大型漿態(tài)床費托合成反應器的制造

馬冬和 王鳳云 潘 靜 張 濤 王志剛 厚喜榮

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室；3.蘭州蘭石重工有限公司）

費托合成反應器由固定床反應器發(fā)展到循環(huán)流化床、固定流化床和漿態(tài)床反應器。 循環(huán)流化床反應器難以控制流化過程，催化劑磨損嚴重而且利用率低； 固定床反應器的缺點是易堵塞、生產能力低等，相比循環(huán)流化床反應器，固定流化床反應器不僅結構簡單容易操作、也解決了催化劑利用率低和易磨損的問題， 提高了生產能力。 近幾年，漿態(tài)床費托合成技術得到大力發(fā)展，漿態(tài)床反應器是一個氣液固三相反應器［1］，反應器內有氣相、固相、液相，相比循環(huán)流化床、固定流化床反應器，其優(yōu)點是能實現(xiàn)低溫費托合成反應、反應熱易移出、反應溫度均勻及生產能力大等。

筆者介紹了大型漿態(tài)床費托合成反應器的關鍵制造技術，提出費托合成反應器現(xiàn)場制造過程中的難點，希望可對同類設備的制造起到參考作用， 提高我國石化裝備制造業(yè)的現(xiàn)場制造能力，推進我國煤化工核心裝備國產化的進程。

1 設備介紹

漿態(tài)床費托合成反應器采用自支承塔式容器結構，設備內徑9 600mm，壁厚130mm，高度約61 380mm，設備重量（不包括內件）約2 200t，設計壓力3.5MPa，設計溫度300℃，工作介質為液體石蠟、H2、CO、CO2，是目前國內直徑最大、設備重量最重的板焊式反應器， 殼體材料為SA387Gr11Cl2，附件材料為S32168。 本設備殼體材料焊接接頭易產生延遲裂紋，焊接過程應嚴格按照焊接工藝要求執(zhí)行，焊前進行預熱，預熱溫度主要依據鋼的碳當量、接頭的拘束度和焊縫金屬的氫含量來確定［2］。焊后及時后熱或消氫處理?，F(xiàn)場制造過程中筒體的防變形、起吊、環(huán)縫的焊接及預熱后熱等都需要設計專門的工裝，部分工裝還可以做成通用模塊，以節(jié)約工裝用材料的費用。

2 主要制造難點控制

2.1 大型球形封頭的制造

漿態(tài)床費托合成反應器采用半球形封頭，規(guī)格為SR4 820mm，壁厚92mm，整體成型困難，需采用瓜瓣式結構（圖1），由1 塊極中板、2 塊極邊板和12 塊溫帶板組成［3］，經油壓機壓制成型、氣割坡口和演裝合格、編號后再運至現(xiàn)場廠房內進行組焊工作。

圖1 費托反應器封頭分瓣示意圖

半球形封頭的制造與球形儲罐的類似，但是質量控制要更嚴格，主要從以下幾個方面控制：

a. 封頭瓣片冷壓制成型，成型后采用專用樣板和卷尺測量曲面精度、對角線弦長及弧長等尺寸，嚴格控制封頭瓣片對角線弦長偏差±3mm，弧長偏差±2.5mm；

b. 為保證球形封頭的組裝精度，封頭瓣片周邊余量和坡口采用曲面數(shù)控切割機器人進行輪廓氣割，此設備采用機器人六軸聯(lián)動方式，移動速度無級調速，具有智能視覺跟蹤系統(tǒng)，可自動跟蹤鋼板上已經劃好的切割軌跡線， 完成余量和坡口的自動切割，無需人工鋪設軌道，成型精度高；

c. 焊接質量控制，球形封頭在整體演裝合格后，按照先縱縫后環(huán)縫、先外側后內側、先焊接拱頂?shù)钠纯p，再焊接瓜瓣的拼縫，最后焊接拱頂與瓜瓣的環(huán)向對接焊縫的焊接順序施焊，設備封頭的焊縫坡口形式如圖2 所示。

圖2 設備封頭焊縫坡口形式示意圖

焊接采用立焊和橫焊焊條電弧焊，焊縫焊接前進行預熱，采用較小的線能量輸入。 控制焊接層間溫度，縱向瓜瓣焊接時4 人或8 人同時對稱施焊，從而盡量減小焊接接頭的變形量，并且焊后立即按照焊接工藝對每條焊縫進行消氫處理（保溫溫度為300～350℃，保溫時間3h）［4］。

