08Ni3DR鋼制厚壁預(yù)脫甲烷塔的制造

佟存鎖 喬問良 朱寶宇

（大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司）

化機(jī)制造

08Ni3DR鋼制厚壁預(yù)脫甲烷塔的制造

佟存鎖*喬問良 朱寶宇

（大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司）

介紹了首次采用國產(chǎn)08Ni3DR鋼制造厚壁預(yù)脫甲烷塔的工藝，包括主要的成形技術(shù)、設(shè)備的組裝方案，以及焊接工藝、熱處理工藝和檢測檢驗(yàn)技術(shù)。

預(yù)脫甲烷塔 焊接 08Ni3DR 鋼板 壓力容器 封頭 筒體 熱處理

0 引言

乙烯是重要的有機(jī)化工基本原料，是世界上產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一，占全球整個石化產(chǎn)品產(chǎn)量的75%以上。乙烯工業(yè)也因此成為石油化工行業(yè)的核心。預(yù)脫甲烷塔是乙烯工業(yè)制備裝置中用于將甲烷和氫氣與其他餾分分離精餾的關(guān)鍵設(shè)備，屬低溫壓力容器[1］，對其使用的材料和制造工藝要求極其嚴(yán)格[2］。在20世紀(jì)90年代，我國預(yù)脫甲烷塔已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但是該設(shè)備所采用的材料3.5Ni鋼板，一直需要從國外進(jìn)口，設(shè)備材料成本高，制造周期長。雖然近年來，相應(yīng)的國產(chǎn)材料已經(jīng)出現(xiàn)，但是真正應(yīng)用于國產(chǎn)化設(shè)備上，還是一種空白的狀態(tài)[3］。2015年，大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司成功為某石油煉化工程制造了國內(nèi)單臺生產(chǎn)能力和產(chǎn)品規(guī)格尺寸最大，制造精度要求更高，且首次采用國產(chǎn)08Ni3DR鋼板代替進(jìn)口3.5Ni鋼板的預(yù)脫甲烷塔，塔體壁厚最厚尺寸達(dá)到90 mm。由于是完全國產(chǎn)化制造，設(shè)備制造過程中采用了一些創(chuàng)新技術(shù)和工藝，本文主要介紹該設(shè)備的制造工藝。

1 預(yù)脫甲烷塔結(jié)構(gòu)

預(yù)脫甲烷塔主要材質(zhì)為08Ni3DR，主筒體直徑為5700 mm，主筒體壁厚為80 mm，最大壁厚為90 mm，總高度為61 440 mm，內(nèi)置60層分液塔盤，最高設(shè)計(jì)溫度為65℃，最低設(shè)計(jì)溫度為－70℃，設(shè)備質(zhì)量為640 t，采用立式結(jié)構(gòu)。該低溫塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[4］。

2 工藝方案介紹

由于該低溫塔器尺寸規(guī)格大，制造要求高，并且是首次采用國產(chǎn)08Ni3DR鋼板制造的厚壁容器，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求及 《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》做了各種工藝評定[5］，編制了相應(yīng)的工藝方案。08Ni3DR為細(xì)晶強(qiáng)化的3.5Ni鐵素體低溫鋼，目前國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的90 mm厚08Ni3DR鋼板在-100℃時的低溫橫向沖擊功實(shí)物水平達(dá)到200 J以上[6］。但是由于其各種合金元素含量較高，焊接過程中具有一定的淬硬傾向，易出現(xiàn)冷裂紋，且焊后熱處理過程也對焊接接頭性能有一定影響。

因此制造工藝方案首先需要攻克材料的成形控制技術(shù)、焊接技術(shù)[7］、熱處理技術(shù)和檢測檢驗(yàn)技術(shù)。整體制造方案為先在工廠車間內(nèi)進(jìn)行封頭、筒節(jié)等部件制造，然后在組裝場地進(jìn)行分段組裝、焊接成型，最終設(shè)備整體通過駁船運(yùn)抵用戶安裝現(xiàn)場。

08Ni3DR鋼板化學(xué)成分如表2所示[8］。

圖1 預(yù)脫甲烷塔的結(jié)構(gòu)

表1 預(yù)脫甲烷塔主要技術(shù)參數(shù)

3 主體結(jié)構(gòu)部件制造

3.1 封頭的制造

上組段封頭尺寸相對較小，采用整體熱壓成形技術(shù)。按Q/JHM 516—2010《鋼制壓力容器下料通用工藝守則》進(jìn)行下料，展開直徑 （壓制前直徑）為3 520 mm。按壓形工藝守則通過圖2所示的熱拉伸模胎具進(jìn)行熱成形操作，樣板檢測后，進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理及坡口加工。最終檢測內(nèi)壁直徑公差為-5～+6 mm，圓度公差≤14 mm，形狀偏差外凸≤35 mm，內(nèi)凹≤17 mm。除下料前對下料線兩側(cè)進(jìn)行100%超聲波 （UT）檢測，對坡口表面進(jìn)行100%磁粉 （MT）檢測外，還要對整體封頭進(jìn)行100%UT檢測。

