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(1.太重(天津)濱海化工裝備分公司，天津 300450；2. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

0　前言

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，單套生產(chǎn)裝置的產(chǎn)量越來越大，促使了反應(yīng)設(shè)備的大型化，主要表現(xiàn)在其直徑加大，筒體加長(zhǎng)，特別是承受外壓的內(nèi)筒壁厚增加，給反應(yīng)設(shè)備的制造工作增加了難度。太重(天津)濱?；ぱb備分公司承接了某化工新材料有限公司的60Kt/a有機(jī)硅單體工程流化床反應(yīng)器(螺旋半圓管夾套式反應(yīng)器)的制造，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高、制造困難。

1　技術(shù)參數(shù)

1.1　反應(yīng)器外形尺寸和材料

反應(yīng)器主要由上管箱、反應(yīng)器床芯、反應(yīng)器主體和下管箱四段組成，如圖1所示。主體內(nèi)徑φ3 100 mm厚度20 mm，總高19 450 mm，材料Q345R；外部螺旋半圓管φ108 mm厚度4 mm，材料為Q345R；反應(yīng)器床芯中雙層導(dǎo)熱管φ133 mm×5 mm,φ89 mm×4 mm，材料為20 G。

圖1　反應(yīng)器示意圖

1.2　反應(yīng)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

反應(yīng)器主體材料Q345R，凈重78 458 kg，屬于三類容器。制造技術(shù)條件按GB 150—2011執(zhí)行，焊接規(guī)程按NB/T 47015—2011執(zhí)行，監(jiān)察規(guī)程按TSG 21—2016執(zhí)行，探傷標(biāo)準(zhǔn)按NB/T 47013—2015執(zhí)行，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3　主要材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

主要材料的化學(xué)成分如表2所示，力學(xué)性能如表3所示。

表2　鋼材主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3　鋼材主要力學(xué)性能

由表3可以看出，鋼材的沖擊吸收能量KV2值要求并不是很高，因此對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能要求也不高，只要選擇合適的焊接材料、焊接工藝方法和焊接工藝評(píng)定就能滿足焊接要求。

2　焊接方法和焊接參數(shù)

2.1　焊接方法的選用

為保證焊接質(zhì)量，提前對(duì)殼體(Q345R)等主材做了焊接的工藝評(píng)定，最終確定筒體封頭主要縱、環(huán)焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊+埋弧焊，其余焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊，并結(jié)合鋼材的力學(xué)性能和焊后熱處理的要求，選擇相應(yīng)的焊接材料。

2.2　坡口形式選擇及其工藝參數(shù)

以板厚為 20 mm的Q345R對(duì)接接頭為例，坡口形式為單V形外大里內(nèi)小坡口，坡口角度為60°，加工時(shí)不留焊接鈍邊，坡口間隙為0～2 mm，采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底焊焊接，反面清根，并使用自動(dòng)埋弧焊蓋面。對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷達(dá)到Ⅱ級(jí)合格，焊接接頭力學(xué)性能,如表4所示，達(dá)到產(chǎn)品的技術(shù)要求。

表4　Q345R焊接接頭力學(xué)性能

除以上殼體主材，床芯導(dǎo)熱管(20G鋼管)對(duì)接接口采用氬弧焊，其余角焊縫采用氣體保護(hù)焊，都經(jīng)過焊接工藝評(píng)定且合格；在制造過程中將筒節(jié)末端帶焊接試板，用與筒體相同的焊接參數(shù)焊接，經(jīng)射線及熱處理后進(jìn)行理化檢驗(yàn)，都達(dá)到合格的性能要求。

3　設(shè)備制造

3.1　薄壁大直徑筒體的制造

外殼筒體內(nèi)徑φ3 100 mm厚度20 mm，材質(zhì)Q345R，為保證幾個(gè)小筒節(jié)對(duì)接成整筒后的直線度，必需控制其各個(gè)小筒節(jié)橢圓度及縱縫錯(cuò)邊量，筒體質(zhì)量主要通過以下幾方面控制：

