鈦制脫碳四塔填料塔的制造及安裝

魏小紅，劉瑞君，王哲

（1.寶鈦裝備制造（寶雞）有限公司，陜西 寶雞 721014；2.天合東方（西安）安全氣囊氣體發(fā)生器有限公司，陜西 西安 710201；3.寶雞市質(zhì)量技術(shù)檢驗檢測中心，陜西 寶雞 721000）

塔器是石化企業(yè)中特別重要的設(shè)備之一，隨著石化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和裝置設(shè)備的逐步大型化，高徑比大的塔器日漸增多，這就對塔體直線度提出更高的要求。本臺脫碳四塔屬于填料塔，塔內(nèi)填充適當(dāng)高度的填料，以增加兩種流體間的接觸表面，液體從塔體上部進(jìn)入，沿填料表面下降。氣體則由塔體的下部通過填料空隙逆流而上，與液體密切接觸而相互作用。此類設(shè)備廣泛應(yīng)用于氣體吸收、蒸餾、萃取等操作。塔器整體使用鈦合金，而鈦合金的焊接容易產(chǎn)生氣孔及接頭脆化等缺陷，因此合理選擇焊接工藝參數(shù)能保證焊接質(zhì)量[1-3]。設(shè)備制造過程中，進(jìn)行了焊接工藝評定、產(chǎn)品施焊、無損檢測、水壓試驗、酸洗鈍化、涂裝及包裝發(fā)貨。文中主要從制造工藝、技術(shù)難點及現(xiàn)場安裝等方面探討了脫碳四塔的質(zhì)量控制措施。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點及主要參數(shù)

脫碳四塔的主體材質(zhì)為TA2，高度為50 m，直徑為1.8 m，高徑比大。采用TIG焊接，焊接材料符合NB/T47018，牌號為ERTA2ELI。其主要設(shè)計參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖如圖1及2所示。

2 焊接坡口設(shè)計

鑒于脫碳四塔設(shè)備殼體主要材質(zhì)壁厚20 mm，設(shè)備整體采用TIG焊接方法，其坡口設(shè)計相對于該工藝本身的研究顯得尤為重要。不合理的坡口型式，容易造成焊縫夾渣、未焊透、未熔合、應(yīng)力集中和變形等缺陷，還會增加焊接工藝編制的難度，甚至無法形成較好的焊接接頭。

圖1 脫碳四塔結(jié)構(gòu)示意圖

采用雙Y型坡口，兩面施焊，受熱均勻，變形較小，焊絲消耗量較小，在板厚相同的情況下，雙Y形坡口比Y形坡口節(jié)省焊接材料1/2左右，而且脫碳四塔的筒體和封頭雙面焊接的可達(dá)性好。由于焊接過程中的接頭的橫向收縮影響，雙面施焊后坡口角度在焊接過程中及焊后有所減小，正面和背面Y型坡口角度大小相等，收縮減小基本一致，因此根據(jù)材料物理性能確定合適的坡口角度，以使焊接過程中焊縫寬度變化與工藝參數(shù)和焊槍寬度相匹配，從而保證焊接質(zhì)量。

表1 設(shè)計參數(shù)

圖2 脫碳四塔實物圖

針對坡口設(shè)計與可能產(chǎn)生缺陷的關(guān)系考慮，主要針對鈍邊厚度B、根部間隙P、鈍邊的高度S、坡口角度β等參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化試驗，尋找最佳匹配方式。并通過實際焊接最終確定坡口尺寸示意圖如圖3所示。

3 制造工藝

脫碳四塔設(shè)備的制造過程主要包括下料、刨邊、卷筒、組焊、校圓、無損檢測、劃線、開孔、內(nèi)件組焊、外部預(yù)埋件施焊、水壓試驗、酸洗鈍化、除銹涂裝及包裝發(fā)貨、現(xiàn)場組對施焊、安裝等工藝流程。

