三聚氰胺最終反應(yīng)器關(guān)鍵制造工藝研究

鄧自亮，吳林濤，席建立

(西安核設(shè)備有限公司，西安 710021 )

0 引言

三聚氰胺是一種用途廣泛的基本有機(jī)化工中間產(chǎn)品，其與甲醛縮合能制成氨基樹脂，廣泛應(yīng)用于涂料、紡織、電器制造、造紙、塑料制品、國防交通等工業(yè)部門，是重要的有機(jī)化工原料。三聚氰胺的生產(chǎn)方法按原料分為雙氰胺法和尿素法。雙氰胺法因能耗大、原料來源困難，已逐漸被淘汰。目前三聚氰胺的合成較多采用尿素法,國內(nèi)生產(chǎn)工藝具有代表性的主要有意大利歐技高壓法、荷蘭DSM公司低壓法和北京清大華業(yè)常壓法三種[1-5]。

為某化工公司三聚氰胺高壓法生產(chǎn)裝置制造的三聚氰胺最終反應(yīng)器(以下簡稱最終反應(yīng)器)，由于外部設(shè)置有夾套結(jié)構(gòu)，主體材質(zhì)為鉻鉬鋼，管口結(jié)構(gòu)特殊且內(nèi)壁堆焊有N10276襯里，制造難度較大。通過制定切實(shí)可行的制造工藝和措施，解決了多個制造工藝難點(diǎn)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造技術(shù)難點(diǎn)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該最終反應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1，外形結(jié)構(gòu)見圖1。最終反應(yīng)器為Ⅲ類高溫、高壓設(shè)備，夾套式結(jié)構(gòu)(類似于ASME規(guī)范第Ⅷ卷第1冊中5型夾套類型[6])。主要由內(nèi)筒體、內(nèi)封頭、夾套筒體、夾套封頭、設(shè)備大法蘭、膨脹節(jié)、夾套內(nèi)導(dǎo)流板、接管、封閉環(huán)、支座、吊耳及塔盤等零部件組成。內(nèi)筒體材料為14Cr1MoⅣ，夾套材料為14Cr1MoR,內(nèi)殼體內(nèi)壁堆焊(過渡層Incoloy 625+鎳基合金N10276),堆焊層厚度12 mm。設(shè)備由上、下兩部分組成，其通過螺栓連接為一體，具體見圖1。

表1 設(shè)備部分技術(shù)參數(shù)

圖1 最終反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

1.2 制造技術(shù)難點(diǎn)

該最終反應(yīng)器內(nèi)殼體外部絕大部分區(qū)域附帶有夾套，夾套封閉管將內(nèi)殼體上接管與夾套分隔開，鉻鉬鋼鍛件接管內(nèi)襯N10276材質(zhì)管子，設(shè)備總體結(jié)構(gòu)特殊，且屬于較為復(fù)雜的夾套容器。內(nèi)殼體和夾套材質(zhì)均為鉻鉬鋼，屬于延遲裂紋鋼種，在焊接后、熱處理前后、水壓試驗(yàn)前后等各個制造階段均有可能出現(xiàn)裂紋之類的缺陷[7]，對焊接、熱處理及無損檢測要求相當(dāng)嚴(yán)格。按照GB/T 150—2011《壓力容器》[8]制造篇規(guī)定，對于帶夾套容器，制造完成后應(yīng)先進(jìn)行內(nèi)筒體耐壓試驗(yàn)，合格后再焊接夾套，然后再進(jìn)行夾套內(nèi)的耐壓試驗(yàn)。

另外，鑒于該最終反應(yīng)器內(nèi)部介質(zhì)特性，設(shè)計(jì)文件要求N10276耐蝕層按GB/T 15260—2016《金屬和合金的腐蝕鎳合金晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中A法進(jìn)行晶間腐蝕,腐蝕速率不高于12 mm/a。根據(jù)前期焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果對比表明，N10276耐蝕層經(jīng)過熱處理后耐腐蝕性能將急劇下降，無法滿足設(shè)計(jì)要求，而未進(jìn)行熱處理的N10276耐蝕層的耐腐蝕性能可滿足設(shè)計(jì)文件要求，見表2。