(1)采用半自動(dòng)切割下料，板材長(zhǎng)度留有壓頭，為保證下料準(zhǔn)確要測(cè)量下料長(zhǎng)度，對(duì)角線長(zhǎng)度并劃出壓頭線，責(zé)任線。

(2)寬度兩邊坡口上銑邊機(jī)銑出坡口，銑邊公差：長(zhǎng)度±1 mm，寬度±1 mm，對(duì)角線尺寸≤2 mm。

(3)上圈圓機(jī)預(yù)彎壓頭，并根據(jù)相配的封頭外周長(zhǎng)尺寸再次測(cè)量筒體以確定其準(zhǔn)確長(zhǎng)度，之后用半自動(dòng)切割機(jī)割掉壓頭并切割出坡口。

(4)小筒節(jié)焊接后經(jīng)過校圓滿足橢圓度e≤ 7為合格，用弦長(zhǎng)大于300 mm的內(nèi)樣板檢查，其對(duì)接縱縫處所形成的棱角E≤3.6 mm為合格。

(5)按NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行縱縫100%RT探傷，需達(dá)到Ⅱ級(jí)合格。

(6)為了防止起吊過程中的變形，制作了輔助工裝環(huán)抱箍如圖2所示，箍住筒節(jié)外端以防止其變形。

(7)標(biāo)出方位線(0°，90°，180°，270°)，按方位線依次組對(duì)點(diǎn)焊，并從4個(gè)方位線處吊線測(cè)量筒體直線度，以保證整體組裝后直線度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖2　環(huán)抱箍示意圖

3.2　大法蘭變形控制

該反應(yīng)器介質(zhì)為毒性，密封要求很高，要求焊接后法蘭不能有任何的變形。采用如下兩種方法解決變形問題。

(1)采用米字形工裝如圖3所示支撐法蘭內(nèi)部，減少焊后變形。

(2)留下1 mm加工余量，如果焊后經(jīng)測(cè)量變形不大則不用加工,若超出誤差允許范圍則可以焊后部件整體加工，保證法蘭密封面的平面度。

圖3　米字形工裝示意圖

3.3　筒體外部螺旋半圓管的組裝

螺旋半圓管如圖4所示的加工制造工藝復(fù)雜，既有螺旋半徑的變化，又有螺旋導(dǎo)角的變化，增加了制造難度，一旦制作尺寸不到位，將會(huì)使裝配及焊接更加困難。螺旋半圓管對(duì)接接頭多，環(huán)角焊縫比較長(zhǎng)，為保證其焊接質(zhì)量，對(duì)接接頭必須全部焊透，而半圓管環(huán)角焊縫的探傷有一定困難，表面探傷很難發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷(如夾渣、未焊透、氣孔、裂紋等)。這給設(shè)備的使用帶來不少潛在的危險(xiǎn)，為此制定了專門的工藝措施來解決以上難點(diǎn)。

圖4　螺旋半圓管示意圖

3.3.1筒體焊前準(zhǔn)備

先將裝焊好的筒體如圖5a所示及實(shí)物照片如圖5b所示豎立于平臺(tái)之上，再次確認(rèn)筒體上方位(0°，90°，180°，270°)，在以上4個(gè)方位線上，將螺旋半圓管的軌跡線劃出，這樣可以保證裝配的準(zhǔn)確性，之后將螺旋半圓管從下往向上依次裝焊，為此制作了工裝卡塊和楔形塊，使半圓管能夠與筒體緊貼，這樣使對(duì)接接頭錯(cuò)邊量很小，有利于保證焊接質(zhì)量。