表2 08Ni3DR鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖2 橢圓封頭熱拉伸模胎具

下組段封頭由橢圓形封頭和頂圓組成，橢圓形封頭由10片瓣片組成，每片通過橢圓封頭熱拉伸模具熱壓成形后組焊而成。頂圓直徑為4 250 mm，中溫成形。經(jīng)過恢復(fù)性能熱處理、坡口加工、檢測等工序后，將由瓣片組焊而成的橢圓形封頭和頂圓組焊成下組段封頭。最終檢測下組段封頭內(nèi)直徑公差為-5～+6 mm，圓度公差≤25 mm，形狀偏差外凸≤71.25 mm，內(nèi)凹≤35.6 mm。

3.2 錐體的制造

錐體部分是由錐形筒節(jié)和兩端加強(qiáng)筒節(jié)組成的錐殼，是本設(shè)備壁厚最厚的部分，厚度達(dá)到90 mm。其中錐體分小口和大口兩段，每段由瓣片壓制拼接組焊而成，小口分6瓣，大口分12瓣，按下料線UT檢測、氣割，按圖3加工上錐段大口和下錐段小口坡口并進(jìn)行MT檢測。小口瓣片冷壓成形，大口瓣片熱壓成形，由圖4所示的錐形壓模胎具保證形狀和翻邊量，壓制成形后進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理。按鉚工工藝守則和焊接工藝組對焊接瓣片，形成上錐段和下錐段，并加工上錐段大口和下錐段小口坡口。為確保大小口同心度，預(yù)組對時要求對接間隙為2～3 mm，對口錯邊量b≤5 mm，樣板檢測。最后立式組對，焊接成為錐體。

圖3 錐體拼接焊縫坡口

圖4 錐形壓模胎具

3.3 筒節(jié)的制造

筒節(jié)的制造流程主要為鋼板壓制成形，單個筒節(jié)縱縫焊接。其中13個大直徑筒節(jié)每個由兩塊板拼接而成，每個筒節(jié)有兩條縱縫；4個小直徑筒節(jié)每個由一塊板卷制而成，筒體有一條縱縫。兩塊板拼接時，每塊板應(yīng)保證對角線長度之差小于1 mm，周長允差±1 mm；拼接后應(yīng)保證對角線長度之差小于2.5 mm，周長允差±2.5 mm。平板拼接后按照圖5（a）加工環(huán)縫坡口，按圖5（b）加工縱縫坡口，之后進(jìn)行預(yù)彎、縱縫焊接、壓制滾圓，期間用樣板檢測，確保其間隙在2 mm之內(nèi)。

圖5 筒節(jié)焊接坡口

按焊接工藝進(jìn)行筒節(jié)縱縫間隙調(diào)整：對接間隙0～1 mm，錯邊量≤5 mm。焊前將筒節(jié)預(yù)熱至150℃以上，采用手工立焊。焊接順序?yàn)橄群附油獠浚缓笤趦?nèi)部清根后再焊接內(nèi)部，焊接過程要保持溫度不低于預(yù)熱溫度，層間溫度控制在200～240℃之間。焊后立即進(jìn)行消氫處理，按技術(shù)要求打磨焊縫和進(jìn)行無損檢測并進(jìn)行形狀尺寸的檢查。這樣就完成了主體結(jié)構(gòu)17個筒節(jié)的制造，其余上、下裙座總計(jì)8個薄壁筒節(jié)的制造在此不一一敘述。

4 組對焊接

4.1 三段組件的制造

如圖1所示，設(shè)備分為上段、中段、下段三段組件分別制造，再整體組對。三段組件的制造中，上段組件由裙座、上封頭及筒體組成，主要為筒節(jié)的組對、組對后的筒節(jié)與上封頭的組對；中段組件由錐殼和筒體組成，主要為筒節(jié)的組對、錐體與加強(qiáng)筒節(jié)組對成錐殼、錐殼與筒節(jié)的組對；下段組件由筒體、下封頭和裙座組成，主要為筒節(jié)的組對、組對后的筒節(jié)與下封頭的組對。其中除錐體與加強(qiáng)筒節(jié)的組對方式為立式組對外，其余均為臥式組對。

上述組對焊接過程均為環(huán)縫焊接，根據(jù)焊接工藝評定制定的焊接工藝方案，采用相應(yīng)的焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)以及檢測檢驗(yàn)技術(shù)。

