加氫反應(yīng)器接管焊縫旋轉(zhuǎn)加熱工裝的應(yīng)用

晏君文 王迎君 金卿 王雪驕 張力

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000； 2.二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

隨著石化行業(yè)對油品的環(huán)保要求越來越高，很多老區(qū)改造的項目和新立項的項目也隨之對石化容器設(shè)備的加氫反應(yīng)器有著超大、超厚的發(fā)展趨勢要求，為了應(yīng)對內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕和高溫、高壓等惡劣的操作環(huán)境，設(shè)備的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。針對加氫反應(yīng)器殼體上的接管數(shù)量較多的情況，縮短制造周期、滿足設(shè)計和用戶要求，是新的制造難點和挑戰(zhàn)。本文研究制作了簡單實用的接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，實現(xiàn)了對接管焊縫的持續(xù)加熱保溫，有效減少了接管焊縫進爐消應(yīng)熱處理的次數(shù)，縮短了制造周期，達到了預(yù)期目的。

1 問題的提出

石化容器設(shè)備的加氫反應(yīng)器在高溫、高壓、強腐蝕的工況下運行，因此，為了保證接管與殼體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻，不出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)，一般采取自補強的馬鞍形對接結(jié)構(gòu)形式。設(shè)備殼體上接管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，接管與殼體采用U形坡口形式，見圖2，均進行馬鞍形埋弧焊焊接。接管與殼體連接的制造流程一般為：接管鍛件無損檢測→精加工→接管內(nèi)孔及端面堆焊耐腐蝕材料→裝配接管與殼體→預(yù)熱→焊接→消應(yīng)熱處理→無損檢測(MT、UT、RT)→隨設(shè)備PWHT→復(fù)檢(MT、UT)。

圖1 接管結(jié)構(gòu)形式Figure 1 Nozzle structure

圖2 接管與殼體的坡口形式Figure 2 Nozzle and groove form of shell

產(chǎn)生冷裂紋的三大因素：拘束度，焊接殘余應(yīng)力以及氫的侵入，在接管與殼體連接焊縫上表現(xiàn)的非常明顯，若焊接采取的措施不當(dāng)，該部位的焊接接頭很容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。因此，設(shè)計和圖紙技術(shù)條件中一般都有如下要求：“基體金屬在焊接過程中和焊接后，應(yīng)保持預(yù)熱溫度直至消氫熱處理(DHT)、中間消除應(yīng)力熱處理(ISR)或最終焊后熱處理(PWHT)。所有高應(yīng)力區(qū)域(如接管與殼體的焊接接頭)，不得以消氫熱處理(DHT)代替中間消除應(yīng)力熱處理(ISR)。”

因此，接管與殼體焊接完成后進行中間消應(yīng)熱處理成為必不可少的一道工序，一方面熱處理可以消除部分的焊接殘余應(yīng)力，緩解拘束程度，另一方面高溫下可以將焊縫中的殘余氫快速逸出，從而大大降低冷裂紋出現(xiàn)的幾率，故接管與殼體焊接完成后中間消應(yīng)熱處理成為焊接質(zhì)量和生產(chǎn)進度的關(guān)鍵保證。

以公司承制的某項目加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式為例，材質(zhì)為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件，內(nèi)徑為5600 mm，壁厚342 mm，殼體上的接管多達27件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of hydrogenation reactor structure

設(shè)備殼體上的接管焊接完成后，按照要求需進行中間消應(yīng)熱處理，確保焊接質(zhì)量。上述產(chǎn)品按照每次消應(yīng)熱處理的加熱升溫和降溫全過程計算需要3天，則共需進爐27次，占用熱處理爐共計81天時間，一方面造成了熱處理爐的使用瓶頸，另一方面增加了能源的極大消耗；同時，殼體母材本體也需進爐27次，累計熱處理為650℃×162 h，按照API 934-2019標(biāo)準要求，根據(jù)Larson-Miller公式P=(273+T)×(20+lgt)折算相當(dāng)于705℃×9.13 h。

按照設(shè)計文件要求，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件必須模擬Min.PWHT(705℃×8 h)和Max.PWHT(705℃×32 h)+ISR兩種狀態(tài)后進行力學(xué)性能檢驗。如此長時間的熱處理使得母材在模擬最大焊后熱處理狀態(tài)下的保溫時間增加到42 h以上，有可能母材在此狀態(tài)下力學(xué)性能不符合設(shè)計要求。

