低壓加氫反應(yīng)器焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊美昆

（ 西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

公司制造某6×104t/a 1.4 丁炔二醇項(xiàng)目復(fù)合材料設(shè)備低壓加氫反應(yīng)器，屬系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，加工數(shù)量為6 臺(tái)。設(shè)備是Ⅲ類壓力帶夾套容器，內(nèi)筒體內(nèi)徑φ2 800 mm，壁厚（32 + 4）mm；夾套筒體內(nèi)徑φ2 972 mm，壁厚10 mm，主體總長(zhǎng)度6 810 mm。設(shè)備主要由內(nèi)筒體、夾套筒體、人孔、支座等部件組成。內(nèi)筒體主要由上、下橢圓封頭、筒體、攪拌器入口、人孔等件組成；夾套筒體主要由夾套封頭、隔板、夾套筒體、接管法蘭等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示、技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。工作介質(zhì)為易燃易爆、高度危害性質(zhì)。設(shè)備主要作用是通過(guò)入口處機(jī)械攪拌和氣流攪拌裝置，使液相單向反應(yīng)過(guò)程和進(jìn)行氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備，常應(yīng)用于煤化工、石油化工、石油冶煉工業(yè)等領(lǐng)域[1]。設(shè)備外表面用厚度50 mm 的泡沫玻璃進(jìn)行保溫。設(shè)備在制造過(guò)程中由于技術(shù)條件要求高和焊接結(jié)構(gòu)限制，造成組裝外筒體隔板、夾套筒體困難，根據(jù)設(shè)備工況要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及以往類似設(shè)備加工的制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)、外筒體成型進(jìn)行工藝性優(yōu)化改進(jìn)：采用局部?jī)?nèi)坡口焊透的形式代替原有的雙面角焊縫聯(lián)結(jié)；將原留有合攏縫的外筒體調(diào)整單件整體成型套入裝配的方法，降低了制造加工難度，保證設(shè)備加工質(zhì)量，提高了加工質(zhì)量和效率，解決了制造進(jìn)度的難題。

圖1 低壓加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of low pressure hydrogenation reactor

2 材料

LP 加氫反應(yīng)器采用板-鍛結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒體主體材料采用復(fù)合板材料：16MnR + 00Cr19Ni10，符合JB 4733—1996《壓力容器用爆炸不銹鋼符合鋼板》B1 級(jí)，其余接管等采用16MnII 鍛件內(nèi)壁堆焊結(jié)構(gòu)；夾套封頭、筒體材料等件16MnR 材料，正火狀態(tài)供貨，符合GB 713—1997 的規(guī)定要求。16MnR 是普通低合金鋼，含碳量0.16%，S、P 含量較少，是壓力容器常用的鋼材，其焊接性能良好，有成熟的工藝，能保證焊接質(zhì)量，可以滿足復(fù)合鋼板對(duì)強(qiáng)度、剛度和韌性等力學(xué)性能的要求。復(fù)層00Cr19Ni10 是超低碳奧氏體不銹鋼，碳含量較低，耐晶間腐蝕性能優(yōu)越，常用在對(duì)空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)腐蝕等設(shè)備中。根據(jù)《容規(guī)》要求對(duì)主體材料化學(xué)成分和力學(xué)性能等按材料標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)合格后用于設(shè)備制造過(guò)程中[2]。

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)Tab.1 Equipment technical parameters

