張婧婧

（上海華誼集團裝備工程有限公司）

0 引言

近年來，隨著精細化工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，丙烯酸及高純丙烯酸的需求正在持續(xù)增長和逐步上升。其中，高純丙烯酸的消費比例更是大幅增加，其主要用于高吸水樹脂 （SAP）、洗滌劑助洗劑、阻垢分散劑、高分子聚合的官能單體、高分子電解質(zhì)和有機合成等。產(chǎn)品廣泛用于衛(wèi)生材料、農(nóng)業(yè)保水、水處理、石油開采、涂料、油墨、紡織、印染、造紙、制革、食品加工等領(lǐng)域，市場潛力較大。

結(jié)晶器是高純丙烯酸裝置中的核心設(shè)備，其技術(shù)要求和制作難度都非常高。在設(shè)備的研制過程中，需要認真研究各項技術(shù)指標和要求，進行大量的探索和試驗，才能成功研制出結(jié)晶器設(shè)備。經(jīng)過幾年的實際運行，該結(jié)晶器各項性能指標完全達到設(shè)計要求。本文主要介紹結(jié)晶器設(shè)備中最為關(guān)鍵、最為核心的部件之一——結(jié)晶管組件的加工、組裝和試驗等有關(guān)問題。

1 結(jié)晶管組件簡介

結(jié)晶管組件是結(jié)晶器設(shè)備中的重要零部件。其主要作用是粗丙烯酸物料通過分布器在管壁內(nèi)表面形成均勻分布的薄液層，然后通過管外介質(zhì)的溫度變化使管內(nèi)介質(zhì)結(jié)晶或溶化，從而去除物料中的雜質(zhì)，提高物料的純度，獲得高純度的丙烯酸。

由于結(jié)晶管組件的表面狀態(tài)、直徑偏差、壁厚偏差、彎曲度等因素對物料的結(jié)晶和溶化等過程都會產(chǎn)生非常大的影響，故其主要參數(shù)和要求如下：鋼管的材質(zhì)為S30408；鋼管的內(nèi)、外表面要達到光亮狀態(tài)；鋼管總長約18 m，全長度的彎曲度≤10 mm；鋼管外徑為70 mm，直徑偏差為±0.1 mm；壁厚為1.2 mm，壁厚偏差為±0.05 mm。圖1所示為結(jié)晶管組件的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 結(jié)晶管組件的結(jié)構(gòu)簡圖

結(jié)晶管的精度和技術(shù)要求都非常高，因此其制作難度相應(yīng)地也是非常高的。如何正確地選擇結(jié)晶管的標準和加工工藝、組裝工藝等，對整個結(jié)晶器設(shè)備的制造是非常關(guān)鍵的。

2 鋼管類型的選擇

目前，常用的不銹鋼鋼管主要有兩大類型，即無縫鋼管和焊接鋼管。

無縫鋼管是先用鋼錠或?qū)嵭墓芘鹘?jīng)穿孔制成毛管，然后再經(jīng)熱軋、冷軋或冷撥等工藝制成的鋼管。其具有強度高、使用廣泛等特點，但生產(chǎn)效率較低、工藝較復(fù)雜，成本也較高。

焊接鋼管是用鋼板或鋼帶經(jīng)過卷曲成形，然后再通過焊接、整形等工藝制成的鋼管。其具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)效率較高、成本較低等特點。隨著優(yōu)質(zhì)帶鋼連軋生產(chǎn)的迅速發(fā)展以及焊接、檢驗技術(shù)的進步，焊縫質(zhì)量不斷提高，焊接鋼管在越來越多的領(lǐng)域代替了無縫鋼管。

根據(jù)結(jié)晶管組件的尺寸精度和技術(shù)要求，綜合考慮無縫鋼管和焊接鋼管的各自特點，以及結(jié)晶管管壁較薄、長度較長、表面質(zhì)量較高的要求，選擇了更容易控制鋼管的直徑偏差和壁厚偏差的焊接鋼管來制作結(jié)晶管組件。

