保溫壓煮器的制造技術(shù)

陳海峰， 仙運(yùn)昌， 白國娟， 吳和斌

（山西陽煤化工機(jī)械有限公司，山西 太原 030032）

壓煮器是拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的主要設(shè)備，它是一種利用管束對(duì)漿料進(jìn)行間接加熱的高壓反應(yīng)釜。山西陽煤化工機(jī)械有限公司為山西魯能晉北鋁業(yè)有限公司制造的預(yù)熱、加熱、保溫、停留等階段壓煮器共55臺(tái)，本文介紹保溫壓煮器技術(shù)參數(shù)及制造方案。

1 保溫壓煮器技術(shù)條件

1.1 技術(shù)參數(shù)（見表1）

表1 保溫壓煮器技術(shù)參數(shù)

1.2 設(shè)備規(guī)格、材質(zhì)及制造要求

該設(shè)備筒體直徑為Φ3 000mm，總高為18m，質(zhì)量為115.04t。設(shè)計(jì)要求制造殼體、封頭的鋼板Q345R符合GB 713-2008，且應(yīng)在正火狀態(tài)下使用，并逐張進(jìn)行超聲檢測，逐張進(jìn)行拉伸和夏比（Ⅴ型缺口）沖擊（常溫）試驗(yàn)。封頭不允許拼接，殼體上的每條A類和B類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測，并附加≥20%的超聲復(fù)驗(yàn)，C、D類焊縫進(jìn)行磁粉檢測，設(shè)備要求整體熱處理，消除焊接應(yīng)力；法蘭為16Mn鍛鋼，Ⅲ級(jí)合格。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 焊接控制［1-5］

2.1 焊材及坡口形式確定

圖1 壓煮器示意圖

Q345R鋼是在20＃鋼的基礎(chǔ)上加錳與硅進(jìn)行強(qiáng)化形成的C-Mn鋼，屬于普通低合金中等強(qiáng)度鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性。但Q345R的缺口敏感性比碳鋼大，疲勞強(qiáng)度低，焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋，其化學(xué)成分見第62頁表2。

根據(jù)我公司已有的焊接工藝評(píng)定確定基本施焊 參數(shù)，見表3。

表2 Q345R化學(xué)成分%

2.2 焊前預(yù)熱

根據(jù)NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》中表4，對(duì)于規(guī)定的抗拉強(qiáng)度下限值490MPa且厚度大于25mm的Fe-1類材料（包括Q345R），焊接前要預(yù)熱，最低溫度為80℃。Q345R定位焊或正式焊接前應(yīng)采用履帶式加熱器進(jìn)行預(yù)熱，內(nèi)外側(cè)采用保溫棉進(jìn)行保溫，預(yù)熱溫度≥120℃，層間溫度120℃～250℃。焊接過程中使用紅外測溫儀進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)焊縫焊接溫度低于要求時(shí)，立即加熱到規(guī)定要求溫度，再進(jìn)行焊接；層間溫度過低或超高時(shí)，應(yīng)立即采取補(bǔ)熱、停焊的方法，待層間溫度達(dá)到施焊條件后再進(jìn)行焊縫焊接。

2.3 焊材烘烤

焊接材料在使用前按照說明書進(jìn)行充分烘烤，焊條J507烘干溫度控制在350℃，保溫時(shí)間為1h。焊劑HJ350，烘干溫度控制為250℃，保溫2h。烘烤合格的焊材保存在100℃～150℃恒溫箱中，隨取隨用。焊條的烘焙、發(fā)放應(yīng)專人負(fù)責(zé)，按要求填寫《焊材烘焙記錄》。焊條在現(xiàn)場使用時(shí)，必須放置在保溫性能良好的焊條保溫桶中，放置時(shí)間不應(yīng)超過4h，否則要求重新烘烤。焊條的重新烘烤次數(shù)不得超過3次。焊絲在使用前必須徹底清除表面的油污和鐵銹。

2.4 施焊過程的控制

焊接由具有相應(yīng)資格的焊工擔(dān)任，并應(yīng)按照符合現(xiàn)場實(shí)際且評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行焊接。