以中段組件中厚度為90 mm的環(huán)縫焊接為例，首先要進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)[9］，包括斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)、抗再熱裂紋試驗(yàn)、最高硬度試驗(yàn)、焊接熱輸入對焊接接頭韌性影響以及焊后熱處理規(guī)范對焊接接頭韌性的影響等系列試驗(yàn)[10］。通過這些系列試驗(yàn)，確定預(yù)熱溫度、焊接熱輸入上限、焊接工藝參數(shù)以及焊后熱處理工藝曲線。該環(huán)縫焊接坡口的設(shè)置采取圖6的形式，焊后熱處理工藝如圖7所示。

圖6 組件中90 mm厚板環(huán)縫坡口

由于該設(shè)備直徑尺寸大，按照傳統(tǒng)的檢測設(shè)備與手段，無法完全滿足設(shè)備的檢測要求，而且檢測周期長。采用已經(jīng)成熟的超聲波衍射時差法（TOFD）檢測技術(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合被檢工件編制TOFD檢測工藝，在含有預(yù)埋缺陷的模擬試塊上對TOFD檢測工藝進(jìn)行驗(yàn)證，有效地提高了檢測效率，檢測結(jié)果甚至嚴(yán)于傳統(tǒng)的檢測方法。模擬試塊規(guī)格為 1 135 mm×670 mm×90 mm。

圖7 組件制造時90 mm厚板環(huán)縫的熱處理曲線

4.2 整體組對焊接

上述三個組段制造完畢后，在組裝現(xiàn)場進(jìn)行臥式合攏組對。該設(shè)備塔體直線度的要求是，任意3 000 mm長筒體的直線度不大于3 mm，總直線度偏差不大于30 mm。因此，為保證公差要求，要調(diào)整好平臺滾輪架標(biāo)高墊鐵厚度，利用筒節(jié)組對時的基準(zhǔn)外環(huán)線和水平環(huán)線，采用水平儀、經(jīng)緯儀等儀器，調(diào)整組對段的水平度和直線度，要確保對接間隙為0～1 mm，對口錯邊量不大于5 mm，同時使用內(nèi)部支撐工裝確保筒節(jié)的圓度。之后，完成合攏焊縫的焊接。焊后對合攏焊縫采取局部熱處理，熱處理溫度曲線如圖9所示。

5 結(jié)束語

對于首次采用國產(chǎn)08Ni3DR鋼制造的厚壁低溫塔器，本文論述了從部件制造到最終組對焊接整個生產(chǎn)流程的主要技術(shù)。通過大量的試驗(yàn)研究，包括經(jīng)過焊接工藝評定，最終確定了產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù)，即焊接工藝和熱處理工藝以及檢驗(yàn)檢測技術(shù)，從而保證了產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)和使用要求。同時，還采用了自行設(shè)計(jì)制造的壓形工裝和現(xiàn)場組對工裝，從而既保證了產(chǎn)品的尺寸精度要求，也保證了08Ni3DR制塔設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 合攏焊縫局部熱處理曲線

該08Ni3DR鋼制厚壁預(yù)脫甲烷塔第一次實(shí)現(xiàn)了真正意義上的完全國產(chǎn)材料制造，改變了該設(shè)備過去長期依賴進(jìn)口材料制造的局面。該塔設(shè)備的制造成功，也標(biāo)志著大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司具備了全面制造08Ni3DR鋼制厚壁低溫容器的能力，其技術(shù)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

[1]壓力容器： GB 150.1～150.4—2011[S].2011.

[2]固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程： TSG R0004—2009[S].2009.

[3]李平瑾，徐道榮.3.5Ni鋼低溫設(shè)備的制造和焊接[C]//全國低溫壓力容器技術(shù)交流會論文集.1999.

[4]鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定：HG 20585—2011[S].

[5]承壓設(shè)備焊接工藝評定：NB/T 47014—2011[S].2011.

[6]張勇，王家輝，劉林.3.5Ni鋼的低溫韌性試驗(yàn) [J].石油化工設(shè)備，1991（4）：30-33.

[7]壓力容器焊接規(guī)程：NB/T 47015—2011[S].2011.

[8]低溫壓力容器用低溫鋼板：GB3531—2014[S].

[9]劉文斌，胡因洪，李書瑞，等.低溫壓力容器用鋼08Ni3DR埋弧焊接性能研究 [J].材料科技與設(shè)備，2015(4)：26-29.

[10］承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)：NB/T 47016—2011[S].2011.

Fabrication of 08Ni3DR Steel Thick Walled Pre-demethanizer

Tong Cunsuo Qiao Wenliang Zhu Baoyu

The manufacturing process of the pre-demethanizer with thick wall first time made of homemade 08Ni3DR steel is introduced,including the main molding technology,the assembly plan of the equipment,welding process,heat treatment process,inspection and inspection technology.

Pre-demethanizer;Welding;08Ni3DR;Steel plate;Pressure vessel;Head;Cylinder;Heat treatment

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.013

2016-12-20）

*佟存鎖，男，1979年生，工程師。大連市，116110。