3 鋼管的技術(shù)要求

對比焊接鋼管標準GB/T 24593—2009《鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管》，結(jié)晶管的尺寸精度要求和技術(shù)要求比標準的要求要高得多。為此，在制作結(jié)晶管的過程中，除了按照 GB/T 24593—2009標準的規(guī)定外，還專門制定了相關(guān)的技術(shù)要求，對鋼管的外徑偏差、厚度偏差、彎曲度等提出了更高的要求，并增加了渦流探傷、射線檢測和水下氣密試驗等檢測和試驗項目，以確保結(jié)晶管能滿足設(shè)計和工藝要求，具體見表1。

表1 結(jié)晶管的尺寸精度要求、檢測試驗項目與標準的對比

4 鋼管制造中的主要工序和控制要點

（1）坯料

采用電弧爐粗煉加爐外精煉的優(yōu)質(zhì)鋼坯，并經(jīng)過精密軋制的冷軋鋼帶卷作為鋼管的坯料。鋼帶表面須經(jīng)過光亮加工，表面質(zhì)量等級為2B級。鋼帶采用厚度精度較高的PT.B類型，其厚度偏差為±0.035 mm。鋼帶的寬度也需嚴格控制，以保證鋼管的直徑公差。在鋼帶進廠驗收時，必須測量其寬度和厚度，保證每卷鋼帶的寬度和厚度均在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）成形

對卷管生產(chǎn)線必須作全面細致的調(diào)試，卷管模具必須經(jīng)過嚴格的修整和檢驗，確保鋼管成形的直徑、圓度、直線度等達到規(guī)定的要求，鋼管的直徑偏差、厚度減薄量等均在規(guī)定的范圍內(nèi)，并確保鋼管的內(nèi)外表面質(zhì)量符合要求，不得有裂紋、咬邊、折疊、扭曲等缺陷存在。在調(diào)試合格后才能進行鋼管的正式加工。

（3） 焊接

鋼管的焊接采用自動氬弧焊，焊接過程中不添加焊絲。必須確保焊接設(shè)備的完好穩(wěn)定，氬氣氣壓和氣量的穩(wěn)定，焊接參數(shù)的連續(xù)穩(wěn)定。要保證整根鋼管能連續(xù)一次性地完成焊接，不能中斷。在鋼管正式制作之前，需要先進行試焊，檢測焊機的工況和焊接后鋼管的表面質(zhì)量，確保正式焊接后鋼管的焊縫表面平滑、無凹坑等缺陷。

（4）固溶化處理

焊接完成后，還需要進行固溶化處理。固溶化處理由專門的熱處理裝置進行，必須采用充足的惰性氣體進行保護，確保鋼管表面不被氧化，保持原有的光亮狀態(tài)，以滿足結(jié)晶管的技術(shù)要求。

為了更好地保障鋼管的質(zhì)量，固溶化處理后，需對鋼管逐根進行在線渦流檢驗，把允許的缺陷值控制在最小范圍內(nèi)。渦流檢測設(shè)備必須穩(wěn)定可靠，并調(diào)試到規(guī)定的靈敏度，對超過規(guī)定的缺陷必須采取報警措施。當鋼管上有超標缺陷時，須在缺陷處作好標記，并予以剔除。渦流檢測的數(shù)據(jù)必須是全部和自動地進行記錄和保存。

（6）水壓試驗

鋼管制作完成后，為了更好地保障鋼管的質(zhì)量，需要對鋼管逐根進行水壓試驗。水壓試驗在專門的試驗平臺上進行，試驗壓力為6 MPa。

（7）水下氣密試驗

為了保證鋼管的致密性，還需要對鋼管逐根進行水下氣密試驗。水下氣密試驗在專門的試驗水槽中進行。

（8）成品檢測

鋼管成形之后，先進行長度測量和端口加工，使其達到規(guī)定的長度要求。然后，使用專用的內(nèi)、外徑量具和厚度等測量工具進行測試，保證鋼管的直徑、厚度以及圓度在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)。最后，再在專用的測量平臺上進行鋼管彎曲度的測量。

（9）射線檢測

為了保證焊縫質(zhì)量，對每一批次鋼管生產(chǎn)的開始、中間和結(jié)束三個階段各隨機選取不少于10%數(shù)量的鋼管，按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》的規(guī)定進行射線檢測。檢測合格后再進行下一批次鋼管的生產(chǎn)，直至最后一批鋼管生產(chǎn)結(jié)束。