1）焊接坡口表面及兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的油污、臟物及鐵銹須清理干凈。焊前預(yù)熱、層溫控制及焊接規(guī)范須嚴(yán)格按焊接工藝要求執(zhí)行。焊后須將焊接熔渣、飛濺物清理打磨干凈，并在相應(yīng)部位進(jìn)行焊工代號(hào)標(biāo)記。

2）焊接引弧應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行，每層焊道引弧點(diǎn)依次錯(cuò)開且不小于80mm，宜采用后退引弧法。熄弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑。如有弧坑缺陷，應(yīng)用砂輪機(jī)清除。

3）在焊接過程中，每條焊縫宜一次連續(xù)焊完。如因故中斷，應(yīng)采取保溫緩冷的辦法防止裂紋產(chǎn)生。重新開始焊接前，應(yīng)仔細(xì)檢查確認(rèn)無裂紋，并按原規(guī)定進(jìn)行預(yù)熱。多道焊或多層焊時(shí)，應(yīng)注意道間和層間清理，將焊縫表面熔渣、有害氧化物、油脂、銹跡等清除干凈后再繼續(xù)施焊。

4）焊后采用碳弧氣刨清根，并用砂輪機(jī)修磨，必須將定位焊的熔敷金屬層清除干凈，清根后的坡口寬度保持一致。焊縫在清根完成后進(jìn)行根部磁粉檢測，根部焊道要求無裂紋、夾渣、氣孔，合格后進(jìn)行焊接。

5）焊后應(yīng)立即采取加熱300℃～350℃、保溫1h的消氫處理，并保溫緩冷。

3 設(shè)備制造工藝和過程控制

設(shè)備中的NaOH溶液利用管束中蒸汽加熱，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)攪拌軸以30r/min的速度旋轉(zhuǎn)，對(duì)溶液進(jìn)行攪拌。從圖1和其工作原理可知，必須保證上、下封頭中心孔的同軸度以及攪拌裝置中上、下法蘭密封面與中心孔的垂直度在一定的范圍內(nèi)。

3.1 上、下封頭組件

1）制作分廠將上、下封頭在平臺(tái)上找整，按毛坯圖劃出封頭中心線及0°、90°、180°、270°方位線，劃出各管口位置線，并標(biāo)識(shí)清晰。檢驗(yàn)合格后，氧氣切割各接管底孔（預(yù)留20mm加工量）。

2）上、下封頭組焊工藝圈后，利用5m大立車按一次加工圖加工端面坡口，調(diào)頭，加工中心整體法蘭管孔及坡口。在鏜床上，粗、精鏜封頭上其余各整體法蘭管孔及坡口，檢驗(yàn)合格。

3）組焊除中心法蘭外的其余方位各成品法蘭；組焊中心部位毛坯法蘭，并留加工量于中心法蘭上端面。中心法蘭的組焊必須高度重視，在平臺(tái)上利用專用胎具確保中心法蘭相對(duì)于軸線的垂直性和同軸性。

4）焊縫檢測合格并封頭組件熱處理完成后，在5m大立車上夾持已加工過的封頭端口，加工中心法蘭端面及密封面。

5）法蘭密封面車制完成后，找正，劃出中心法蘭的螺栓孔位置線，并打樣沖眼。

6）鉆、擴(kuò)中心法蘭上的螺栓孔。

7）檢驗(yàn)。

3.2 筒體制作

Φ3 000mm×72L筒體的卷制在3 000mm×110mm卷板機(jī)上完成，各筒節(jié)的組對(duì)焊接在200t防竄滾輪架上進(jìn)行，其制作、工序流轉(zhuǎn)及檢驗(yàn)嚴(yán)格按照《壓力容器主要受壓元件工藝過程卡》執(zhí)行。制作完成后，沿0°、90°、180°、270°拉4根0.5mm 細(xì)鋼絲，檢測筒體的直線度偏差及端面的平行度偏差。同時(shí)，劃出筒體的十字中心線，并按管口方位圖位置和焊接工藝規(guī)定的坡口形式，采用馬鞍形數(shù)控切割機(jī)加工筒體上各接管孔。清除加工后的油污，檢驗(yàn)合格。