圖5　筒體示意圖及實(shí)物圖

3.3.2焊接過程

為了能夠全焊透對(duì)接接頭，采用V形坡口，鈍邊(1±1) mm，間隙2～3 mm，單面焊雙面成形，并專門培訓(xùn)焊工進(jìn)行施焊。對(duì)于環(huán)角焊縫，為確保其焊接質(zhì)量，分別在焊接和熱處理后，除進(jìn)行表面探傷檢查外，還作了水壓試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)，一旦發(fā)現(xiàn)泄露及時(shí)補(bǔ)焊并重新探傷及再次打壓(經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算將試驗(yàn)壓力增加到一定倍數(shù)，并保壓足夠長(zhǎng)的時(shí)間)。

3.4　反應(yīng)器床芯導(dǎo)熱管回路的制造

床芯管束如圖6a所示及實(shí)物照片如圖6b所示共分5組，每一組都是由φ133×5 mm,φ89×4 mm雙層鋼管、彎頭、三通組成的一個(gè)復(fù)雜回路，且單組回路長(zhǎng)度不同，而其回路內(nèi)流量速度又要求相同，所以必須保證每組管束制造精度及焊接質(zhì)量。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，制造工藝性差，很多接頭焊縫很難施焊和探傷，給制造帶來很大困難，主要通過以下工藝措施和必要的工裝實(shí)現(xiàn)。

圖6　床芯管束示意圖及實(shí)物圖

3.4.1管束制造

按管束Ⅰ、管束Ⅱ、管束Ⅲ、管束Ⅳ和管束Ⅴ分別裝焊成部件，組裝并焊接，焊接后對(duì)管焊縫總數(shù)20%進(jìn)行RT檢查，Ⅲ級(jí)合格。每個(gè)管束組件裝焊后先進(jìn)行一次水壓試驗(yàn)，以確保各焊縫無滲漏。

3.4.2管束焊接

φ133×5 mm，φ89×4 mm鋼管材料為20 G，其內(nèi)部流通的是導(dǎo)熱油，因此不能有任何泄露。為了能夠全焊透對(duì)接接頭，采用V形坡口，鈍邊(1±1) mm，間隙1～2 mm，單面焊雙面成型，采用氬弧焊施焊，并進(jìn)行100%RT探傷，達(dá)到NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級(jí)合格，焊接及熱處理后分別進(jìn)行壓力試驗(yàn)，由于結(jié)構(gòu)原因只進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，一旦發(fā)現(xiàn)泄露及時(shí)補(bǔ)焊并再次打壓(經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算將試驗(yàn)壓力增加到一定倍數(shù)，并保壓足夠長(zhǎng)的時(shí)間)。

4　總裝和耐壓試驗(yàn)

總裝時(shí)，床芯部分是難點(diǎn)，管子長(zhǎng)12 m，起吊時(shí)剛性差容易產(chǎn)生變形，會(huì)使根部焊縫產(chǎn)生裂紋，因此專門制作了一套起吊工裝，使導(dǎo)熱管另外一端能夠平穩(wěn)放置，起吊時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，完成床芯和殼體的總裝。

耐壓試驗(yàn)分殼體和夾套，由于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫過長(zhǎng)及施焊位置很差，為保證焊接質(zhì)量，必須采取在焊接后和熱處理后對(duì)外部盤管及床芯管束進(jìn)行兩次試壓，且水壓和氣密性試驗(yàn)均做，達(dá)到產(chǎn)品要求。

5　結(jié)論

(1)此類螺旋半圓管夾套式反應(yīng)器技術(shù)要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難大，必需充分考慮其制造，裝配過程中的難點(diǎn)，預(yù)先制定合理的工藝措施和制作必要的輔助工裝。

(2)制造過程中嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和工藝要求使零件成形，裝焊過程中防止大法蘭焊后變形，提高盤管和導(dǎo)熱管焊接質(zhì)量以及控制好各個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)。

[1]全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).TSG 21—2016固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2016.

[2]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB 150.1～150.4—2011壓力容器[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2011.

[3]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T 151—2014熱交換器[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2014.