大型塔器的薄壁塔體制造變形的控制

呂延茂

（中石化集團(tuán)南京化工機(jī)械有限公司）

0 引言

塔器是石油化工、煤化工裝置中重要的壓力容器，隨著化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型塔器的使用日益增加。在大型塔器中，薄壁塔器尤為常見。不同功效的塔器內(nèi)裝有不同用途的內(nèi)件，這是塔器結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)。

通常，塔體內(nèi)徑D≥3 600 mm的塔器，稱為大型塔器；塔體厚度t與塔體內(nèi)徑D之比值t/D≤1%的塔體，稱為薄壁塔體。因此，塔體內(nèi)徑D≥3 600 mm，塔體厚度t與塔體內(nèi)徑D之比值t/D≤1%的塔體，稱為大型塔器的薄壁塔體，亦稱大型薄壁塔體。

大型薄壁塔體的特點(diǎn)為塔體直徑愈大、壁厚愈薄，塔體抵抗變形的能力愈弱。因此，大型薄壁塔器在制造過(guò)程中更容易產(chǎn)生較大程度的變形。

過(guò)大的塔體變形，既不符合塔器制造標(biāo)準(zhǔn)的要求，也會(huì)妨礙塔盤類內(nèi)件的順利安裝，甚至?xí)兴w報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

塔體變形的主要形式如下：

（1）塔體橫斷面整體性的圓度變形；

（2）塔體橫斷面局部性的內(nèi)凹變形；

（3）塔體環(huán)向的束腰變形；

（4）影響塔體直線度的變形。

為了確保塔盤類內(nèi)件的順利安裝，建議塔體制造時(shí)有關(guān)尺寸公差按下述要求進(jìn)行控制：

（1）塔體筒節(jié)的周長(zhǎng)按標(biāo)準(zhǔn)周長(zhǎng)再加10 mm進(jìn)行控制；

（2）塔盤類部件的外徑按照內(nèi)件標(biāo)準(zhǔn)外徑的最大負(fù)偏差進(jìn)行控制。

1 圓度變形

1.1 圓度變形產(chǎn)生原因

殼體同一斷面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差值e，稱為殼體的圓度。殼體存在圓度，亦稱殼體存在圓度變形。

1.1.1 自重變形

常溫下，臥置狀態(tài)的筒節(jié)在其自重作用下，克服了筒節(jié)的抗彎剛度而形成了彈性變形的圓度，稱為自重圓度，也用e表示。

在常溫狀態(tài)下制造的臥置筒節(jié)其自重圓度近似公式[1]為：

式中 γ——鋼材的密度，為7.85 g/cm3；

E——鋼材彈性模量，為2.1×104kg/mm2；

D——塔體內(nèi)徑，mm；

t——塔體壁厚，mm。

因此，由碳鋼、低合金鋼材料卷制的筒節(jié)其自重圓度近似公式為：

例如：塔體內(nèi)徑D為3 600 mm，塔體壁厚t為30 mm，可計(jì)算得到其自重圓度e約為47 mm。

依據(jù)自重變形理論和圓度變形公式，大型薄壁筒體臥置于平臺(tái)或者轉(zhuǎn)胎 （滾輪架）上時(shí)，在自重的作用下，筒體必定會(huì)發(fā)生類似于橢圓形的圓度變形。

1.1.2 熱變形

部分大型薄壁塔體在臥置狀態(tài)進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。由于熱處理過(guò)程中材料的屈服強(qiáng)度及彈性模量顯著降低，塔體的抗彎能力顯著減弱，因此在熱應(yīng)力和自重等因素共同作用下，塔體會(huì)產(chǎn)生一定的熱變形。而當(dāng)熱處理結(jié)束、塔體冷卻至常溫后，部分熱變形仍存在，造成了塔體的圓度變形。