該問題嚴重影響產(chǎn)品未來的安全使用，為此技術(shù)人員高度重視，積極尋求降低接管焊接完畢后進爐次數(shù)的方法，使得母材在模擬Max.PWHT(705℃×32 h)+ISR狀態(tài)后進行的力學(xué)性能檢驗?zāi)軌驖M足設(shè)計要求，加快生產(chǎn)制造進度。

2 方案的提出

針對上述存在的問題和焊接工藝要求，為解決接管與殼體焊接完成后多次重復(fù)進爐，造成熱處理爐的占用瓶頸和由此導(dǎo)致的能源消耗大、制造周期長的問題，同時避免母材經(jīng)歷長時間的熱處理而導(dǎo)致性能不合的情況，綜合考慮設(shè)備、生產(chǎn)、質(zhì)量、周期等因素，工藝要求同一類型或同一段筒體(或封頭)上的多個接管同時進爐一起進行消應(yīng)熱處理，先焊完的接管焊縫溫度始終保持在預(yù)熱溫度以上，以此減少進爐的次數(shù)。因此，有必要設(shè)計加熱工裝，以實現(xiàn)筒體環(huán)縫在旋轉(zhuǎn)焊接的同時還能保證接管焊縫的加熱保溫。

方案一：采用固定火焰加熱的方式，如圖4所示。采用固定工裝將氣管、噴嘴等部位固定，將噴嘴對準接管與筒體之間的焊縫固定加熱保溫。以上述某項目加氫反應(yīng)器為例，內(nèi)徑為5600 mm，壁厚342 mm，筒體環(huán)縫的焊接速度要求為36～42 cm/min，正常焊接一整圈至少需42 min，根據(jù)現(xiàn)場試驗，接管焊縫溫度至少在400℃以上方可確保42 min以后冷卻至約200℃。

圖4 固定火焰加熱的方式Figure 4 Fixed flame heating method

考慮到火焰是固定的，而接管焊縫隨著筒體轉(zhuǎn)動，為了確保接管焊縫的加熱保溫在180℃以上，需要筒體環(huán)縫每焊完一圈就暫停，人工操作將天然氣氣體流量加大，將接管焊縫溫度加熱至400℃以上，然后開始重新進行筒體環(huán)縫的焊接，同時將接管焊縫的天然氣關(guān)閉以節(jié)約筒體環(huán)縫焊接轉(zhuǎn)動過程中能源的消耗。

上述固定火焰加熱的方式操作復(fù)雜，需要專人進行天然氣的開閉和調(diào)節(jié)，人工成本大；筒體環(huán)縫焊接過程中每圈暫停，嚴重影響筒體環(huán)縫的焊接質(zhì)量，且制約了制造周期；接管環(huán)縫雖然達到了保溫的結(jié)果，但需不斷經(jīng)歷升溫降溫過程，影響接管焊縫的后熱質(zhì)量。因此該方案不可取。

方案二：采用遠紅外加熱保溫的方式，見圖5。在接管焊縫處環(huán)向布置加熱板并采用保溫棉和壓塊固定，利用電加熱導(dǎo)線將控制柜和加熱板進行連接，從而實現(xiàn)遠紅外加熱保溫。為了避免方案一出現(xiàn)的筒體環(huán)縫焊接旋轉(zhuǎn)過程中電導(dǎo)線纏繞到筒體外壁上從而導(dǎo)致焊接暫停的問題，預(yù)計了兩種解決辦法，一種是通過人工操作的方式將電導(dǎo)線進行梳理，先反方向(與焊接方向相反)對電加熱導(dǎo)線進行預(yù)纏繞1～2圈，但該方法存在極大的觸電安全隱患，也容易導(dǎo)致電導(dǎo)線脫落，因此該法不可?。涣硪环N是在筒體外壁設(shè)置導(dǎo)電滑環(huán)，為了達到滑環(huán)的效果，需設(shè)計專門的滑環(huán)裝置，考慮到筒體外徑較大，滑環(huán)裝置的設(shè)計和制造難度較大，且制造成本高。因此本方案可操作性不強。

