未變換氣甲醇洗滌塔的制造工藝淺談

董 洋* 程 萍

（錦西化工機(jī)械集團(tuán)有限公司）

0 前言

未變換氣甲醇洗滌塔是某化工企業(yè)120 萬t/a精細(xì)化學(xué)品示范項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備，該塔為鎳合金（09MnNiDR）低溫鋼制壓力容器。制造時(shí)既要考慮制造難點(diǎn)，也要考慮低溫材料的特點(diǎn)，因此選擇合理的制造工藝十分重要。同時(shí)塔體的直徑較大且塔體較高，整體熱處理及運(yùn)輸均超限，制造公差要求嚴(yán)格，為了保證設(shè)備順利生產(chǎn)，編制了合理的工藝方案。

1 甲醇洗滌塔的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

洗滌塔的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 洗滌塔主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備制造公差（塔體直線度公差、橢圓度公差、長(zhǎng)度公差、塔盤平面度公差）按NB/T 47041—2014《塔式容器》和JB/T 1205—2001《塔盤技術(shù)條件》要求執(zhí)行。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

未變換氣甲醇洗滌塔為裙座自支承塔式設(shè)備，主體材料為低溫鋼09MnNiDR。設(shè)備由裙座、上下封頭、筒體、內(nèi)支承及外部附件組成，塔體共有5 個(gè)人孔和37 個(gè)工藝管口及預(yù)焊件，塔體內(nèi)還有88 層塔盤支承件，2 層集油箱支承件如圖1 所示。

圖1 未變換氣甲醇洗滌塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 設(shè)備制造關(guān)鍵

未變換氣甲醇洗滌塔為鎳合金低溫鋼制塔設(shè)備，筒體、封頭材料為09MnNiDR 鎳合金低溫鋼板，其主要性能要求是確保設(shè)備在使用溫度下具有足夠的韌性及抵抗脆性破壞能力。

結(jié)構(gòu)低溫脆斷的起始點(diǎn)（裂紋源）往往是材料或制造時(shí)產(chǎn)生的缺陷處，結(jié)構(gòu)的幾何形狀突變處或其他應(yīng)力集中處。焊縫缺陷（如弧坑、未焊透、未熔合、咬邊、焊縫成形不良等）處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生低溫脆性斷裂。

焊接時(shí)焊接熱輸入過大量或?qū)娱g溫度過高易造成焊縫金屬及近縫區(qū)形成粗晶組織而降低設(shè)備低溫韌性。

該設(shè)備為塔器，其制造公差（如塔體的長(zhǎng)度公差、橢圓度公差、直線度公差、塔盤平面度公差等）要求非常嚴(yán)格，筒體、封頭的成型、組焊工藝方法對(duì)保證設(shè)備質(zhì)量十分關(guān)鍵。

由于塔體的長(zhǎng)度運(yùn)輸超限，因此合理分段也是該設(shè)備制造的重點(diǎn)。

基于以上關(guān)鍵點(diǎn)，選擇合理的原材料、制造工藝、焊接工藝及焊后消除應(yīng)力熱處理工藝是該設(shè)備制造時(shí)的重點(diǎn)。

3 制造工藝方案

針對(duì)該設(shè)備制造中存在的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并制定了以下工藝措施。

3.1 原材料要求

低溫用鋼除了需滿足壓力容器對(duì)一般材料的基本要求（足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定的組織、良好的加工性能和焊接性能以及其他必要的物理性能）以外，還須具有盡量低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和足夠的低溫韌性。雖然鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了沖擊試驗(yàn)溫度的沖擊功指標(biāo)，考慮到焊接后熱影響區(qū)的低溫沖擊功較母材降低更明顯，為確保容器各個(gè)焊接接頭均滿足要求，必須在采購(gòu)時(shí)適當(dāng)提高沖擊功指標(biāo)。同時(shí)還需使用匹配的焊接材料。