3.3 主體組焊順序

1）按方位線組焊筒體與下封頭的二次加工件。

2）裝入管束部分后，組焊上封頭的二次加工件。以下封頭中心管口的端面和凹面臺(tái)階及內(nèi)孔為基準(zhǔn)，用特制的“激光指向儀”所發(fā)出的光和上封頭中心法蘭上的接受鏡中心重合來確定上封頭組焊的正確位置（見圖2）。上、下封頭組焊后同軸度和垂直度的檢驗(yàn)見圖3。保證上、下中心法蘭的同軸度偏差為小于2mm，上、下法蘭密封面與設(shè)備軸線垂直度偏差小于0.5mm。

圖2 上封頭組焊位置

圖3 同軸度和垂直度的檢驗(yàn)

3）組裝、組焊裙座和筒體上各整體法蘭及接管法蘭。裙座的安裝和各管口位置公差的檢驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格遵循JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》［3］制造、檢驗(yàn)之規(guī)定。

4）無損檢測。無損檢測技術(shù)是一種在不損壞和不破壞材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)備的情況下，利用材料物理性質(zhì)因由缺陷而發(fā)生變化的現(xiàn)象來判斷其內(nèi)部和表面是否存在缺陷的一種檢測方法，是焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)的重要手段。焊縫通過表面質(zhì)量檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行無損探傷。該設(shè)備A、B類焊接接頭按JB4730.1-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%射線探傷檢測，結(jié)果不低于Ⅱ級(jí)合格；采用超聲波探傷進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)長度不小于各條焊縫長度的20%，其中應(yīng)包括所有的T型焊接部位，結(jié)果符合JB4730.2-2005Ⅰ級(jí)合格；接管與殼體及封頭的焊縫應(yīng)進(jìn)行磁粉探傷，按JB4730.4-2005Ⅰ級(jí)合格；所有接管與筒體、封頭的角焊縫必須全焊透，并進(jìn)行超聲波探傷，Ⅰ級(jí)合格。

5）消除應(yīng)力熱處理。根據(jù) GB150.4-2011［1］中8.2焊后熱處理（PWHT）要求及 HG/T 20581-2011中7.8.1中盛裝NaOH溶液熱處理的規(guī)定，本設(shè)備焊縫檢測合格后應(yīng)進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理。

熱處理時(shí)，對(duì)設(shè)備內(nèi)的管束采用十字拉筋進(jìn)行分段加固。熱處理完成后，從人孔中取出加固件。整體熱處理在我公司重型容器分廠中Φ5m×25m電阻爐中進(jìn)行，爐內(nèi)配有RT-2030-1型電阻加熱片以及均布的傳感器測溫計(jì)。熱處理時(shí)間與溫度曲線如圖4所示。

圖4 熱處理時(shí)間與溫度曲線

熱處理操作過程中，要及時(shí)調(diào)整爐內(nèi)正壓值，防止?fàn)t內(nèi)正壓過高，仔細(xì)觀察熱電偶顯示溫度。保證爐內(nèi)升溫速度控制在70℃/h，降溫速度控制在80℃/h，保溫溫度（620±20）℃，保溫約2.5h。降溫至400℃時(shí)，在空氣中冷卻至常溫。

4 結(jié)束語

我公司在保溫壓煮器的制造過程中，對(duì)零部件制作、組對(duì)、焊接、檢測、熱處理、水壓試驗(yàn)等工序進(jìn)行了嚴(yán)格控制，2010年交付用戶現(xiàn)場。至今，設(shè)備運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足了設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝要求。

［1］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 150-2011 壓力容器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］ 國家發(fā)展和改革委員會(huì).JB/T4730.1～4730.6-2005承壓設(shè)備無損檢測［S］.北京：新華出版社，2005.

［3］ 國家發(fā)展和改革委員會(huì).JB/T 4710-2005 鋼制塔式容器［S］.北京：新華出版社，2005.

［4］ 國家能源局.NB/T 47015-2011 壓力容器焊接工藝規(guī)程［S］.北京：新華出版社，2011.

［5］ 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.HG/T 20581-2011鋼制化工容器材料選用規(guī)定［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2011.