表2 N10276耐蝕層腐蝕速率對比

綜合上述因素，制造時需在內(nèi)封頭堆焊防變形、N10276襯管裝配、夾套加工和裝配、N10276堆焊層耐蝕性控制、導(dǎo)流板加工及設(shè)備總體裝配等關(guān)鍵制造技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)置，否則將為設(shè)備質(zhì)量留下隱患。以上關(guān)鍵制造工藝技術(shù)和方案的合理性、可行性,對最終反應(yīng)器順利完成制造至關(guān)重要。

2 技術(shù)方案及實(shí)施情況

2.1 內(nèi)封頭堆焊變形控制

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，14Cr1Mo鍛管與內(nèi)封頭焊接后不影響夾套封頭后續(xù)裝配，因此堆焊前將接管先進(jìn)行焊接，這樣可減少接管端部區(qū)域處的手工堆焊工作量，且有利于焊縫的UT和MT檢測。另外，由于堆焊層厚度達(dá)12 mm，堆焊引起的變形量(收縮量)將較大，堆焊前在內(nèi)封頭端部焊接了寬度200 mm、厚度30 mm的碳鋼環(huán)形支持圈控制焊接變形量，如圖2所示。內(nèi)封頭堆焊結(jié)束后對內(nèi)徑進(jìn)行實(shí)際測量，比堆焊前縮小了約2 mm，變形量控制較好，未對后續(xù)的部件合攏焊接造成影響，證明防堆焊變形措施合理、有效。

圖2 內(nèi)封頭堆焊實(shí)物圖

2.2 N10276襯管裝配和密封面精加工

最終反應(yīng)器的接管型式為整體鍛件管法蘭+襯管結(jié)構(gòu)，密封面形式為透鏡墊密封，如圖3所示。該反應(yīng)器為高溫高壓設(shè)備，為保證N10276襯管與14Cr1Mo鍛管在較高工作溫度下結(jié)合牢靠，設(shè)計(jì)文件要求襯管過盈配合聯(lián)接，過盈量為0.03～0.07 mm，各襯管的外徑尺寸在35～125 mm范圍內(nèi)。過盈配合在機(jī)械零件聯(lián)接中應(yīng)用很廣，如軸承、聯(lián)軸器等與軸的聯(lián)接常用這種配合方式，過盈配合零件裝配方法，一般有壓裝、熱裝、冷裝3種。

圖3 管法蘭+襯管結(jié)構(gòu)示意

2.2.1 裝配方式選擇

壓裝一般需要采用壓力機(jī)設(shè)備進(jìn)行裝配，反應(yīng)器的襯管管口分布在設(shè)備的各個位置，設(shè)備的軸線及圓周方向均有襯管管口，很難有匹配的壓力機(jī)完成操作，且壓裝時有損壞襯管的風(fēng)險(xiǎn)存在，不宜采用。熱裝是對包容件(14Cr1Mo鍛管)進(jìn)行均勻加熱，使其內(nèi)徑膨脹，與被包容件(N10276襯管)產(chǎn)生一定間隙后進(jìn)行裝配。考慮到內(nèi)殼體內(nèi)壁堆焊的N10276耐蝕層不能進(jìn)行熱處理，加熱可能影響N10276耐蝕層性能，因此N10276襯管需要在14Cr1Mo基層鍛管與內(nèi)殼體焊接及消應(yīng)力熱處理完成后進(jìn)行裝配，熱裝也不宜采用。冷裝采用液氨、液氮等冷卻劑將被包容件冷卻到一定溫度，使其外徑微量縮小，并與包容件之間產(chǎn)生一定的間隙后，再裝配到指定位置上。冷裝操作過程簡單，也不需要機(jī)械設(shè)備輔助，因此決定采用冷裝進(jìn)行試裝配，根據(jù)被冷卻件所需冷卻溫度公式計(jì)算：

