尿素合成塔更換襯里及焊接技術(shù)

張俊青

(中化二建集團(tuán)有限公司，山西太原 030021）

0 前言

尿素合成塔設(shè)備是國(guó)內(nèi)最常見的帶有內(nèi)襯里的化工設(shè)備之一，由于長(zhǎng)期使用對(duì)內(nèi)壁的耐腐層產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和安全使用，但是設(shè)備的外殼體依然符合技術(shù)安全要求。針對(duì)這個(gè)問題，采用現(xiàn)場(chǎng)拆除舊襯里，再重新貼上一層新襯里，使設(shè)備恢復(fù)原有的技術(shù)要求，達(dá)到可以正常運(yùn)行和安全使用的目地，這樣不僅縮短了生產(chǎn)停車周期，還能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，節(jié)約設(shè)備更換成本。在此以中海石油天野化工集團(tuán)有限公司尿素裝置尿素合成塔更換襯里為例，具體論述襯里更換過程，并總結(jié)出施工經(jīng)驗(yàn)。

先將尿素合成塔從塔體從中間焊縫處切開，將上半塔體倒置使其開口向上，然后對(duì)上下兩個(gè)塔體進(jìn)行舊襯里的拆除和新襯里更換。更換完畢且所有程序檢驗(yàn)合格后將上半塔體回裝就位與下半塔體重新焊接并進(jìn)行熱處理。整個(gè)過程在考慮質(zhì)量和進(jìn)度的前提下需要合理安排各項(xiàng)工作時(shí)間，保證各項(xiàng)工作緊密銜接。

1 方案選擇

1.1 設(shè)備概況

中海石油天野化工尿素裝置尿素合成塔是1993年制造，1996年投入運(yùn)行，到2011年8月已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行近16年。該設(shè)備從1996年運(yùn)行至今，經(jīng)歷次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，襯里因腐蝕已嚴(yán)重減薄，并威脅到正常生產(chǎn)，必須全部更換尿素合成塔的襯里。

尿素合成塔筒體單層結(jié)構(gòu)如圖1所示，其規(guī)格為φ2 164 mm×98 mm×44 900 mm。筒體厚98 mm，材質(zhì)為A737GRC。筒體襯里由上至下共22節(jié)，第1～4節(jié)：1802.5mm，第5節(jié)：1797.9mm，第6節(jié)：1900mm，第7～8節(jié)：1 802.5 mm，第9～22節(jié)：1 845 mm。筒體襯里材質(zhì)為316L（mod），厚5mm。上、下封頭為球缺封頭，封頭厚55mm，R=1100mm，材質(zhì)均為A737GRC。上、下封頭襯里的材質(zhì)為316L（mod），厚5 mm。尿塔空重266 t，容積150.97 m3。新襯里排版見圖2。

為保證生產(chǎn)要求襯里更換工期確定為38天。

2.2 方案

2.2.1 方案簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)常用的尿素合成塔更換襯里的方案有三種：

（1）整體拆除方案。將塔體整體拆除運(yùn)回原廠進(jìn)行襯里的重新更換。

（2）切割筒體環(huán)焊縫更換襯里方案。從合成塔中間切割原來的焊縫，將塔體分為兩段同時(shí)進(jìn)行襯里的更換，襯里更換完畢之后將合成塔恢復(fù)。

（3）切割封頭更換襯里方案。切割合成塔頂部的封頭，通過頂部開口進(jìn)行合成塔襯里的更換，更換完畢之后恢復(fù)頂部封頭。

2.2.2 方案對(duì)比

整體拆除方案更換周期很長(zhǎng)，費(fèi)用很高，因此不做考慮。只對(duì)切割筒體環(huán)焊縫更換襯里方案和切割封頭更換襯里方案進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 更換襯里方案對(duì)比

2.2.3 方案選定

通過對(duì)比兩種方案可以看出切割筒體環(huán)焊縫換襯里方案與切割封頭換襯里方案各有利弊。尿素合成塔本身沒有框架，無論采取哪種方案都需要搭建施工框架。由于施工工期為38天，工期較緊，因此選用切割筒體環(huán)焊縫施工方案。