2.2 筒體成型

漿態(tài)床費托合成反應器筒體直徑為9 600mm，材料為SA387Gr11Cl2 鋼板， 筒體長47 500mm，板厚132mm，共分為24 個筒節(jié)，單節(jié)（最長節(jié)為2 600mm）重量為81 105kg。 由于我國現(xiàn)階段煤化工項目主要建在新疆、內蒙古、陜西及山西等內陸地區(qū)，因此設備只能采取陸路運輸，但受運輸能力的限制，筒節(jié)采用陸路運輸非常困難，而且對于這種大型筒節(jié)，整體卷制、校圓困難，綜合考慮成本因素，采用經濟高效的“移動工廠”制造模式，在現(xiàn)場配制卷板機、油壓機等設備，可節(jié)約運輸成本。 每節(jié)筒體分3 瓣在用戶現(xiàn)場先采用油壓機對兩端進行壓頭，然后在現(xiàn)場卷板機上冷態(tài)卷制成型， 尺寸檢查合格后3 瓣筒體采用立式組焊，焊接后單節(jié)筒體3 條縱焊縫采用內外布置電加熱帶加熱的方法進行中間退火熱處理。 配備的卷板機、油壓機等設備還可為現(xiàn)場其他超限設備的制造服務，實現(xiàn)資源共享，可有效降低項目建設的綜合成本。

2.3 筒體環(huán)縫組焊

受現(xiàn)場焊接設備能力的限制，大型超限設備環(huán)焊縫由于高度高，不易實現(xiàn)自動焊接，手工焊接效率低，焊縫質量不能保證。 因此，設計了一種集成式大型設備環(huán)縫焊接操作平臺（圖3），將自動焊接設備、高空防護、戶外惡劣環(huán)境施工防護功能集成在一起，解決了大直徑厚壁容器環(huán)縫現(xiàn)場焊接的難題，實現(xiàn)了自動化焊接，提高了產品質量和焊接效率； 為防止焊接接頭產生延遲裂紋，采用環(huán)形加熱工裝充分燃燒天然氣，對環(huán)縫進行焊前預熱，預熱溫度為150～200℃，焊接完成后立即進行消氫處理，以加快焊縫和熱影響區(qū)中氫的逸出，降低冷裂紋產生的可能性，消氫處理溫度300～350℃，保溫6h［5，6］。 焊接操作平臺操作簡便，可有效保護現(xiàn)場施焊人員的安全；改善現(xiàn)場勞動條件，可在風、雨、雪、寒冷及酷暑等極端天氣環(huán)境中的作業(yè)。

圖3 大型設備環(huán)縫焊接操作平臺

2.4 筒體削邊

費托合成反應器球形封頭和筒體對接部位為不等厚結構，為保證對接部位焊接質量并減小焊接應力，筒體端部需削邊長度439mm。 對于削邊長度小的筒體可在卷板前利用刨邊機加工，本設備削邊長度超過了刨邊機的加工范圍，不可能在現(xiàn)場大型立車加工。 制造單位創(chuàng)造性地提出利用半自動氣割設備配合滾輪胎，按待加工筒體切削尺寸和角度要求， 調整切割機火嘴的角度，利用滾輪胎上轉動， 實現(xiàn)了大長度削邊筒體的加工，針對火焰切割的坡口，預留3mm 打磨量，打磨掉火焰切割后產生的淬硬層［7］。 此方法極大地縮短了生產周期、提高了生產率、節(jié)約了制造成本、改善了現(xiàn)場加工的難度，為現(xiàn)場制造的大型設備筒體削邊提供了新的解決方法。

2.5 分段設備的組裝

設備共分為7 段（圖4），上封頭+第24 節(jié)筒體段、第1 節(jié)筒體段+下封頭+裙座、中間筒體五大段，組裝分段設備所有需要最終熱處理前焊接的附件。 段與段組對后筒體端口加米字形防變形支撐，利用大型設備環(huán)縫焊接操作平臺進行窄間隙埋弧自動焊焊接，保證焊接質量。

圖4 漿態(tài)床費托合成反應器制造分段簡圖

本設備筒體上接管數(shù)量多（約200 個），位置集中，其中有兩圈筒上周圈均布48 個接管，應力非常集中。 為保證接管與筒體的焊接質量和減少焊接變形，接管外側采用馬鞍型埋弧自動焊機進行焊接，內側采用手工焊接，焊前預熱、焊后后熱采用專門設計的圓形接管焊縫加熱工裝，對筒體上大開孔接管和接管集中部分的筒體進行爐內中間熱處理，充分釋放焊接應力。

分段設備臥式組裝后熱處理有臥式和立式兩種熱處理方式，采用臥式熱處理好處是減少了分段設備的翻轉，但是變形不易控制。 筒體中間部分采用臥式熱處理， 出爐后筒體橢圓度超差20mm，不滿足圖紙要求，經過修復后后序所有部段的最終熱處理均采用立式組裝式熱處理爐進行，出爐后筒體橢圓度滿足圖紙要求。 熱處理爐的搭設地點應考慮放置在現(xiàn)場門式起重機操作范圍內，以減少轉運和吊裝成本。