大型薄壁塔體的抗彎剛度較低，且筒節(jié)常采取臥式施工，因此圓度變形是大型薄壁塔體制造時(shí)最易產(chǎn)生的變形形式。

1.2 預(yù)防措施

筒體圓度既是控制塔體直線度的基礎(chǔ)因素，也是確保塔盤等內(nèi)件順利組裝的關(guān)鍵因素。

（1）單節(jié)薄壁筒節(jié)臥置時(shí)，僅僅受到自重的作用。而筒節(jié)相互組焊后，筒節(jié)中還存在環(huán)焊縫拘束應(yīng)力的作用。也就是說(shuō)，單節(jié)筒節(jié)比已經(jīng)組焊的分段筒體更容易進(jìn)行圓度的調(diào)整。為此，必須適時(shí)進(jìn)行單節(jié)筒節(jié)圓度的調(diào)整。

為保證筒節(jié)之間的順利組對(duì)，塔內(nèi)側(cè)的支持圈、塔外側(cè)的接管和加強(qiáng)圈等與塔體組焊時(shí)，必須先對(duì)薄壁筒體增設(shè)有效工裝。同時(shí)從嚴(yán)控制圓度，建議單節(jié)筒節(jié)圓度≤10 mm。

經(jīng)過(guò)組對(duì)焊接的塔體應(yīng)滿足圓度要求，其最小內(nèi)徑Dmin必須大于塔盤類內(nèi)件的最大外徑再加上內(nèi)件支持圈與塔體實(shí)際角焊縫寬度的2.5倍。

（2）通常大型塔器筒節(jié)的節(jié)數(shù)較多，其撐圓工裝應(yīng)能在同一臺(tái)塔體的筒節(jié)之間互換，供其它筒節(jié)撐圓，輪流交替使用。如果每一個(gè)筒節(jié)均一次性地使用一個(gè)工裝，那么所需的工裝數(shù)量較多，工裝的總成本較高。如果一次性裝上工裝的筒節(jié)數(shù)量太少，不但會(huì)耽誤施工的進(jìn)度，而且會(huì)影響組對(duì)筒節(jié)的質(zhì)量。因此，在保證筒節(jié)組裝質(zhì)量的前提下，既要保證施工的進(jìn)度，又要控制工裝的成本。

通常，工裝數(shù)量與訂貨合同、施工進(jìn)度相關(guān)聯(lián)。建議如下：

① 整體出廠的大型塔器，撐圓工裝數(shù)量至少要滿足一半以上的筒節(jié)進(jìn)行一次性調(diào)整筒節(jié)圓度的需要。

② 以分段塔體出廠的大型塔器，撐圓工裝的數(shù)量必須多于分段塔體中最多的筒節(jié)數(shù)。

③ 撐圓工裝形式以圓環(huán)型撐圓工裝為佳，且撐圓工裝要有足夠的抗彎剛度。

（3）臥置狀態(tài)的筒體其重力方向應(yīng)與軸線垂直，而豎置狀態(tài)的筒體其重力方向應(yīng)與軸線平行。單節(jié)筒體在豎置狀態(tài)更易校圓，豎置狀態(tài)組對(duì)筒節(jié)時(shí)環(huán)向錯(cuò)邊量更易調(diào)整。

實(shí)踐表明，單節(jié)筒節(jié)應(yīng)取豎置狀態(tài)進(jìn)行圓度的調(diào)整，分段筒體制造時(shí)筒節(jié)也應(yīng)取豎置狀態(tài)進(jìn)行組對(duì)。這樣可以減少自重的影響，操作較為便利，圓度較易控制。

（4）薄壁筒體分段出廠時(shí)，宜在兩端口的內(nèi)側(cè)或外側(cè)保留工裝。

（5）需要在臥置狀態(tài)進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的薄壁塔體，其支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)有相應(yīng)的剛度和合理的支撐位置，通常依據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

圓度合格的塔體以臥置狀態(tài)進(jìn)爐熱處理時(shí)，應(yīng)在塔體周向的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)做出標(biāo)記。倘若因缺少熱處理經(jīng)驗(yàn)或偶然失誤，致使圓度合格的塔體在熱處理后圓度變大，難以進(jìn)行塔盤類內(nèi)件的組裝，這時(shí)可把該塔體轉(zhuǎn)動(dòng)90°，即把熱處理前塔體環(huán)向的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)轉(zhuǎn)到水平位置，再進(jìn)行一次相同工藝的熱處理，就能夠基本恢復(fù)塔體的圓度，滿足塔盤類內(nèi)件的組裝。