3 施工簡(jiǎn)述

3.1 舊襯里拆除

尿素合成塔共22節(jié)筒體，決定采取將尿塔從第六、七節(jié)筒體環(huán)焊縫（即第12、13節(jié)襯里環(huán)縫對(duì)應(yīng)位置）處切割開。切割完畢后，由大吊車將塔體水平放置后拆除內(nèi)部的塔盤和溢流管道。拆除完畢之后由吊車將上半塔體倒置吊入搭建的檢修框架之中，同時(shí)拆除上下塔體內(nèi)的舊襯里。由于襯里更換工作精度要求較高，進(jìn)入檢修框架要由兩臺(tái)經(jīng)緯儀90°方位對(duì)塔體進(jìn)行找正，在確保垂直度的前提下方可就位。

3.2 更換襯里

（1）更換襯里時(shí)，施工人員需要進(jìn)入塔內(nèi)進(jìn)行襯里的安裝和焊接工作，進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)需要使用吊筐，由框架頂部的電動(dòng)葫蘆將吊筐送入塔內(nèi)。

（2）為保證進(jìn)度可以制作帶有固定裝置的吊筐，在確保吊筐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在吊筐的上部和下部各增加4個(gè)頂絲和4個(gè)可調(diào)整的滑輪。每個(gè)吊筐上就有8個(gè)頂絲和8個(gè)可調(diào)整的滑輪?；喸诘蹩鹕禃r(shí)可以緊挨塔壁起到穩(wěn)定升降的作用。

（3）當(dāng)?shù)蹩鸬竭_(dá)操作位置時(shí)，緊固頂絲將吊筐固定在操作位置。在施工時(shí)可以在一段塔體內(nèi)同時(shí)固定多個(gè)操作吊筐，到達(dá)多處同時(shí)工作的立體施工效果，從而加快施工進(jìn)度。

在更換襯里時(shí)考慮到碳鋼筒體在組對(duì)、焊接完后需要進(jìn)行600℃±15℃的熱處理，而新襯里材料725LN奧氏體不銹鋼板在超過560℃時(shí)會(huì)發(fā)生金屬相析出，影響其材料的耐腐蝕性能。為解決這一問題，可以采取以下措施：

a.第一種方法——將中間兩襯里筒節(jié)改成三襯里筒節(jié)。第12、13節(jié)襯里長(zhǎng)度均為1845mm，為避免新襯里與碳鋼筒體一起做熱處理，在貼襯安裝前可將原有的兩襯里筒節(jié)進(jìn)行拆分，預(yù)留出一定寬度的碳鋼筒體熱處理區(qū)域，在碳鋼筒體組對(duì)、焊接、熱處理完畢后，最后再安裝預(yù)留的襯里筒節(jié)。

b.第二種方法——降低碳鋼筒體熱處理溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間：碳鋼筒體材質(zhì)為20MnMoNi45，屬于ASME P-No.3組3材料，根據(jù)ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不能按其規(guī)定進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，允許以較長(zhǎng)保溫時(shí)間在較低溫能設(shè)定最高熱處理溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間的熱處理工藝是可行的。

襯里筒節(jié)二改三的優(yōu)點(diǎn)是：有效避開了熱處理工藝對(duì)襯里材料的影響，更好地保護(hù)了襯里材料原有的耐腐蝕性。但缺點(diǎn)也很明顯，襯里二改三后，對(duì)接處環(huán)焊縫位置發(fā)生了變化，環(huán)焊縫數(shù)量增加使得這兩節(jié)襯里筒節(jié)獨(dú)立的檢漏通道被打亂。為了彌補(bǔ)這一影響，需對(duì)該處襯里的檢漏通道重新設(shè)置，開設(shè)新的襯里筒節(jié)檢漏通道。而在開設(shè)新的襯里筒節(jié)檢漏通道打磨、堆焊筒體耐腐蝕層時(shí)會(huì)出現(xiàn)十字交叉焊縫，影響其焊接質(zhì)量。襯里筒節(jié)二改三是在塔體恢復(fù)完畢并熱處理完后在進(jìn)行熱處理區(qū)域的襯里貼裝的，因此所需要的施工周期較長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度。所以優(yōu)先選擇降低碳鋼筒體處理溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間的方法。

3.3 酸洗鈍化

3.3.1 酸洗部位

酸洗總體分為三個(gè)部分：襯里板酸洗、人孔蓋酸洗、塔體環(huán)焊縫酸洗。3.3.2 酸洗順序

在滾完圓后進(jìn)行襯里板酸洗，在塔下進(jìn)行人孔蓋酸洗，環(huán)焊縫最后酸洗，酸洗鈍化結(jié)束后應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行氨滲漏檢驗(yàn)。