式中t——被冷卻件的冷卻溫度，℃;

i——平均過盈值，mm;

α——被冷卻件材料的線膨脹系數(shù)，1/℃;

d——被冷卻件的公稱直徑，mm;

t0——環(huán)境溫度,℃。

取各管口最小襯管直徑計(jì)算，所需冷卻溫度為-155 ℃，冷卻溫度按1.2t～1.5t,為186～232 ℃，按照常用冷卻劑參數(shù)表(見表3)可選用液氮作為冷卻劑[9-10]。

表3 常用冷卻劑參數(shù)表

2.2.2 裝配和密封面加工

在用于設(shè)備襯管冷裝配前，為了驗(yàn)證冷裝理論參數(shù)的合理性和可操作性，預(yù)先采購了一組與設(shè)備其中一個管口同規(guī)格的14Cr1Mo基層鍛管和N10276襯管，制造和加工完成后進(jìn)行冷裝配工藝試驗(yàn)，確定冷裝參數(shù)。冷裝試驗(yàn)結(jié)果表明，液氮冷裝很好地實(shí)現(xiàn)了襯管過盈裝配，經(jīng)過檢漏試驗(yàn)合格，證明冷裝工藝符合該反應(yīng)器襯管裝配要求。

正式裝配前對基層鍛管內(nèi)表面及襯管外表面進(jìn)行清洗干凈、清除毛刺，而后將N10276襯管放入盛有液氮的容器中，容器用毛氈蓋嚴(yán)，防止液氮泄漏，影響冷卻效果。冷卻15 min后迅速用鐵鉤取出并立即測量外徑尺寸，確保實(shí)際過盈量在0.03～0.07 mm之間后，操作人員戴上專用的防凍皮質(zhì)雙層手套，從設(shè)備外側(cè)進(jìn)行人工裝配，如圖4所示。裝配過程中不允許對襯管進(jìn)行敲擊，防止襯管破裂，共計(jì)12個管口均順利完成冷裝裝配，既省時又省力，大大降低操作者勞動強(qiáng)度。

圖4 N10276襯管冷裝操作實(shí)物圖

N10276襯管裝配完成后，焊接襯管與14Cr1Mo鍛管，并按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行100%PT檢測。由于密封面形式為透鏡墊密封，加工精度要求高，因此將設(shè)備整體裝卡至鏜床進(jìn)行襯管密封面機(jī)加工；為了進(jìn)一步保證管口各聯(lián)接螺紋孔心的軸線與密封面軸線一致，基層鍛管螺紋孔與密封面同步進(jìn)行一次裝卡加工，確保管口密封效果。加工完成實(shí)物圖見圖5。

圖5 N10276襯管密封面加工完成實(shí)物圖

2.3 夾套內(nèi)導(dǎo)流板加工和裝配間隙控制

設(shè)備夾套內(nèi)設(shè)置有內(nèi)導(dǎo)流板，材料為14Cr1MoR，厚度8 mm，寬度48 mm，螺旋纏繞于內(nèi)筒體及內(nèi)封頭外壁，斷續(xù)焊接，內(nèi)導(dǎo)流板間距200 mm、且與夾套內(nèi)壁間隙控制在2 mm內(nèi)?？紤]到內(nèi)導(dǎo)流板厚度較薄，原成型方案采用水刀下條形料而后分段煨型方式進(jìn)行，但是根據(jù)實(shí)際成型情況反饋，條形料成型難度大且扭曲變形較為嚴(yán)重，無法達(dá)到尺寸要求。為了保證內(nèi)導(dǎo)流板成型質(zhì)量，成型方案調(diào)整為數(shù)控火焰切割機(jī)下弧形料、而后車加工而成。根據(jù)放樣，整圈螺旋內(nèi)導(dǎo)流板的近似1/5區(qū)間段的內(nèi)外圓尺寸變化梯度較小，取平均值進(jìn)行機(jī)加工，部分尺寸不合適處配修，總體成型尺寸較為精確。焊接內(nèi)導(dǎo)流板與內(nèi)筒體時，適當(dāng)調(diào)整使內(nèi)導(dǎo)流板外弧距內(nèi)筒體表面始終在48～49 mm之間，如圖6所示。分段定位焊接完成后，整體布置外觀較好。

