脫硫反應(yīng)器制造難點(diǎn)分析及工藝改進(jìn)

孔祥偉

（大慶石油化工機(jī)械廠有限公司，黑龍江大慶 163711）

0 引言

脫硫反應(yīng)器是S-Zorb 系統(tǒng)內(nèi)的核心設(shè)備，同樣是化工行業(yè)的重要反應(yīng)裝置。由于該裝置的主要制備材料為12Cr2Mo1R，具有特殊性質(zhì)，因此制備過程復(fù)雜，工藝細(xì)節(jié)要求極高，必須重視脫硫反應(yīng)器制備環(huán)節(jié)的難點(diǎn)與質(zhì)控措施，以確保后續(xù)投產(chǎn)的安全使用。

1 脫硫反應(yīng)器的構(gòu)造特征與關(guān)鍵制備工藝

本次大慶石油化工機(jī)械廠有限公司承制的脫硫反應(yīng)器為立式構(gòu)造，類別為Ⅲ，投產(chǎn)后處理介質(zhì)為汽油、氫氣、吸附劑（圖1）。其主要制備材料為12Cr2Mo1R，焊接系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為1.0，其他設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)

圖1 脫硫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1.1 上封頭制備

本裝置的上封頭結(jié)構(gòu)選用“整體拼接+熱壓沖型”工藝，拼接成型后采用正火（可調(diào)節(jié)冷卻時間）配合回火熱制備流程。由于熱制備工藝會降低母材12Cr2Mo1R 的性能，因此在回廠后要將拼縫部位的焊肉置換。置換焊肉時，為避免封頭變形，首先需在封頭頂部安裝內(nèi)箍圈，拼縫里、外兩側(cè)要安裝拉筋板；然后要先置換外側(cè)的焊肉、再置換里側(cè)的焊肉[1]。

1.2 下封頭制備

與上封頭一致，下封頭同樣選用整體熱壓沖型工藝，成型后采用正火（可調(diào)節(jié)冷卻時間）配合回火熱制備流程。回廠后，對封頭的內(nèi)側(cè)進(jìn)行堆焊、接管部位進(jìn)行組焊，經(jīng)探傷檢測合格為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 筒節(jié)制備

因本裝置筒體直徑偏大，壁厚48～62 mm 不等，為保證筒節(jié)直線度，縱環(huán)縫坡口需采用刨邊機(jī)加工，控制對角線尺寸偏差小于2 mm。筒節(jié)需先拼接、后卷制，板材拼接時注意預(yù)留焊接縫，后續(xù)卷制時板材兩側(cè)還需預(yù)留出150 mm的直頭（在筒身合口之后再去除），以確保筒節(jié)卷制的彎曲度合格。筒身合口之前，需測量卷制后的筒身周長，以保障筒節(jié)成型后直徑規(guī)格與設(shè)計參數(shù)相符。

1.4 錐體的制造

本裝置包括兩節(jié)錐體，錐體為翻邊形式，選用“分瓣組裝+組焊成型”方式制備。成型后的錐瓣，需要與對應(yīng)的主材12Cr2Mo1R 元件一同經(jīng)熱處理。

2 制造難點(diǎn)與工藝質(zhì)控措施

2.1 焊接難點(diǎn)

12Cr2Mo1R 材料的性質(zhì)非常特殊，存在淬硬傾向，在熱制備條件下極易發(fā)生裂痕，因此焊接工作需要重點(diǎn)把控預(yù)熱環(huán)節(jié)、熱制備環(huán)節(jié)以及焊后去應(yīng)力熱處理環(huán)節(jié)的焊接溫度。

2.1.1 預(yù)熱

預(yù)熱環(huán)節(jié)的作用主要是為避免鋼材發(fā)生焊接冷裂痕與再熱裂痕[2]，預(yù)熱溫度需要根據(jù)所用鋼材的碳當(dāng)量、焊接接頭的拘束度以及焊接部位的氫含量來確定。針對12Cr2Mo1R 鋼材，為避免出現(xiàn)氫致裂痕，需要調(diào)節(jié)較高的預(yù)熱，同時不能超過馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)的臨界值Mf（表2）。

表2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對于12Cr2Mo1R 鋼材的建議預(yù)熱溫度

2.1.2 熱制備與消氫環(huán)節(jié)

API RP 934-A—2019 標(biāo)準(zhǔn)中，12Cr2Mo1R 鋼材的熱制備工藝為593 ℃條件下，持續(xù)制備2 h，最低消氫溫度為300 ℃。我國普遍采用的消氫工藝，在300～350 ℃持續(xù)制備2 h，但只適用于厚度偏薄的接管環(huán)形焊接與純角焊接。而針對脫硫反應(yīng)器的熱制備，需要保持620 ℃條件下持續(xù)制備2 h。如果鋼材厚度大于100 mm，則持續(xù)制備時間不能少于4 h。

