大型塔器制造過程中的質量控制

胡開龍

（陜西升力科技能源服務有限公司，陜西咸陽 712000）

0 引言

大型塔器是石油化工、新能源行業(yè)必不可少的重要設備，常用于熱量交換、氣體分離、化學反應等過程，一般具有耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等特點。大型塔器的結構復雜，主要由筒體和管道組成，常用材料為Q345R，制造過程中焊接成型量大、開孔接管多、生產周期長，所以生產過程的質量控制尤為重要。

以國內某新能源項目中的大型吸附塔生產制造為例，該塔器涉及到大量焊接，并且需要進行無損檢測、焊后熱處理，檢測合格后方可進行水壓試驗，必要時進行氣壓實驗和氣密試驗。所以塔器質量控制要點就在制造前塔器結構分析，制造過程中劃線開孔、組對焊接、無損檢測、熱處理，制造完成后壓力試驗。本文將從這3 個方面分析其制造過程中的質量控制。

1 塔器結構分析

塔器的結構多種多樣，有的結構簡單，僅分為筒體和內件兩大部分，如精餾塔；有的塔器結構很復雜，有筒體、半管、翅片管、匯管，如活性炭吸附塔。本文將從參與過的項目活性炭吸附塔入手，該塔直徑3.3 m，直筒段高14.0 m，上封頭高度1.2 m，下封頭及底座3.0 m，設備總高近22 m。因為結構復雜的塔器有很多部件，很難全部把控到位，一些影響產品質量的一定要嚴格把關，而對一些輔助結構件，則可以依靠程序文件內控。這就要求對塔器結構非常熟悉，明白主次，做到避輕就重。

1.1 筒體

結構上，活性炭吸附塔筒體的成型比較簡單，但功能卻很重要。筒體就是設備本體，主要是作為承壓容器，利用活性炭吸附分離氫氣中的氯化氫、氯硅烷，提純氫氣濃度。氫氣是易燃、易爆炸氣體，泄漏危害特別大，所以筒體對密封性要求很高。

筒體一般由一定數(shù)量的筒節(jié)組成，筒節(jié)是由鋼板卷制而成，根據(jù)筒體長度，再把一定數(shù)量的筒節(jié)組對在一起形成筒體，筒節(jié)縱縫和筒體環(huán)縫都是埋弧焊接。需要注意的是，筒節(jié)組對時，相鄰兩縱縫需相隔180°，目的有兩個：一是防止環(huán)縫對接時縱縫接頭搭接，二是防止筒體劃線開孔時孔開在縱縫上。這也是國家標準不允許的情況。另外，塔器筒體有好多接管，在筒節(jié)組對時需要整體結構考慮，避免劃線開孔開在焊縫上，影響筒體焊接質量。

1.2 夾套半管

半管即一定直徑鋼管的1/2，呈螺旋狀環(huán)繞在筒體上，它作為冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，能快速冷卻筒體溫度，同時也承受一定壓力。為了滿足換熱面積，半管在筒體上均布有42 圈，總長度約430 m，焊縫總長度約860 m，這是非常大的焊接量，而且半管還要避開筒體上的接管孔，還得考慮半管進水口和出水口在筒體上角度位置，與外接管定位尺寸。這就要求半管組裝時整體考慮接管位置、角度，避免出現(xiàn)半管進出水接口位置變化，實際上也出現(xiàn)過類似問題，半管組裝時沒有考慮螺旋結構的特點，先定位進水口還是先定位出水口？導致進出水接管口位置出現(xiàn)變化，最終經過很大調整才符合圖紙要求。

1.3 夾套翅片管

夾套翅片管是由規(guī)格Φ88.9×8 mm 和Φ60.3×5 mm 的無縫管套在一起，兩支鋼管壁間隙為6 mm，兩支鋼管形成一個閉合循環(huán)，外套管周向間隔60°焊接有2000 mm 的翅片，整個14 m長的外套管分布焊接翅片，應力比較集中，外套管壁厚比較薄，導致外套管焊縫容易開裂，所以在焊接翅片時注意焊接線能量，盡量減少能量集中，減少應力集中。整臺吸附柱有66 支夾套翅片管，這種結構就需要焊接完成后必須進行整體退火熱處理，防止翅片焊縫開裂，翅片管變形。