3.1 筒體的組對和焊接

筒體總長度43.25 m，分21節(jié)卷制成型后施焊，然后再拼接組焊。由于環(huán)縫數(shù)量多，累積誤差大，直線度及橢圓度不易控制，故首先把所有筒體置于操作平臺上，在其距上下端各100 mm處劃定位圓周環(huán)線。組對時以定位環(huán)線為基準(zhǔn)測量高度差，能到達(dá)到要求允差后，再施焊。其次，施焊過程中采用間斷對稱焊，減少熱輸入，進(jìn)而減少焊接變形，從而保證直線度要求。最后，采用防變形工裝，在筒體內(nèi)部設(shè)置米字型焊接支撐工裝，對筒節(jié)的橢圓度進(jìn)行控制。

圖3 坡口尺寸示意圖

3.2 人孔與筒體的組對與焊接

整個設(shè)備共有人孔8個，均帶補強圈，人孔筒體為Φ530×18，開孔直徑大，且所有人孔均位于一個方位，焊接任務(wù)量大，合理的焊接節(jié)點圖能很好地控制變形，并且減少焊接材料的用量。人孔與筒體焊縫簡圖如圖4所示，可以看出，筒體的壁厚和補強圈上的坡口組成了雙Y型坡口。塔體內(nèi)外變形量一致，且互相限制。焊接時采取雙面焊熱輸入小，線能量低，焊縫成形質(zhì)量好。另外，焊接時在人孔內(nèi)做背板，反向支撐，也可以很好地保證焊接質(zhì)量的同時減小焊接變形。

焊接過程中，采用正交試驗，通過合理組合焊接電流、焊接電壓及焊接速度，保證焊接質(zhì)量減小變形，得到合理的焊接工藝參數(shù)見表2。為了防止角變形及保證焊縫質(zhì)量，1、2層打底焊采用小電流低電壓，小的焊接速度。TIG 焊打底背面焊縫成形外觀良好，可以保證填充焊的實施。7、8層蓋面焊，由于焊縫表面積大，填絲時需要采取S型環(huán)繞法，且保證焊絲的橫向橫擺幅度小于焊絲直徑的3倍，可以減少熱輸入，控制焊縫質(zhì)量。蓋面層應(yīng)減慢速度，形成外觀良好的魚鱗型焊縫。按照以上焊接參數(shù)施焊，TIG 焊時焊縫表面成形美觀，呈現(xiàn)出均勻波紋狀，從外觀上看無任何缺陷。經(jīng)PT檢測，能達(dá)到Ⅰ級合格。

圖4 人孔與筒體焊縫簡圖

4 現(xiàn)場安裝施工方案

脫碳四塔分上、下塔體分別施焊運輸，在上、下端筒體內(nèi)設(shè)置米字型支撐，防止運輸變形及橢圓度超差。在現(xiàn)場組對上、下段?，F(xiàn)場安裝包括裙座組件基準(zhǔn)找正、裙座組件與下塔體組件組對、下塔體組件與上塔體組件組對、安裝塔外部件、安裝塔盤及塔內(nèi)部件等。脫碳四塔設(shè)備運到現(xiàn)場后，應(yīng)先將基礎(chǔ)找平。將裙座組件整體吊裝按圖方位安放到位，先將裙座下端找平后，定為塔整體找正基準(zhǔn)，將下塔體組件吊裝，以裙座組件下封頭端口面為基準(zhǔn)，按方位將下塔體與裙座組件進(jìn)行組對并把上裙座螺栓。然后組對上下兩個塔體，校正合適后，采用環(huán)撐剛性固定方式，合理布局施焊順序，以減少焊接變形對塔體安裝精度的影響。

表2 人孔與筒體焊接工藝參數(shù)

5 結(jié) 論

1）采用雙Y型坡口能很好地減少變形量，與Y型坡口相比節(jié)省焊接材料1/2。

2）制造過程中對定位圓周環(huán)線的控制能保證直線度滿足要求。

3）采取合理的焊接工藝參數(shù)及人孔內(nèi)部設(shè)置背板，能很好地減小焊接變形。

4）塔體分段處的筒體內(nèi)部設(shè)置米字型支撐能保證橢圓度要求，降低現(xiàn)場安裝的難度。