3 工藝過(guò)程

3.1 內(nèi)筒體對(duì)接焊接

內(nèi)筒體主要是封頭與筒體、筒節(jié)之間的焊縫。封頭基層材料為16MnR，厚度（36 + 4）mm，筒體厚度（32 + 4）mm，均為復(fù)合板材料，基層16MnR材料碳當(dāng)量0.32% ～ 0.47%，材料淬硬傾向較大，焊接過(guò)程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度和層間溫度，防止冷、熱再生裂紋的產(chǎn)生。焊縫由基層、過(guò)渡層、面層組成，基層焊接時(shí)，不得觸及和融化復(fù)層母材，過(guò)渡層焊接應(yīng)保證熔合良好的同時(shí)，盡量減少基層金屬的熔入量。焊接時(shí)焊縫圓滑過(guò)渡。根據(jù)材料特點(diǎn)和焊接評(píng)定技術(shù)要求，焊前預(yù)熱溫度≥100 ℃，施焊層間溫度≤250 ℃，并用紅外線測(cè)溫儀對(duì)預(yù)熱溫度、層間溫度進(jìn)行有效的監(jiān)控。基層下封頭與筒體焊接結(jié)構(gòu)如圖2中所示，技術(shù)參數(shù)如表2所示，具體操作工步如下：① 清理干凈焊接區(qū)油、銹等污物；② 手弧焊點(diǎn)固并施焊序1、2，焊至距復(fù)層1.5 ～ 2 mm；③ 待反面清根后，打磨至露出金屬光澤，然后埋弧焊施焊序3；④ 手弧焊堆焊序4、5；⑤ 注意對(duì)不銹鋼復(fù)層的保護(hù)，并注意層間及焊后焊縫表面渣及飛濺物的清理。設(shè)備外夾套筒體由于使用工況為低壓低溫狀態(tài)下，焊接主要為連接定位作用和支撐作用，母材材料相同規(guī)格不同、均采用手弧焊完成角焊縫聯(lián)結(jié)[2]。

圖2 封頭與筒體焊接結(jié)構(gòu)Fig.2 Connection between the head and the cylinder

表2 焊接技術(shù)參數(shù)Tab.2 Welding technical parameters

3.2 原結(jié)構(gòu)組裝工藝過(guò)程

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備夾套筒體設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，隔板是分割反應(yīng)空間、聯(lián)結(jié)夾套筒體、封頭的重要零件，材料16MnR、厚度50 mm，規(guī)格尺寸φ2 992/φ2 882 mm×50 mm，外型帶上、下外坡口呈環(huán)狀，通過(guò)機(jī)加成型。按圖紙要求與封頭采用上、下雙面15 mm 角焊縫焊接在封頭直邊段，兩隔板相距2 500 mm，其主要作用支撐和連接夾套筒體、封頭作用，如圖3所示。這種雙面焊接角焊縫的結(jié)構(gòu)成型好、焊接質(zhì)量高，操作方面一般用于厚璧的容器，適用于不直接承受動(dòng)力載荷的結(jié)構(gòu)中，但存在應(yīng)力集中嚴(yán)重、疲勞強(qiáng)度差、操作空間受限等缺陷。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，組裝工步如下：① 分別按照定位高度焊接2 處隔板進(jìn)行定位；② 將設(shè)備立式放置，套入上端夾套筒體，點(diǎn)焊定位并焊接；③ 將預(yù)先留有一道縱縫的下端夾套筒體套入設(shè)備主體上，焊接合攏縫。④ 焊接封頭及其余各件，完成外夾套筒體的組裝和焊接。這種組裝工藝未能充分考慮制造過(guò)程中的累計(jì)誤差和焊接變形，導(dǎo)致裝配下段夾套筒體困難，多次調(diào)整位置才完成裝配要求，尤其是最終合攏縫的成型和焊接，由于受到焊接時(shí)機(jī)和位置限制，操作極為不便，消耗了大量人力、吊裝等輔助工作和時(shí)間，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)度要求。