組裝式熱處理爐為模塊化快裝型結構，適用于現(xiàn)場制造的規(guī)格尺寸或重量超限無法使用固定式熱處理爐進行處理，或雖可完成熱處理但卻不能進行運輸?shù)脑O備，模塊化快裝式熱處理爐適應尺寸范圍廣泛，裝配搬遷便捷，不受使用地域的限制，熱處理質量穩(wěn)定、控制可靠且效果理想。

2.6 無損檢測

設備筒體和封頭上縱、環(huán)焊縫圖紙要求采用100%RT+100%UT+100%MT 檢測。 實際現(xiàn)場用TOFD 檢測代替RT 檢測，TOFD 法克服了常規(guī)超聲波探傷的某些固有缺點，缺陷的檢測和定量不受聲束角度、探測方向、缺陷表面粗糙度、試件表面狀態(tài)及探頭壓力等因素的影響［8］，可較為準確地判讀埋藏缺陷的深度、 長度及自身高度等尺寸，對裂紋類面狀缺陷相當敏感，使用成本低，不需要特殊防護，而射線檢測對危害性較大的裂紋類缺陷不敏感，對于大厚度板鋼板射線檢測出裂紋的概率很低。 因此制定了嚴格的無損檢測工藝，通過合理選取探頭、試塊，合理設置時間窗口、掃查靈敏度、掃查增量及信號平均處理次數(shù)等工藝參數(shù)，保證了焊縫缺陷的檢出率。

2.7 底部封頭氣體分布板焊接變形的控制

下封頭部位氣體分布板， 直徑9 500mm，厚度80mm，不能整體運輸，需要分3 塊在廠內加工坡口，螺栓連接孔鉆孔后在現(xiàn)場組焊，組焊后平面度要求不大于5mm，分布板平面度直接影響到工藝合成氣的分布和反應效率，因此必須嚴格控制焊接變形：拼接坡口采用對稱雙U 形，減小坡口寬度，通過控制焊接規(guī)范，采用多層多道焊，以減少焊接時的熱輸入量，焊接時嚴格控制層間溫度；制定合適的焊接順序，多人對稱焊接，分段退步焊接， 焊接過程中隨時測量支撐板平面度，若變形超差則采取反面施焊恢復變形量。

2.8 設備總裝

本設備共分上、下兩大段制造組裝，上段為上封頭加一節(jié)筒體，其余筒體和裙座為下段。 上段和下段各分段（圖4 所示位置）分別在熱處理爐內立式進行最終熱處理。 下段各分段在現(xiàn)場大件廠房內臥式組裝，各分段之間環(huán)焊縫的最終熱處理由于受到長度的限制， 只能采用內外布置電加熱帶加熱的方法進行，電加熱帶加熱寬度、保溫寬度應符合GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》的相關規(guī)定（圖5）［9］。 為保證熱處理效果，電加熱帶加熱范圍內的均溫帶應覆蓋整個焊接接頭和相鄰母材，均溫帶范圍內任意一處溫度不得比規(guī)定的溫度低，絕熱帶要保證熱效率，不能產生不利的溫度梯度。

圖5 局部焊后熱處理示意圖

設備下段在裝置現(xiàn)場采用液壓提升裝置（2 600t/71.66m） 主吊、1 000t 級履帶式起重機（XGC15000 型）溜尾的方法進行吊裝就位［10］，下段就位完成后，緊接著完成費托合成反應器內件的安裝工作，下段整體驗收合格后，吊裝上段，進行上、下兩段總裝焊縫的空中立式組焊，采用焊條電弧焊橫焊焊接，多人對稱同時施焊，空中組焊位置做好防風措施， 焊前預熱溫度為150～200℃，嚴格控制層間溫度，焊接順序為先焊內側，內側焊接一半后，外側清根并打磨干凈，焊完外側（期間保持預熱），最后焊完內側并立即進行消氫處理（保溫溫度300～350℃，保溫時間3～4h）。無損檢測合格后采用內外布置電加熱帶加熱的方法進行總裝縫的最終熱處理，最后進行立式水壓試驗、探傷等工作。

3 結束語

通過對大型漿態(tài)床費托合成反應器的研制，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司掌握了大型厚壁球形封頭的成型技術、大直徑筒體環(huán)縫的自動焊接技術、超大設備現(xiàn)場熱處理技術及TOFD 無損檢測技術等核心制造技術，制造過程中開發(fā)設計的大量工裝模具，保證了產品質量，為設備運行提供了安全保障。 隨著各類化工裝置規(guī)模更加大型化，大型漿態(tài)床費托合成反應器的研制成功可為類似大型設備的制造、無損檢測提供借鑒。