安裝內(nèi)置封頭的新方法
——加熱膨脹法

■ 駱振斌 王 錳 邱定根 中國石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽 471023

安裝內(nèi)置封頭的新方法
——加熱膨脹法

■ 駱振斌 王 錳 邱定根 中國石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽 471023

內(nèi)置封頭在施工現(xiàn)場安裝一直是個難點。以往主要采用控制尺寸法，在預(yù)制的過程中，以控制相關(guān)幾何尺寸為主要手段來保證其安裝。但是在現(xiàn)場的施工中，由于受制于多種因素的影響，往往效果不太明顯，不僅在人力和機具上耗費較大，而且安裝操作難度很大，安裝精度也不高。加熱膨脹法是此類封頭安裝的一個新突破，它是針對控制幾何尺寸環(huán)節(jié)失效而采取的措施，其簡便易行，大大提高了安裝效率，而且安裝精度高，在人力和機具方面都比以往更優(yōu)。

內(nèi)置 封頭 筒體 安裝 幾何尺寸 加熱 膨脹

在塔類壓力容器的制造中，經(jīng)常會遇到內(nèi)置封頭的安裝。內(nèi)置封頭，即被整體安裝坐落在筒體內(nèi)部的封頭，其一般位于塔類設(shè)備的底封頭和頂封頭之間。在施工現(xiàn)場制造塔類設(shè)備的過程中，大多是工廠預(yù)制，現(xiàn)場分片組對，受現(xiàn)場施工條件的限制，內(nèi)置封頭的安裝不僅耗時耗力耗臺班，而且安裝精度也不高。因此，如何高效、精確地將內(nèi)置封頭安裝就位是施工單位不斷摸索的一個問題。

1 內(nèi)置封頭安裝的特點和難點

內(nèi)置封頭安裝的關(guān)鍵要素有四個：封頭端口的外周長、筒體的內(nèi)周長、封頭端口的橢圓度以及筒體的橢圓度。從理論上來講，封頭應(yīng)剛好能坐進(jìn)筒體，兩者接觸部位剛好吻合，即封頭端口周長和筒體內(nèi)口周長是相等的。但在實際施工中，封頭要想坐進(jìn)筒體，必須保證封頭端口和筒體之間存在一定寬度的環(huán)狀間隙。在預(yù)制的過程中，封頭和筒體不可避免地會出現(xiàn)一定程度的橢圓變形，如果橢圓度過大，便會使得兩者之間存在擠兌現(xiàn)象，給安裝帶來很大困難。除此之外，安裝過程中的摩擦力、筒體和封頭的直徑及板厚等也應(yīng)該是考慮的要素。直徑和板厚越大，安裝時產(chǎn)生的摩擦力、擠壓應(yīng)力等也會相應(yīng)增大，讓整個封頭在筒體內(nèi)均勻下落至目標(biāo)位置亦會愈加艱難。

2 工程概況

在四川石化公司乙烯裝置的施工中，由中國寰球工程公司設(shè)計的急冷油塔，其中間封頭采用的是內(nèi)置型封頭的形式。封頭為橢圓型封頭，外徑100000mm，板厚32mm；與封頭相匹配的筒體內(nèi)徑100000mm，板厚28mm；兩者都是16MnR的材質(zhì)。所用材料由某工廠預(yù)制，在四川石化廠現(xiàn)場分片組對安裝。

2.1 安裝過程控制

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，這樣大直徑和壁厚的內(nèi)置封頭安裝，幾何尺寸的控制主要從工序和幾何尺寸兩個環(huán)節(jié)入手，見圖1。

圖1 工序流程圖

2.1.1 預(yù)制橢圓封頭。在分片組對封頭時，將瓣片之間的對口間隙調(diào)節(jié)得盡可能小一些（國標(biāo)規(guī)范要求2±1mm，須滿足此要求），這樣就可以使封頭端口周長盡可能小一些。此外，在封頭焊接時，盡量多道焊縫同時焊接，這樣利用焊接過程中的收縮在一定程度上會使得封頭端口周長進(jìn)一步縮小。

2.1.2 預(yù)制與封頭相匹配的筒節(jié)。筒節(jié)的預(yù)制與封頭的預(yù)制在尺寸控制上正好相反。在組對筒體的時候，參考已經(jīng)預(yù)制好的封頭的端口周長，盡量將對口間隙放的稍微大一點（國標(biāo)規(guī)范要求2±1mm，須滿足此要求），這樣做是為了讓筒節(jié)的內(nèi)口周長盡可能比封頭的端口周長（外口）大一些。