2 內(nèi)凹變形

2.1 產(chǎn)生原因

（1）較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在進(jìn)行起吊移位、重新擺放時(shí)，若移動(dòng)下降的速度較快，則在筒體接觸轉(zhuǎn)胎 （或支承件）的瞬間，筒體的支承處較易產(chǎn)生沖擊性的內(nèi)凹變形。

（2）較長(zhǎng)的大型薄壁塔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，若支承結(jié)構(gòu)或支承位置不合理，支承處的筒體單位面積承受過(guò)大的壓力，就可能發(fā)生內(nèi)凹變形。

2.2 預(yù)防措施

（1）較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在進(jìn)行吊移時(shí)，下降的速度必須盡量緩慢，使之輕放在轉(zhuǎn)胎 （或支承件）上。

（2）較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在吊移前，應(yīng)在合適的位置增加墊板保護(hù)圈，以預(yù)防筒體內(nèi)凹變形。

（3）大型薄壁塔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選用合適的支承結(jié)構(gòu)和合理的支承位置。

3 束腰變形

環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形、環(huán)向內(nèi)凹焊接角變形等環(huán)向內(nèi)凹變形，統(tǒng)稱為束腰變形，亦稱 “O”形收縮。

3.1 產(chǎn)生原因

（1）在環(huán)縫的施焊過(guò)程中，較重的薄壁塔體與轉(zhuǎn)胎支承相接觸的部位，受轉(zhuǎn)胎的反作用力較大。若轉(zhuǎn)胎的反作用力大于塔體材料的屈服強(qiáng)度，則隨著塔體轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)增加，塔體上會(huì)產(chǎn)生碾壓痕跡，且由較淺到較深，嚴(yán)重時(shí)塔體會(huì)發(fā)生整圈的環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形。薄壁塔體轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)越多，其產(chǎn)生整圈的環(huán)向內(nèi)凹變形越顯著。

（2）環(huán)向的焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的殘余變形也是造成塔體周長(zhǎng)縮短的一個(gè)因素，即環(huán)向焊接殘余應(yīng)力也會(huì)促使筒體發(fā)生整體性環(huán)向內(nèi)凹變形。

當(dāng)筒體環(huán)縫坡口的型式不合適、焊接工藝欠合理時(shí)，有可能產(chǎn)生相當(dāng)大的環(huán)向內(nèi)凹焊接角變形。筒壁越薄、直徑越大，環(huán)向內(nèi)凹變形產(chǎn)生的可能性越大。

3.2 預(yù)防措施

（1）當(dāng)組焊的薄壁塔體較重時(shí)，應(yīng)在筒體上與轉(zhuǎn)胎接觸的部位增加整圈的墊板保護(hù)圈，從而防止產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形。

（2）當(dāng)筒壁較薄時(shí)，環(huán)縫宜采用內(nèi)坡口，且應(yīng)控制焊接線能量。

從預(yù)防變形考慮，設(shè)計(jì)單位、用戶和安裝單位應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）為預(yù)防大型薄壁塔體在水壓試驗(yàn)時(shí)因自重增加而導(dǎo)致支承處產(chǎn)生內(nèi)凹變形，可采用氣壓試驗(yàn)。設(shè)計(jì)壓力低于1 MPa的大直徑薄壁塔器，盡可能采用A、B類焊接接頭并進(jìn)行100%射線探傷。

（2）為預(yù)防大型薄壁塔體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形，塔體外側(cè)增加的整圈墊板保護(hù)圈應(yīng)隨同塔體一同出廠，后續(xù)工作由安裝單位進(jìn)行完善。