熱制備環(huán)節(jié)的熱電偶應(yīng)至少布設(shè)4 個，布設(shè)如圖2 所示，其中L 為接頭的厚度。

圖2 熱制備環(huán)節(jié)中熱電偶的布設(shè)

2.1.3 焊后去應(yīng)力熱處理

12Cr2Mo1R 鋼材在焊接完成之后，需要進(jìn)行焊后熱處理，這一步主要是為清除焊接殘留的應(yīng)力，優(yōu)化接頭部位的力學(xué)性質(zhì)，減少由于溫度驟變而引起的焊接裂縫與硬化組織。當(dāng)前，針對12Cr2Mo1R 鋼材的焊后熱處理，主要采用調(diào)節(jié)回火參數(shù)［P］的處理工藝，690±14 ℃持續(xù)處理8～10 h，此時回火參數(shù)約為20.13，滿足12Cr2Mo1R 鋼材回火參數(shù)［P］的標(biāo)準(zhǔn)范圍（20～20.5）。

2.2 分配盤的堆焊

分配盤的堆焊作業(yè)即為管板部位的堆焊，如果分配盤使用環(huán)形帶極堆焊方式，那么其堆焊的焊口分為內(nèi)、外兩部分，需要注意不同焊口的焊接速度，盡量保持一致，同時在焊接之前需要調(diào)整好焊機(jī)的轉(zhuǎn)速，不同直徑的焊口需選擇適宜的堆焊方法。當(dāng)前對于分配盤部位的堆焊主要有以下3 種方法[3]：

（1）方法1：焊口直徑小于500 mm 時，焊機(jī)需平行或垂直于焊點(diǎn)部位，然后盤旋堆焊，將焊口調(diào)整為直徑500 mm 的圓，再以環(huán)形方向焊接、層層堆焊剩余部分。焊接全程需使用帶極電渣焊。

（2）方法2：使用帶極電渣焊以環(huán)形方向進(jìn)行堆焊，將焊口調(diào)整為直徑小于300 mm 的圓，之后換用熔化極氣體保護(hù)焊或電弧焊，將焊機(jī)平行或垂直于焊點(diǎn)，盤旋堆焊剩余焊口。

（3）方法3：加裝環(huán)形擋焊支架，使用帶極電渣焊，將焊機(jī)平行或垂直于焊點(diǎn)，盤旋堆焊全部焊口。堆焊結(jié)束之后拆除擋焊支架。

2.3 焊縫置換

上、下封頭部位的焊縫置換十分關(guān)鍵，必須保證原有焊肉被全部剔除干凈，同時坡口部位的尺寸需要符合成型封頭的拼裝與焊接，封頭的最終形狀需達(dá)到GB 150—2011《壓力容器》的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

為避免封頭部位發(fā)生變形問題，可在焊縫置換前加裝防變形支架（圖3）。根據(jù)直邊段部位的取樣檢測結(jié)果，確定封頭處熱制備受影響區(qū)域，清除原有焊肉與熱制備受影響區(qū)域的焊肉之后，封頭坡口部位如圖4 所示。

圖3 封頭置換防變形工裝示意

圖4 去除原焊縫和熱影響區(qū)后的焊縫坡口

為避免置換后的焊縫出現(xiàn)變形，可將全部焊縫均分成數(shù)段，先從中間部位開始，逐步向兩端置換。置換過程中注意焊縫的坡度需保持一致，置換結(jié)束后封頭的坡口不能小于原有尺寸。

整個置換流程為[4]：預(yù)熱處理（溫度控制在180～200 ℃）→清除中間部位的原焊肉與熱制備影響區(qū)焊肉→檢查焊縫坡度→焊接中間部位→清除兩端部位的原焊肉與熱制備影響區(qū)焊肉→檢查焊縫坡度→焊接剩余部位→焊縫實(shí)施熱制備與消氫（620 ℃條件，持續(xù)制備2 h）→翻面→預(yù)熱處理（溫度控制為180～200 ℃）→另一面，清除中間部位的原焊肉與熱制備影響區(qū)焊肉→檢查焊縫坡度→焊接中間部位→清除兩端部位的原焊肉與熱制備影響區(qū)焊肉→檢查焊縫坡度→焊接剩余部位→焊縫實(shí)施熱制備與消氫（620 ℃持續(xù)制備2 h）→打磨（符合設(shè)計尺寸）→進(jìn)行無損檢測（MT、UT、RT、VT 或DT）。

3 結(jié)束語

脫硫反應(yīng)器制造工藝復(fù)雜，通過對脫硫反應(yīng)器制造難點(diǎn)的分析，逐步完善并改進(jìn)現(xiàn)有制造工藝，為同類產(chǎn)品的制造提供參考經(jīng)驗(yàn)。