2.1.3 調(diào)整橢圓度。封頭要想坐進(jìn)筒節(jié)內(nèi)，除了周長因素外，橢圓度是一個關(guān)鍵因素。封頭端口找圓采用內(nèi)部打“米”字加固的方法，而筒節(jié)橢圓度的調(diào)節(jié)則需要在筒節(jié)外找合適的著力點，利用千斤頂找圓。

2.1.4 安裝。經(jīng)過橢圓度的調(diào)整，安裝時避免了周向上大范圍的尺寸不合適情況，但是仍然會或多或少的存在“頂死”現(xiàn)象，所以不可避免地還需要利用千斤頂在某些部位頂著筒壁將封頭往下送。

2.2 潛在問題分析

此種方案對幾何尺寸的控制是可行的，預(yù)制后各相關(guān)尺寸的實際值與理論預(yù)期值比較接近的情況下，此種方案也無疑是最簡單易行的。但是在實際的施工過程中，很多因素都存在很大的不確定性：

2.2.1 封頭是由工廠預(yù)制，分片到貨后瓜瓣尺寸已成事實，無法更改。而封頭的組對只能按規(guī)范要求的2±1mm來調(diào)節(jié)對口間隙，這樣的調(diào)節(jié)量對于減小封頭端口周長本就收效甚微，加之焊接收縮量的不確定性，反應(yīng)出的問題就是最后封頭的端口周長無法精確預(yù)測。

2.2.2 筒節(jié)的縱向?qū)谥挥兴闹廖鍡l焊縫，按規(guī)范要求的2±1mm來調(diào)節(jié)對口間隙，每道口的最大間隙也僅僅3mm。此外，還要考慮焊接后的收縮，其收縮量也無法精確預(yù)測。從以往的施工經(jīng)驗看，筒節(jié)周長的增大幅度也不容樂觀。

2.2.3 如果筒節(jié)內(nèi)口周長比封頭端口周長沒大多少，再加上橢圓度的影響，兩者之間可能出現(xiàn)太多的擠兌的部位。這樣情況下，就算很多臺千斤頂同時工作，想把封頭坐進(jìn)筒體也是非常困難的，甚至在施工現(xiàn)場根本無法完成。

3 加熱膨脹法

為了預(yù)防上述方案的失敗，必須擬出一套切實可行的解決方案。受熱膨脹的啟發(fā)，考慮采用局部加熱使筒體膨脹的方法安裝該封頭。為了論證加熱膨脹法的可行性，必須有堅實的理論支撐。

3.1 理論支撐

3.1.1 局部加熱到一定溫度能夠使筒體膨脹量達(dá)到滿足需求的目的。對筒體局部加熱的直接目的是為了讓筒體發(fā)生徑向膨脹。封頭能否坐進(jìn)筒體關(guān)鍵看兩者的周長。封頭在預(yù)制完成后，其端口周長已成定值，無法再將其縮小。所以，只能考慮局部加熱筒體使之發(fā)生熱膨脹，增大其內(nèi)徑，相應(yīng)地增大其內(nèi)口周長。下式為筒體徑向熱膨脹量的計算公式：

式中,α—16MnR的線膨脹系數(shù)（0.0000146）；

D— 塔體直徑；

T— 加熱溫度。

如果尺寸控制環(huán)節(jié)失效，最壞的情況是筒體的內(nèi)口周長等于封頭端口外周長。就此種情況進(jìn)行討論。考慮到橢圓度的影響，如果筒體內(nèi)口周長大于封頭端口周長60mm，即筒體徑向膨脹量達(dá)到20mm左右就可保證封頭坐進(jìn)筒體。將各參數(shù)套入上面的公式進(jìn)行計算：

即加熱到137℃時，筒體徑向膨脹20mm。此時，理論上來講封頭正坐筒體時會形成10mm的環(huán)狀間隙，即可滿足安裝的需求。

3.1.2 對筒體局部加熱對其使用性能沒有弊害。筒體環(huán)向接口處由于焊接應(yīng)變?nèi)菀桩a(chǎn)生“收腰”現(xiàn)象，所以在安裝過程中，對筒體的局部加熱應(yīng)選擇在此部位。16MnR材質(zhì)的相變點在700℃以上，對該焊道部位加熱到137℃對母材的強度和韌性沒有損害。137℃的低溫加熱焊道對于消除焊接接頭中的殘余應(yīng)力、降低硬度以及改善組織還能起到一定的作用。

3.1.3 冷卻后筒體仍能恢復(fù)到加熱前的狀態(tài)。在加熱的過程中，對該部位筒體沒有其它的約束力，等封頭坐入筒體順利通過該加熱部位后，即可對該部位緩慢降溫使之冷卻。在冷卻過程中，該部位筒體仍然處于自由狀態(tài)，可自由收縮。所以，冷卻后筒體必然恢復(fù)到加熱前的狀態(tài)。