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（10）相關(guān)試驗

此外，還需按照GB/T 24593—2009標準的要求，對每批鋼管取樣進行化學(xué)成分、拉伸試驗、壓扁試驗、卷邊試驗、反向彎曲試驗、晶間腐蝕試驗以及晶粒度試驗等各個項目的檢驗。

5 結(jié)晶管組件的組裝

（1）鋼管與分布器的組焊

結(jié)晶管組件由長約18 m的鋼管與分布器組成。要完成結(jié)晶管組件的整體組裝，需要對鋼管與分布器進行組焊?？紤]到鋼管與分布器的壁厚均較薄，僅為1.2 mm，故采用了Ⅰ型的坡口形式且不加焊絲的焊接方案，并用自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊進行焊接。圖2所示是鋼管與分布器焊接坡口形式。

為了保證焊接質(zhì)量，在鋼管與分布器正式焊接之前，先進行了焊接工藝評定試驗。試板焊接完成后，對焊縫外觀進行檢查，無任何焊接缺陷，然后按照NB/T 47013.2—2015對鋼管環(huán)焊縫進行100%滲透探傷 （RT）檢測，達到Ⅱ級為合格。檢測合格之后，按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的要求進行拉伸試驗、彎曲試驗和晶間腐蝕試驗等檢驗。拉伸試驗測得焊縫斷裂部位抗拉強度滿足要求，彎曲試驗結(jié)果無裂紋，且受檢面未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。圖3所示是鋼管與分布器焊接的試樣。

圖2 鋼管與分布器焊接坡口形式

圖3 鋼管與分布器焊接的試樣

根據(jù)焊接工藝評定的結(jié)果，制定了鋼管與分布器的焊接工藝。焊接前應(yīng)加強對坡口處的打磨和清理，以去除氧化層和雜質(zhì)等；焊接時應(yīng)注意控制層間溫度，并用惰性氣體氬氣進行保護，控制好保護氣體的流量。焊接的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

焊接完成后，每根結(jié)晶管組件的環(huán)焊縫均要按照 NB/T 47013.2—2015的規(guī)定進行 100%RT檢測，達到Ⅱ級為合格。然后，結(jié)晶管組件還需要進行整體的水壓試驗和氣密性試驗。

（2）結(jié)晶管與管板的組焊

結(jié)晶管組件自身組焊、試驗完成之后，最后還要與管板進行組焊，并須經(jīng)相關(guān)試驗達到合格。圖4所示是結(jié)晶管與管板連接的焊接形式。

圖4 結(jié)晶管組件與管板的焊接形式

由于結(jié)晶管組件的壁厚比較薄，管板的厚度比較大，兩者的厚度差異非常大，這就使得焊接的難度大大增加。為了確定合適的焊接坡口形式和焊接參數(shù)，在結(jié)晶管組件與管板正式焊接之前，進行了多次焊接試驗和焊接工藝評定。最終確定了結(jié)晶管組件與管板的焊接坡口形式和相關(guān)的焊接工藝參數(shù)。圖5所示是結(jié)晶管組件與管板焊接的試樣。

圖5 結(jié)晶管組件與管板焊接的試樣

結(jié)晶管組件與管板的焊接坡口形式為V形坡口，采用自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊進行焊接。每個焊口共焊接兩道，第1道焊縫不加焊絲進行焊接，第2道焊縫添加焊絲進行焊接。第1道焊縫的起弧點與第2道焊縫的起弧點須錯開180°。第1道焊縫焊接完成后，按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》的規(guī)定進行100%的滲透檢測，Ⅰ級為合格。第1道焊縫合格后，再進行第2道焊縫的焊接。全部焊完后，再按照 NB/T 47013.5—2015的規(guī)定對焊縫進行100%的滲透檢測，達到Ⅰ級為合格。焊接過程中，要注意將焊接坡口處的氧化層、污垢和雜質(zhì)等清除干凈，且要控制好層間溫度和保護氣體的流量等，相關(guān)的焊接參數(shù)見表2。

表2 結(jié)晶管組件的焊接形式和參數(shù)

（3）其他注意事項

由于結(jié)晶管組件的長度為18 m，而管子的壁厚僅為1.2 mm，其自身的剛度較差，在生產(chǎn)、試驗等過程中很容易產(chǎn)生變形。此外，結(jié)晶管組件對彎曲度的要求非常高，在全長18 m的范圍內(nèi)彎曲度偏差僅允許不超過10 mm。這就要求在鋼管的生產(chǎn)、試驗、包裝、運輸?shù)冗^程中，以及在結(jié)晶管組件的組裝、試驗等過程中，均要采取可靠有效的措施來避免鋼管、結(jié)晶管組件可能產(chǎn)生的變形。