該設(shè)備厚度較大，一般情況下厚板的軋制變形量較小，往往終扎溫度高，晶粒較粗大，鋼板內(nèi)部存在偏析的可能性也較大，另外在熱處理時(shí)厚板表面與內(nèi)部的冷卻速度不一，導(dǎo)致金相組織不均勻，因此鋼板越厚其沖擊吸收功值越低，韌性轉(zhuǎn)變溫度越高，即低溫冷脆傾向越顯著。

該設(shè)備采用09MnNiDR 板料采購(gòu)技術(shù)條件時(shí)，除了要求其化學(xué)成分和力學(xué)性能除符合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，還應(yīng)控制以下幾個(gè)條件:

（1）C ≤0.12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），P ≤0.015%，S≤0.008%，CE≤0.43%；

（2）逐張進(jìn)行的-70 ℃低溫夏比（V 型缺口）沖擊試驗(yàn)，試樣取樣方向?yàn)闄M向；取樣位置為板厚的1/4 和1/2 處，三個(gè)試樣沖擊功平均值A(chǔ)kv≥90 J(取設(shè)計(jì)驗(yàn)收值60 J 的1.5 倍)，單個(gè)試樣沖擊功最低值A(chǔ)kv≥63 J；

（3）采用正火加回火狀態(tài)處理,回火溫度不低于625 ℃；

（4）鋼板性能試樣須經(jīng)模擬焊后熱處理，最大程度焊后熱處理的溫度為600±14 ℃，時(shí)間為10 h；最小程度焊后熱處理的溫度為600±14 ℃，時(shí)間為2.5 h。

材料進(jìn)廠后復(fù)驗(yàn)，其低溫沖擊功值的最低值為90 J，其他性能及指標(biāo)均合格。

3.2 筒節(jié)、封頭的成型要求

結(jié)構(gòu)低溫脆斷的起始點(diǎn)（裂紋源）往往是材料或制造的缺陷處，結(jié)構(gòu)的幾何形狀突變處或其他應(yīng)力集中處，因此要求筒體、封頭在成型過程中應(yīng)避免一切刻劃、打鋼印、過量冷變形、錘擊、強(qiáng)力變形組裝等能夠產(chǎn)生殘余應(yīng)力的操作方法。筒節(jié)、封頭板料號(hào)料劃線時(shí)采用記號(hào)筆，材料標(biāo)記轉(zhuǎn)和焊工標(biāo)記采用繪圖記錄。板料切割后預(yù)制坡口，坡口表面修磨光亮，并進(jìn)行表面無損檢測(cè)，下料時(shí)嚴(yán)格控制筒節(jié)板料的兩條對(duì)角線長(zhǎng)度差。

筒節(jié)卷板時(shí)應(yīng)采用多次成型的方法盡量減小其中的殘余應(yīng)力，滾制成型后組焊。為了確保塔體的直線度要求，應(yīng)嚴(yán)格控制筒節(jié)橢圓度，同時(shí)還須進(jìn)行二次劃基準(zhǔn)線。

封頭分六瓣冷點(diǎn)壓成型，然后經(jīng)過預(yù)組、配研等步驟將6 塊溫帶板和1 塊極帶板拼焊成型，同時(shí)帶焊接性能檢測(cè)試板，如圖2 所示。

圖2 封頭成型圖（單位：mm）

3.3 塔體分段要求

未變換氣甲醇洗滌塔可分6 段進(jìn)行制造、熱處理，各段的長(zhǎng)度/質(zhì)量分別為11 m/95 t，9.3 m/81 t，11 m/95 t，9.6 m/83 t，12.2 m/105 t，9.8 m/85 t。每段的所有件均組焊并檢測(cè)合格后分段整體熱處理，同時(shí)將各分段口用工裝支撐圈固定，防止其在熱處理時(shí)變形。各分段口處應(yīng)作好四心位置的對(duì)應(yīng)標(biāo)記，便于現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接。