3.3 優(yōu)化后組裝工藝過(guò)程

根據(jù)設(shè)備工況要求和裝配結(jié)構(gòu)及以往類似設(shè)備的加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行全面分析，參照以往同類設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的焊接評(píng)定和制造經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)、夾套筒體成型進(jìn)行合理工藝性優(yōu)化：將下端隔板增加一邊10×45o內(nèi)坡口，將原有的兩面焊接與內(nèi)筒體聯(lián)結(jié)修改為單面內(nèi)坡口局部焊透的結(jié)構(gòu)，其焊接強(qiáng)度與雙面焊接強(qiáng)度相當(dāng)，并且有利于設(shè)備夾套筒體裝配和焊接；同時(shí)，將原有的夾套筒體預(yù)留最終縱縫合攏調(diào)整為直接筒體成型，套入上端隔板上焊接，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖4所示，能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)隔板的定位尺寸進(jìn)行調(diào)整；焊接過(guò)程和操作不受空間限制，施工難度降低；采用單面焊接連接也節(jié)省了焊接材料，解決制造中的難題。組裝工步如下：① 先焊接內(nèi)筒體上端隔板，作為定位基準(zhǔn)，套入夾套筒體焊接；② 套入下端夾套筒體、隔板，調(diào)整適當(dāng)位置，焊接隔板；③ 組焊其余各件，完成套筒體的組裝和焊接。通過(guò)后續(xù)各項(xiàng)檢查和試驗(yàn)，完全符合設(shè)備技術(shù)、使用工況、安全性能的要求，極大的提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造，操作簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，累計(jì)節(jié)省大量的焊接材料和焊接工作，提前完成加工任務(wù)。

圖3 原有結(jié)構(gòu)Fig.3 Original structure

圖4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.4 Optimized structure

4 熱處理

由于焊后殘余應(yīng)力較大，為了消除設(shè)備焊接應(yīng)力，穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體焊后消除應(yīng)力熱處理。由于基層材料規(guī)格為厚度較薄的16MnR，材料屬低合金鋼，復(fù)層00Cr19Ni10 為超低碳不銹鋼，材料本身含碳量低，Cr 元素含量提高，保證復(fù)合材料的耐腐蝕性。根據(jù)同類復(fù)合材料制造經(jīng)驗(yàn)和熱處理評(píng)定結(jié)果，熱處理時(shí)應(yīng)盡量減少熱輸入和保溫時(shí)間，避免因復(fù)層材料敏化對(duì)設(shè)備內(nèi)表面耐腐蝕的影響[4]。熱處理時(shí)采用熱處理支座，臥式裝爐，并在設(shè)備環(huán)焊縫頂部、中部和底部均勻放置熱電偶，對(duì)溫度進(jìn)行有效監(jiān)控。裝爐時(shí)注意保證夾套的隔板處在支座上，同時(shí)應(yīng)保證設(shè)備的水平位置，防止變形的產(chǎn)生。消應(yīng)力熱處理技術(shù)參數(shù)：裝爐溫度≤400 ℃；加熱速度150 ℃/h，加熱溫度（610±10）℃；保溫時(shí)間90 min；冷卻方式≤200 ℃/h 緩冷至≤400 ℃空冷。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備制造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)低壓加氫反應(yīng)器設(shè)備外筒體隔板聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性改進(jìn)優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際裝配需要采用單面內(nèi)坡口局部焊透結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)代替原有的雙面角焊縫聯(lián)結(jié)；對(duì)夾套筒體成型工藝進(jìn)行調(diào)整，操作簡(jiǎn)單、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并應(yīng)用于設(shè)備的制造中，成功的解決了設(shè)備加工中的裝配困難和加工效率低等問(wèn)題，提高了生產(chǎn)加工質(zhì)量和效率[5]。低壓加氫反應(yīng)器設(shè)備水壓試驗(yàn)和各項(xiàng)試驗(yàn)檢查均一次性合格，提前順利完成6 臺(tái)復(fù)合材料設(shè)備的制造任務(wù)。經(jīng)實(shí)踐證明，低壓加氫反應(yīng)器設(shè)備投產(chǎn)使用至今運(yùn)行已10 多年，運(yùn)行穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，未出現(xiàn)任何質(zhì)量、安全事故隱患問(wèn)題。極大地提高了我公司在夾套設(shè)備制造方面的技術(shù)水平和能力，為公司非標(biāo)大型夾套類反應(yīng)器的加工提供了技術(shù)支持和制造經(jīng)驗(yàn)。