為此，專門制定了 “輔助增強、多點支撐、同步位移”的方案來解決這個問題，并制作了專用的搬運工裝，使鋼管和結(jié)晶管組件在組裝、試驗過程的搬運中既避免產(chǎn)生過大的變形，又能滿足組裝、試驗等要求。同時還設(shè)計了專用的鋼管運輸包裝箱，用于鋼管的運輸。鋼管在運輸包裝箱中整齊、平整地擺放，能有效地避免相互碰撞、擠壓帶來的形變；運輸包裝箱本身具有足夠的剛度和強度，能保證鋼管在運輸過程中有足夠的剛度，防止產(chǎn)生過大的變形。

6 結(jié)論

經(jīng)過上述的關(guān)鍵工藝的控制，使結(jié)晶管組件的制造與組裝都達到了理想的效果，滿足了圖紙技術(shù)要求和實際使用的需要。按此工藝制作的結(jié)晶管組件已成功地應(yīng)用到多臺結(jié)晶器設(shè)備中，經(jīng)檢測符合技術(shù)要求。這些結(jié)晶器經(jīng)過幾年的實際使用，完全達到工藝要求，生產(chǎn)出了高質(zhì)量的產(chǎn)品。

結(jié)晶管組件是結(jié)晶器設(shè)備中的最重要、最核心的部件之一，具有尺寸精度和技術(shù)要求高、制作難度大等特點。要制作出高質(zhì)量的結(jié)晶管組件，需要從坯料、焊接、熱處理、無損檢測、相關(guān)試驗和檢測、組裝等全過程加以控制和關(guān)注。

（1）宜選用焊接鋼管，以便能較好地控制直徑偏差和壁厚偏差，獲得較好的表面質(zhì)量。

（2）鋼管的坯料選擇十分重要，鋼帶應(yīng)采用厚度精度較高的PT.B等級，寬度尺寸也要予以控制，鋼帶的表面質(zhì)量等級應(yīng)選2B級。

（3）鋼管生產(chǎn)前必須對生產(chǎn)線進行全面細致的調(diào)試，卷管模具必須經(jīng)過嚴格的修整和檢驗，在調(diào)試合格后才能進行鋼管的正式加工。

（4）鋼管的焊接采用自動氬弧焊，焊接過程中不添加焊絲。焊接設(shè)備和焊接參數(shù)需要確保穩(wěn)定，整根鋼管要一次性完成焊接。在鋼管正式制作之前，先進行試焊，檢測焊機工況和焊接后鋼管質(zhì)量。

（5）固溶化處理必須采用充足的惰性氣體進行保護，以確保鋼管保持原有的光亮狀態(tài)。

（6）鋼管須逐根進行在線渦流檢驗，渦流檢測設(shè)備必須穩(wěn)定可靠，并調(diào)試到規(guī)定的靈敏度。

（7）鋼管須逐根做水壓試驗和水下氣密試驗。

（8）鋼管與分布器的焊接宜采用不加焊絲的自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊進行焊接，并進行100%RT檢測。結(jié)晶管組件還需進行整體的水壓試驗和氣密性試驗。

（9）結(jié)晶管組件與管板的焊接宜采用自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊進行焊接，每個焊口焊兩道，第1道不加焊絲，第2道添加焊絲，兩道焊縫的起弧點須錯開180°，每道焊縫均需做100%PT檢測。

（10）由于結(jié)晶管的剛度很小，而對彎曲度的要求又很高，所以在鋼管和結(jié)晶管組件的生產(chǎn)、組裝、試驗和運輸?shù)冗^程中均要采取可靠有效的措施，以避免可能產(chǎn)生的變形。

[1] 全國鋼標準化技術(shù)委員會.鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管：GB/T 24593—2009[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.承壓設(shè)備無損檢測：NB/T 47013—2015[S].北京：新華出版社，2015.

[4] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.承壓設(shè)備焊接工藝評定：NB/T 47014—2011[S].北京：新華出版社，2011.