1.4 進出水匯管

吸附柱底部有兩層環(huán)形匯管，每層有4 圈匯管，上面一層匯管和66 支夾套管的內套管連接，下面一層匯管和66 支夾套管的外套管連接，這樣內外套管通過兩層匯管串聯(lián)起來，形成一個閉合回路，飽和熱水從下面一層匯管進入外套管，流經內套管，再從上面一層匯管流出。因為每一支環(huán)形匯管都與夾套翅片管通過接管焊接連接，最內圈匯管要焊接4 支接管，最外圈匯管要焊接21 支接管，焊接量非常大，對接難度也很大，所以在焊接前匯管劃線開孔很重要，如果孔的位置沒有定位好，在接管組對時就很難找正，影響匯管焊接質量。

2 制造過程質量控制

從以上對吸附柱結構分析可以看出，在生產過程中有大量的劃線開孔、組對焊接，那么焊縫的焊接、無損檢測及焊后熱處理就是我們制造過程中質量控制的重點。

首先是劃線開孔，塔器筒體上有溫度計接管，需要劃線開孔，半管上有進出水接管，需要劃線開孔，匯管要和夾套翅片管連接，也需要劃線開孔。劃線開孔的位置尺寸、角度直接決定組對質量，在劃線時一定要先和圖紙核對確認，孔的位置、角度、直徑，這道工序非常重要，要專門作為關鍵停止點。塔器設備尺寸很大，筒體上的好多接管位置、角度很接近，比如相同位置上30°和45°上各有一個接管，很容易將兩個孔混淆，一旦開錯孔，這節(jié)筒體很可能就報廢。而且孔要用油漆筆畫出，標出中心位置不能簡單用石筆畫，很容易磨損掉。

其次，劃線開孔下道重點工序就是就是焊縫組對檢查。劃線開孔一般要求機械加工開孔，但實際過程中塔器筒體上的孔無法機械加工，只能火焰切割開孔，氣割坡口無法做到和機加工一樣平整，承插接管組對時焊縫間隙不均勻，焊接工人也不好焊，同時由于開的是圓形孔，焊縫坡口也不容易打磨均勻，所以這個焊縫組對是焊接控制的第一個要點，需要專業(yè)的鉚工來完成。在實際生產我們發(fā)現(xiàn)焊縫組對間隙太小容易造成未焊透，間隙太大容易造成焊縫能量過于集中而產生缺陷，因此采取相關措施，加強焊縫組對檢查控制，對焊縫間隙小的部位重新打磨，對組對間隙大的部位先進行長肉，這樣保證焊接時環(huán)縫連續(xù)性，最終水壓試驗過程中接頭泄漏點大大降低，取得了很好的效果。

最后，要注意焊接過程的質量控制。前面介紹了吸附塔的結構和主要工序，可以看出該設備成型方式主要是焊接。因此焊接過程質量控制是設備整個制造過程的重中之重，直接決定著設備最終能否合格、如期交付使用。焊接過程的控制點大體分為焊前檢查、焊接過程控制、焊縫無損檢測及熱處理4 個部分。下面對此過程就簡單展開分析。

（1）焊前檢查。焊接前的準備工作很重要，是焊接合格的前提條件。焊前檢查主要是一些焊接準備工作：首先要審核焊前相關資質文件，必須提交焊工資格證、焊接設備的檢定證書、焊接材料的質保書、焊接工藝規(guī)程（Welding Procedure Specification，WPS）及焊接工藝評定（Welding Procedure Qualification Record，PQR），滿足焊接相關標準及技術文件方可施焊；其次檢查焊接坡口，接管焊接坡口主要是氣割加工，氣割造成坡口有高溫氧化皮，需要徹底打磨出金屬光澤，保證組對間隙均勻；最后檢查焊材是否滿足焊接要求，焊條、焊絲是否無油污，焊條、焊劑是否烘干到指定溫度并保溫等。