圖5 遠紅外加熱的方式Figure 5 Far infrared heating method

基于上述分析，目前加氫反應(yīng)器制造過程中常用的加熱保溫方式均無法有效滿足筒體環(huán)縫連續(xù)焊接的同時保證接管焊縫的加熱保溫，有必要對上述方案進行進一步的改進和完善。

方案三：設(shè)計專用的接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，如圖6所示。為了實現(xiàn)筒體環(huán)縫在旋轉(zhuǎn)焊接的同時還能保證接管焊縫的加熱保溫，設(shè)計的加熱保溫工裝就要兼顧持續(xù)加熱、局部旋轉(zhuǎn)、支撐固定等各項功能。因此，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和焊接過程形式，設(shè)計了由支撐部分、旋轉(zhuǎn)部分、供氣部分組成的接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝。

圖6 接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Structure drawing of nozzles rotatingheating tooling

其中支撐部分有噴嘴支撐工裝、旋轉(zhuǎn)支撐工裝、旋轉(zhuǎn)連接工裝、地面支撐工裝等，供氣部分有天然氣軟管、天然氣鋼管，旋轉(zhuǎn)部分有旋轉(zhuǎn)接頭、旋轉(zhuǎn)大小頭。使用時先準備好接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，將旋轉(zhuǎn)支撐工裝和噴嘴支撐工裝分別裝焊固定在筒體內(nèi)壁，地面支撐工裝擺放到位，裝配好旋轉(zhuǎn)部分和供氣部分，筒體環(huán)縫連續(xù)焊接的過程中，筒體的轉(zhuǎn)動帶動與筒體內(nèi)壁固定的旋轉(zhuǎn)部分一起轉(zhuǎn)動，而上部的噴嘴和下部的供氣保持固定，從而實現(xiàn)在輥胎旋轉(zhuǎn)進行筒體環(huán)縫連續(xù)焊接的同時保持對接管焊縫持續(xù)的加熱保溫。

上述三種方案的優(yōu)劣勢比較如表1所示。

綜上所述，方案三設(shè)計的專用接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝可以有效實現(xiàn)筒體環(huán)縫在旋轉(zhuǎn)焊接的同時還能保證接管焊縫的加熱保溫，適合推廣應(yīng)用。

3 接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝的應(yīng)用

在實際使用過程中，接管與殼體焊縫焊接完成后，準備接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，旋轉(zhuǎn)接頭固定在兩端的固定板上，由上部噴嘴部分隨筒體進行旋轉(zhuǎn)，下部供氣部分保持不動，從而實現(xiàn)加熱旋轉(zhuǎn)工裝的作用。接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝的實際應(yīng)用見圖7。

圖7 接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝的應(yīng)用Figure 7 Application of nozzle rotary heating tooling

接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝利用現(xiàn)有的鋼板、槽鋼、角鋼等余料工裝制作成支撐部分，采購常規(guī)的旋轉(zhuǎn)零件即可制作成旋轉(zhuǎn)部分，利用現(xiàn)有的天然氣管在不改變原有供氣方式的情況下組成供氣部分，無需單獨增加額外的投入成本。操作上簡單便利，能有效解決當(dāng)前存在的問題。

采取接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝實現(xiàn)了筒體環(huán)縫焊接的同時對接管焊縫持續(xù)的加熱保溫，以上述產(chǎn)品為例，可將原有的進爐27次縮減為進爐6～8次，可釋放熱處理爐的占用時間共計57天左右，減少中間消應(yīng)熱處理19次左右的燃氣能源消耗；可減少中間消應(yīng)熱處理的時間114 h，即累計熱處理為650℃×48 h，按照上述Larson-Miller公式折算相當(dāng)于705℃×2.9 h，可有效減少中間消應(yīng)熱處理的累積對母材性能的影響。

4 結(jié)論

(1)采取接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，實現(xiàn)了筒體環(huán)縫焊接的同時對接管焊縫持續(xù)加熱保溫，減少接管焊縫進爐中間消應(yīng)熱處理的次數(shù)，有效解決了熱處理爐的占用瓶頸和由此導(dǎo)致的能源消耗增大、制造周期延長的問題，同時避免母材經(jīng)歷長時間的熱處理而導(dǎo)致性能不合的情況；

(2)接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝制作簡單，操作便利，投入成本低，能有效確保保溫的效果和焊接的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，推進生產(chǎn)進度。