3.2 安裝施工

在經(jīng)過理論論證之后，根據(jù)既定方案按部就班開始施工。封頭組對以理論周長31416mm放圓固定胎具，對口間隙控制在2±1mm。焊接完成以后封頭外口周長31414mm。接下來組對筒體，每道口的對口間隙按3mm組對，以31428mm放圓固定胎具。焊接完成后筒體內(nèi)口周長31418mm。經(jīng)過調(diào)整橢圓度，圓度的最大偏差為10mm（允許偏差25mm）。

筒體內(nèi)口周長31418mm比封頭端口周長31414mm大了4mm，即從理論上講，安裝時封頭端口外壁到筒體內(nèi)壁應(yīng)該存在2mm的環(huán)狀間隙。此種情況下，如果封頭和筒體橢圓度均不大于4mm，封頭坐進(jìn)筒體就沒有問題。事實上，10mm的橢圓度排除了這種可能性。開始著手用加熱膨脹法進(jìn)行安裝。

在準(zhǔn)備安裝前做了充分的準(zhǔn)備工作見圖2：

(1)目標(biāo)安裝線以下縱縫和環(huán)縫內(nèi)外口全部焊接完，并做完無損檢測（否則，封頭安裝后無法進(jìn)行這些工作）；標(biāo)安裝線以上縱縫和環(huán)縫只焊完外口（目的是減小筒體收縮，以及防止焊道余高妨礙封頭下坐）。

(2)筒體2上目標(biāo)安裝線上方縱縫的內(nèi)口再延長焊接100mm，并將此部分焊道打磨平滑。

(3)用顯眼的記號筆劃在筒體內(nèi)壁劃出封頭端口到達(dá)的目標(biāo)線，并分別在筒體和封頭上劃出0°、90°、180°、270°四條方位線。

(4)在筒體上存在“收腰”的焊道處，環(huán)向布置加熱片，并提前一h接通電源供電加熱。

(5)準(zhǔn)備5臺30t的千斤頂以作備用。

(6)準(zhǔn)備一個紅外線測溫儀，以監(jiān)測加熱溫度。

(7)令吊車將封頭吊起，對準(zhǔn)筒體正上方，調(diào)整好上下的對應(yīng)位置。

一切準(zhǔn)備就緒后，每隔10min用紅外線測溫儀監(jiān)測加熱區(qū)溫度。當(dāng)加熱溫度到達(dá)130℃左右時，開始令吊車回鉤使封頭往下坐，進(jìn)入正式安裝狀態(tài)。在封頭端口即將接觸筒體時，令吊車停鉤，調(diào)整安裝方位線，直至四條方位線對準(zhǔn)后方可繼續(xù)回鉤下落見圖3。

3.3 實際效果

整個安裝過程進(jìn)行地很順利。加熱膨脹使筒體和封頭之間形成了間隙（受橢圓度影響呈不規(guī)則的環(huán)狀間隙），盡管在某些位置仍有稍稍的擠兌現(xiàn)象，但準(zhǔn)備的千斤頂并沒有派上用場。封頭30多t的自重沖破了擠兌部位的束縛力，順利地坐落在了目標(biāo)位置。待冷卻后檢查，封頭端口與目標(biāo)安裝線最大偏差±2mm，由于封頭與筒體之間的相互作用力，橢圓度也減至最大5mm。

4 結(jié)束語

單純依靠控制幾何尺寸來完成這種大口徑、大壁厚的內(nèi)置型封頭的安裝，其諸多的不確定因素注定完成此項工作比較困難。加熱膨脹法對于解決此類問題取得了良好的效果。雖然損耗一定的電能，但加熱膨脹法簡便易行，安裝精度高，且節(jié)省大量的人工時和吊車臺班，綜合來講，其利大于弊。所以，在以后的施工當(dāng)中，這種方法可以做一推廣以解決此類封頭安裝問題及相類似的其他安裝問題。但要切記，采用加熱膨脹法要建立在充分論證了加熱膨脹的可行性，以及所需求的加熱溫度對母材的材質(zhì)和性能沒有破壞性的基礎(chǔ)上。

1 GB150.1998《鋼制壓力容器》國家標(biāo)準(zhǔn).

2《壓力容器現(xiàn)場制造質(zhì)量保證手冊》.（2005年A版）Q/CNPC.YGS G332.02.2004

3《焊接及熱處理施工技術(shù)管理規(guī)定》.（2006年A版）Q/CNPC.YGS G326.15.2006

4 李平謹(jǐn),徐道榮.《鍋爐壓力容器焊接技術(shù)及焊工問答》，機械工業(yè)出版社，2004

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1672-9323（2010）06-0054-03

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