4 塔體直線度

4.1 產(chǎn)生原因

（1）單節(jié)筒節(jié)的端面與軸線的垂直度偏差較大。

（2）筒節(jié)圓度較大。

（3）分段塔體的環(huán)縫焊接后，各個(gè)方位軸向收縮的不均勻性造成分段塔體的兩個(gè)端面與軸線的垂直度偏差較大。

4.2 預(yù)防措施

（1）從嚴(yán)控制垂直度和圓度

按筒節(jié)端面的垂直度≤1 mm和圓度e≤10 mm進(jìn)行控制。

（2）降低環(huán)縫焊接軸向收縮的不均勻性

① 筒節(jié)環(huán)縫坡口型式以內(nèi)坡口為主，鈍邊為2 mm。

② 環(huán)向組對(duì)時(shí)原則上為無(wú)間隙組焊。方法為按等分法進(jìn)行組對(duì)，并控制定位焊的長(zhǎng)度、間距。

③ 提高里口封底焊的質(zhì)量，減小外口清焊根的深度。精心操作，提高焊縫拍片合格率。

④ 記錄塔體最大直線度的方位、最大凹 （凸）值及其位置。

（3）分段塔體

塔體方位線和基準(zhǔn)圓的標(biāo)記必須清晰。必須從嚴(yán)控制筒體端面垂直度，必要時(shí)可進(jìn)行分段塔體端面的修理。

分段塔體長(zhǎng)度約為20 m時(shí)，與下封頭相連的第一節(jié)筒體在距下端口100 mm處劃出整圈的環(huán)線，即為環(huán)向第一基準(zhǔn)線，亦稱基準(zhǔn)圓。各個(gè)分段塔體在距下端口100 mm處也劃出整圈的環(huán)線，作為輔助基準(zhǔn)線。四個(gè)基本方位的單側(cè)端口處至環(huán)向基準(zhǔn)線的長(zhǎng)度差值≤3 mm，且須從嚴(yán)控制。

分段塔體按直線度≤15 mm進(jìn)行控制。若大型塔器為分段塔體出廠，那么分段塔體之間必須進(jìn)行預(yù)組裝，其塔體的直線度達(dá)到要求后方可出廠。

（4）塔器安裝

塔盤支持圈的間距和水平度是影響塔器功效的關(guān)鍵因素。塔盤類塔器在制造時(shí)，塔盤支持圈的水平度與塔體的直線度相關(guān)聯(lián)。塔體的直徑越大，塔體安裝的垂直度對(duì)塔盤支持圈的水平度影響越大。因此，控制塔器安裝垂直度方位與制造直線度方位的同一性，有利于保證塔盤支持圈的水平度。筆者建議：① 制造單位應(yīng)把塔器最大直線度及其方位作為單項(xiàng)資料以書面形式隨同塔器實(shí)物一同交給用戶，用戶應(yīng)把塔器直線度的資料及時(shí)轉(zhuǎn)交給安裝單位。② 安裝單位應(yīng)參照制造廠提供的塔器最大直線度及其方位等資料，進(jìn)行塔器的安裝及其垂直度的調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）大型薄壁塔體的特點(diǎn)是塔體抵抗變形的能力弱，即在塔器的制造過(guò)程中容易產(chǎn)生較大程度的變形。為此，在大型薄壁塔體的制造過(guò)程中，必須集思廣益，采取有效的工裝和合理的工藝。

（2）圓度變形是薄壁塔體最容易產(chǎn)生、最常見的制造變形。大型塔體的自重圓度越大，調(diào)整圓度的工裝剛度也應(yīng)越大。因此，根據(jù)塔體的設(shè)計(jì)參數(shù)和自重圓度計(jì)算公式，可以確定筒節(jié)制造時(shí)可能產(chǎn)生的自重圓度變形，同時(shí)還可以估算大型薄壁塔器工裝的成本費(fèi)用，及時(shí)準(zhǔn)備相應(yīng)的工裝材料，有利于保證大型薄壁塔器的制造和安裝質(zhì)量。

（3）參照文中相關(guān)預(yù)防制造變形的措施，可以有效控制大型薄壁塔體的變形程度，有利于塔器內(nèi)件的順利安裝，提高大型薄壁塔器的制造質(zhì)量。

[1] 呂延茂.薄壁筒體臥置狀態(tài)圓度的測(cè)量和計(jì)算 [J].壓力容器，2004，21（8）：16－21.