3.4 塔體恢復(fù)

（1）襯里更換完畢后將塔體上半段吊出框架水平放置，安裝溢流管線。

（2）在上半段塔體復(fù)位前，先對(duì)上、下塔口的坡口進(jìn)行處理，形成焊接用的過渡層用于提高塔口對(duì)接時(shí)的可焊性，為保證焊接質(zhì)量做準(zhǔn)備。

（3）做好過渡層后，再用機(jī)加工工具按焊接工藝要求加工出成型坡口，要保證兩塔口的水平度。坡口堆焊前和機(jī)加工后表面進(jìn)行100%MT檢驗(yàn)，合格后方可進(jìn)行下一步工作。

（4）上半段塔體復(fù)位吊裝組對(duì)時(shí)，設(shè)兩臺(tái)經(jīng)緯儀以90°夾角方位測(cè)量尿素合成塔組對(duì)時(shí)的垂直度，垂直度控制在[H/1 000(<30 mm)，H為上半段塔體高度]的范圍內(nèi)]。

（5）待垂直度符合要求后才能進(jìn)行點(diǎn)固，預(yù)熱焊接。塔體焊接要24h連續(xù)進(jìn)行。為了防止環(huán)境氣候?qū)附淤|(zhì)量的影響，需要在焊接工作開始前在塔體上安裝防雨圍裙。

（6）上半段塔體焊后先進(jìn)行消氫處理，冷卻后再進(jìn)行100%RT和20%UT檢驗(yàn)。

（7）上半段塔體質(zhì)量154 t，塔體焊接和熱處理時(shí)應(yīng)充分考慮刮風(fēng)下雨和上半段塔自身質(zhì)量的影響。因此，在此項(xiàng)工作過程中需要大吊車一直處于工作狀態(tài)，給塔一個(gè)上升力不能松鉤，待熱處理完畢以后才能撤走大吊車。

4 施工環(huán)境

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)要考慮季節(jié)因素，施工時(shí)間通常是高溫炎熱季節(jié)，要做好防暑降溫。由于更換襯里是在塔內(nèi)進(jìn)行的，所以要保證塔內(nèi)的通風(fēng)，具體做法是：在塔口上方向安裝兩部空調(diào)向塔內(nèi)提供涼風(fēng)。同時(shí)，在塔底向塔內(nèi)提供工廠空氣的方式來改善工作環(huán)境，保證作業(yè)人員安全。

5 施工總結(jié)

尿素合成塔更換襯里施工前要選擇適合的切割方案，選擇切割方案時(shí)要以保證施工工期為前提，綜合考慮施工難度、施工環(huán)境、施工氣候。

在更換襯里時(shí)要考慮碳鋼筒體熱處理時(shí)對(duì)新?lián)Q襯里的材質(zhì)影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和施工難易程度在保證質(zhì)量的前提下，選擇適合施工的措施來防止熱處理對(duì)新襯里材質(zhì)的影響。

施工時(shí)合理安排施工順序，盡量把襯里的吊裝和組對(duì)工作安排在白天進(jìn)行，晚上再進(jìn)行襯里的焊接工作，從而確保施工進(jìn)度。筒體的吊裝、組對(duì)、焊接擇日而定，盡量避免在刮風(fēng)下雨的天氣情況下進(jìn)行，以保證作業(yè)安全和焊接質(zhì)量。

襯里焊接工藝的選定。襯里筒節(jié)組對(duì)焊接操作全為立焊，為了確保焊接質(zhì)量，對(duì)縱焊縫采取氬弧焊+焊條電弧焊+氬弧焊的焊接工藝，對(duì)環(huán)焊縫采取氬弧焊+焊條電弧焊的焊接工藝。襯里焊縫焊接完畢后進(jìn)行酸洗鈍化，再進(jìn)行100%PT檢驗(yàn)。水壓試驗(yàn)后再做襯里的氨滲漏檢驗(yàn)。

6 結(jié)論

中海石油天野尿素合成塔于2011年8月16日開始襯里更換工作，9月22日全部施工結(jié)束并投入運(yùn)行。比原計(jì)劃工期提前3天完工。目前運(yùn)行狀況良好。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)該種襯里更換方法確實(shí)可行，從施工技術(shù)角度出發(fā)，質(zhì)量、安全、工期有保證。為國(guó)內(nèi)其他尿素裝置同類設(shè)備的檢修提供了經(jīng)驗(yàn)。