塔筒體與裙座之間的連接角焊縫 (結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4),不僅要承受自身和物料質(zhì)量,還要經(jīng)受溫差引起的疲勞載荷,是焦炭塔的薄弱部位。但是由于該焊縫堆焊量 (約需 4.2 t焊條)特別大,不連續(xù)處圓滑過(guò)渡打磨質(zhì)量要求特別高,且本體與裙座連接處位置狹小,施工人員無(wú)法容身,給焊縫焊接及打磨造成較大難度,也是焦炭塔制造的一個(gè)難點(diǎn)。

4.3.2 焊接順序

由于該角焊縫內(nèi)側(cè)位置狹小,焊工無(wú)法接近焊縫進(jìn)行施焊,給焊縫內(nèi)側(cè)施焊造成了非常大的難度。為了降低工作難度,施焊時(shí)采取了如圖5所示的施焊順序 (焊接時(shí)先焊部位 1,再組對(duì)裙座,然后焊接部位 2,清除墊板,最后焊接部位 3完成角焊縫的堆焊)。采取此施焊順序,既保證了焊縫的焊接質(zhì)量,同時(shí)也在一定程度上減小了施工的難度。

圖4 本體與裙座連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 大角縫施焊順序示意圖

4.3.3 監(jiān)督檢查內(nèi)容

嚴(yán)格檢查焊縫的焊接質(zhì)量,檢查焊角高度并實(shí)時(shí)監(jiān)控焊縫施焊過(guò)程中的分層磁粉或滲透檢測(cè)。

4.4 法蘭堆焊質(zhì)量控制

4.4.1 焊接順序的探討

法蘭的堆焊有主要兩種焊接順序:①沿法蘭軸向分段對(duì)稱平焊周向成形;②沿法蘭周向分段平焊軸向成形。通過(guò)實(shí)踐證明,同規(guī)格法蘭采用第一種堆焊方法進(jìn)行堆焊,成形后法蘭橢圓度較大,采用第二種堆焊方法進(jìn)行堆焊,經(jīng)焊后尺寸檢查法蘭橢圓度幾乎為零,法蘭口整體收縮量 1mm左右。因此推薦使用第二種方法對(duì)法蘭進(jìn)行堆焊。

4.4.2 法蘭堆焊過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

在焦炭塔法蘭堆焊過(guò)程中,法蘭受熱面積大且受熱變形方向和焊接收縮量較難控制,可能導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題有:①法蘭口橢圓度大,導(dǎo)致法蘭機(jī)加工后堆焊層厚度和法蘭口壁厚不均勻;②法蘭口整體收縮,無(wú)法保證法蘭與接管的對(duì)口錯(cuò)變量。

4.4.3 解決問(wèn)題的辦法探討

實(shí)踐證明,雖然制定了合理的法蘭堆焊工藝和采用了較好的法蘭堆焊焊接順序,但是在實(shí)際操作中,仍會(huì)出現(xiàn)堆焊后法蘭口橢圓度和整體收縮較大的問(wèn)題。

為了解決此類(lèi)問(wèn)題,建議:①法蘭堆焊毛坯來(lái)料內(nèi)徑尺寸為正偏差,偏差值根據(jù)法蘭內(nèi)徑的不同建議取:1～2 mm;②制作專用卡具,在法蘭堆焊時(shí),對(duì)法蘭口進(jìn)行加固,以減小法蘭口焊后的橢圓度;③法蘭接管采用鋼板卷制時(shí),可以在預(yù)制接管前完成法蘭的堆焊工作,預(yù)制接管時(shí),根據(jù)法蘭口的實(shí)際尺寸卷制接管;④對(duì)于接管和法蘭組對(duì)后仍可以堆焊且機(jī)加工方便的,可以先進(jìn)行接管和法蘭的組焊,然后再進(jìn)行法蘭堆焊和機(jī)加工。

4.5 無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量控制

4.5.1 無(wú)損檢測(cè)項(xiàng)目

按表5的要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),其評(píng)定指標(biāo)按JB4730-2005。此外在焊后熱處理后還要對(duì)每條組焊焊縫進(jìn)行硬度檢查,要求硬度值不得大于 HB225。同時(shí)還要對(duì)對(duì)接接頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)光譜分析,鑒定焊縫的 Cr、Mo、Ni的含量 。

4.5.2 監(jiān)督檢查內(nèi)容

嚴(yán)格控制無(wú)損檢測(cè)的質(zhì)量,檢查無(wú)損檢測(cè)人員的資格證、無(wú)損檢測(cè)工藝和無(wú)損檢測(cè)報(bào)告并實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o損檢測(cè)工藝的執(zhí)行情況,抽查射線底片質(zhì)量和評(píng)定情況。

4.6 熱處理質(zhì)量控制

4.6.1 技術(shù)措施

為了控制焦炭塔法蘭的密封性能,該焦炭塔的焊后熱處理分為兩部分:①球封頭上的所有接管和最下部的小錐體與所對(duì)應(yīng)的法蘭組焊完畢后,進(jìn)行整體爐內(nèi)焊后熱處理,然后進(jìn)行密封面加工和現(xiàn)場(chǎng)組裝,焊縫組焊完成經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后,進(jìn)行局部熱處理。②除球封頭上所有接管和最下部的小錐體采用塔器內(nèi)部燃油法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整體焊后熱處理,具體方法:以焦炭塔內(nèi)部為爐膛,焦炭塔外部用保溫材料進(jìn)行絕熱保溫,選用 0#輕柴油 (隨氣溫選用標(biāo)號(hào))為燃料,通過(guò)噴嘴將燃料油噴入并霧化點(diǎn)燃,通過(guò)風(fēng)機(jī)送風(fēng)助燃,隨著燃油不斷燃燒產(chǎn)生的高溫氣流在塔體內(nèi)壁對(duì)流傳導(dǎo)和火焰熱輻射作用,使塔體升溫到熱處理所需的溫度。

表5 無(wú)損檢測(cè)比例及要求

4.6.2 熱處理工藝

嚴(yán)格執(zhí)行壓力容器制造技術(shù)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求的有關(guān)規(guī)定,焊后熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 焊后熱處理工藝參數(shù)

4.6.3 監(jiān)督檢查內(nèi)容

檢查熱處理工藝、熱處理環(huán)境、保溫材料質(zhì)量、熱處理工藝執(zhí)行情況、熱處理報(bào)告和熱處理曲線等

5 建議

在焦炭塔筒體與裙座的連接處采用 Y形整體鍛件作為過(guò)渡段,將焦炭塔筒體與裙座之間連接的角焊縫改為對(duì)接環(huán)焊縫。這可以明顯地改善該處的應(yīng)力分布,提高該處的焊接質(zhì)量,同時(shí)也能大大降低焦炭塔的施工難度和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。