（2）焊接過程。焊接過程的質量控制主要在于焊工技術水平和焊接參數(shù)的控制，焊接檢查時：首先要檢查焊接工人是否與所提交的資格證書一致，是否定期復審；其次，焊接時組對焊縫要按照WPS 進行預熱，塔器主要材料為Q345R、屬于普通碳鋼，一般厚度低于30 mm 無需預熱，厚度大于30 mm 的需要預熱80～100 ℃，而且也和當?shù)貧夂蛴嘘P，當?shù)囟嘤瓿睗駪仨氼A熱，至少烘干焊縫水汽；最后是焊接過程的控制，主要是電流、電壓、速度等參數(shù)的控制，正確的做法是按照WPS 執(zhí)行。但是有些焊工為了加快焊接速度，私下把焊接電流調大，增加線能量來提高焊接速度，這表面上是增加了焊接速度，但是可能為焊接質量埋下隱患，如熔化溫度不夠，易造成未熔合、焊縫成形不良等缺陷。

（3）焊縫無損檢測。塔器設備有大量的焊接工作，夾套翅片管、夾套半管、匯管、接管等都有大量焊縫，雖然生產過程中嚴格控制質量，但總是不可避免的出現(xiàn)一些缺陷，外部缺陷可以目視檢測出來，內部缺陷需要通過無損檢測找出。按照技術要求，塔體所有AB 類焊縫，以及管口接管法蘭對接環(huán)縫，100%RT（Radiographic Testing，射線檢測），射線技術等級AB，NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2 部分：射線檢測》Ⅱ級合格；所有C、D 類焊縫，吊耳和支耳根部焊縫，接管與接管對接接頭、接管與高頸法蘭對接接頭，在水壓試驗前后，都要進行100%PT（Penetrant Testing，滲透檢測）探傷，Ⅰ級合格；設備吊耳或耳座或支座與其墊板的焊縫、墊板與殼體間的焊縫，均應按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》進行100%MT（Magnetic Particle Testing，磁粉檢測）或PT 檢測，不允許任何裂紋和分層存在，符合MT-Ⅰ級（或PT-Ⅰ級）合格。通過無損檢測可以有效的檢測出焊縫缺陷，及時在工廠返修處理。

（4）焊縫熱處理。這些焊縫存在巨大焊接應力，在后期使用過程中，設備一直處于循環(huán)水冷熱交替中，就會把焊縫撕裂。所以設備所有焊接工作及無損檢測工作均合格后，設備進行爐內整體消除應力熱處理。熱處理時，應將設備裝入熱處理爐后按熱處理工藝卡要求點火升溫，達到620 ℃后保溫100 min，然后隨爐緩冷，設備出爐時，爐溫不得大于300 ℃，設備出爐后在靜止的空氣中繼續(xù)冷卻。在生產中發(fā)現(xiàn)夾套翅片管彎曲變形，經過熱處理侯恢復原狀。熱處理需要注意的是保溫溫度和時間，以及冷卻方式，都會影響焊縫質量，應嚴格按照熱處理工藝進行。

3 設備壓力試驗

塔器所有管路連接完成，水循環(huán)系統(tǒng)、氣循環(huán)系統(tǒng)組裝完畢后，進行相應的壓力試驗。夾套翅片管、夾套半管等水循環(huán)系統(tǒng)進行強度試驗，試驗介質為氯離子含量小于20 mg/L 的清潔水，試驗壓力為設計壓力的2 倍，容器強度試驗也采用水壓試驗，試驗壓力為1.1 倍設計壓力。由于本項目設備體積龐大，水壓試驗注水量大，焊接接頭總數(shù)有數(shù)百個，焊縫總長上千米，所以水壓試驗時極微小的焊縫泄漏點難以識別，很容易造成漏檢，為此需要延長保壓時間，比如技術要求穩(wěn)壓30 min，實際中穩(wěn)壓60 min，通過焊縫100%檢查和觀察壓力表是否掉壓，確保焊縫無泄漏。在實際生產中，通過上面的三大措施，有效降低了水壓試驗焊縫的泄漏點，統(tǒng)計結果見表1。

表1 水壓試驗焊縫漏點統(tǒng)計情況 處

4 總結

吸附塔是石油化工、新能源行業(yè)的重要設備，結構相對復雜，焊接量相對較大，具有一定的耐高壓、耐高溫、耐腐蝕功能，生產過程質量控制非常重要。根據(jù)它的特性，采取了一系列措施，制造前分析結構、抓重點，制造過程中嚴控焊接、探傷、熱處理，制造完成后進行壓力試驗，有效地控制設備的質量，確保每臺出廠設備都是合格產品。