3.4 各段塔體的制造要求

為了確保每段塔體的直線度、長(zhǎng)度公差，每2 節(jié)筒體組對(duì)時(shí)都應(yīng)檢測(cè)直線度、橢圓度公差合格后，再進(jìn)行焊接。然后按6 段進(jìn)行組焊，并將每段的接管法蘭組件及內(nèi)、外附件（除分段口附近的內(nèi)、外附件）均組焊好。塔盤支承件應(yīng)以筒節(jié)端口基準(zhǔn)線來劃線并組對(duì)，確保其塔盤的平面度公差要求。降液板、受液盤連接板利用工裝固定板組對(duì)，確保各連接尺寸的準(zhǔn)確性。為了減小局部高應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)形狀突然變化，使塔體的對(duì)接接頭圓滑過渡，接管端部焊后應(yīng)打磨成內(nèi)凹圓角。

3.5 塔體的焊接要求

低溫用鋼的焊接關(guān)鍵是要避免焊縫金屬及熱影響區(qū)形成粗晶組織而導(dǎo)致其韌性降低，因此要求嚴(yán)格控制焊接線能量，采用較小的焊接線能量、多層多道施焊來避免焊道過熱，且多道焊時(shí)要控制道間溫度。該塔體組對(duì)檢測(cè)合格后按焊接工藝要求進(jìn)行施焊，焊前預(yù)熱溫度為50 ℃。焊條電弧焊采用短弧焊，直焊道不擺動(dòng)，減小焊接線能量，保證焊接接頭的低溫韌性，焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度不超過100 ℃，可利用遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行控溫，具體可見表2。

焊接時(shí)不得在母材的非焊縫區(qū)內(nèi)引弧，焊接接頭應(yīng)嚴(yán)格避免焊接缺陷，如弧坑或焊縫成形不良等，不得有未焊透、未熔合、裂紋、氣孔、咬邊等缺陷，焊接接頭符合施工圖應(yīng)要求無損檢測(cè)，要求縱、環(huán)對(duì)接接頭焊后表面應(yīng)磨平，角接接頭表面修磨成內(nèi)凹形狀，以減小局部應(yīng)力。

3.6 塔體消除應(yīng)力熱處理

焊后消除應(yīng)力熱處理可以減小接頭區(qū)域內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力，從而降低材料在低溫條件下的脆斷傾向。未變換氣甲醇洗滌塔分6 段入爐熱處理，有5 道環(huán)縫需用履帶加熱進(jìn)行局部熱處理，熱處理溫度為600±14 ℃，保溫2.5 h，400 ℃以上時(shí)升溫速度不得大于55～80 ℃/h，降溫速度不得大于55～100 ℃/h。熱處理時(shí)每段入爐前用工裝支撐圈撐好后立置入爐，減小塔體在熱處理受熱過程中的變形量，進(jìn)而滿足其直線度及橢圓度公差要求。

表2 09MnNiDR封頭、筒體的焊接規(guī)范詳

3.7 塔體的涂漆包裝

因筒體直徑大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，故設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)立置水壓試驗(yàn)，在打壓前所有焊縫處均不得涂漆，以便于現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)組焊

各段塔體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊。塔段臥置組對(duì)前，檢查確保筒體分段處坡口尺寸及表面質(zhì)量符合圖樣要求。塔段臥置組對(duì)時(shí)，嚴(yán)格按四心位置組對(duì)，并采用水平、垂直方向掛鉤線監(jiān)測(cè)塔體直線度，用鋼尺檢查塔體頭、尾及對(duì)口部位，組對(duì)時(shí)確保對(duì)口錯(cuò)邊均勻，間隙均勻，避免出現(xiàn)一邊倒現(xiàn)象。環(huán)縫對(duì)口錯(cuò)邊量不大于5 mm，同一斷面最大最小直徑差應(yīng)小于8 mm，塔體整體直線度不大于30 mm。檢查合格后組焊筒體，焊接過程中鋼線不得拆除，以便隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。焊接時(shí)應(yīng)將設(shè)備敞口處封閉，并搭設(shè)防風(fēng)暖棚，以保證焊接質(zhì)量。

5 總結(jié)

在塔器的制造過程中，直線度和橢圓是最令制造廠家頭痛的，尤其是特別高的塔器。該塔制造完成后，三方監(jiān)檢及用戶非常滿意，設(shè)備至今運(yùn)行良好。