(a)

(b)

考慮到夾套裝配間隙較小，夾套筒體也存在一定橢圓度，夾套與內(nèi)筒體采用立式裝配可降低裝配難度。裝配前夾套筒體先不進(jìn)行開孔，以便于組裝時局部微調(diào)方向；裝配時，用吊車吊起夾套筒體從上部緩慢套入內(nèi)筒體，套入過程中最大限度保證夾套筒體與內(nèi)筒體軸線一致、且相對水平面垂直，整體過程順利且耗時較短。經(jīng)多點(diǎn)測量，內(nèi)導(dǎo)流板與夾套筒體間隙基本在1～2 mm之間，符合預(yù)期效果。裝配過程及完成情況見圖7。

(a)

(b)

2.4 夾套的裝配

由于最終反應(yīng)器內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)完成后才能進(jìn)行夾套水壓試驗(yàn)，14Cr1Mo鍛管需只能在夾套筒體裝配到位后才能進(jìn)行組裝和焊接，根據(jù)其管口結(jié)構(gòu)特殊性，如果內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)前全部夾套不進(jìn)行焊接，水壓試驗(yàn)后再進(jìn)行夾套的裝配、焊接、無損檢測及熱處理操作等工作將很難實(shí)現(xiàn)，襯管管口結(jié)構(gòu)如圖8所示。為保證設(shè)備制造的可行性，需在不影響內(nèi)筒體水壓試驗(yàn)的前提下，將管口周圍的夾套提前裝配和焊接。GB/T 150—2011規(guī)定，液壓試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)是在試驗(yàn)過程中無泄漏、無可見的變形和異常聲響。焊縫是壓力容器結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)時所有承壓焊縫必須均可進(jìn)行目視觀測且有足夠的檢測空間，以便于無損檢測實(shí)施，因此，合理地設(shè)置夾套裝配方法、內(nèi)筒體焊縫數(shù)量以及位置顯得尤為重要。

圖8 設(shè)備管口結(jié)構(gòu)示意

內(nèi)筒體為鍛焊結(jié)構(gòu)，上、下內(nèi)封頭采用整板壓制成型，因此內(nèi)殼體無縱焊縫，只有環(huán)焊縫。其中內(nèi)筒體長度為8 237 mm，由于鍛造及機(jī)加工能力限制，無法整體鍛造，為了盡量減少內(nèi)筒體環(huán)焊縫數(shù)量，將其分為3節(jié)進(jìn)行鍛造，分別為內(nèi)筒體Ⅰ、內(nèi)筒體Ⅱ和內(nèi)筒體Ⅲ(見圖9)。內(nèi)筒體焊縫數(shù)量和位置確定后，最終反應(yīng)器的內(nèi)殼體總共將有6條環(huán)焊縫，其中2條焊縫是內(nèi)筒體與上、下設(shè)備法蘭的連接焊縫且外部無夾套結(jié)構(gòu)覆蓋，不影響水壓試驗(yàn)觀測。因此，對另外4條環(huán)焊縫的外部夾套在內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)前預(yù)先不進(jìn)行裝配和焊接，綜合管口位置、焊縫位置、目視檢查便捷性、無損檢測及熱處理可操作性等因素，將2個夾套筒體及上、下夾套封頭的下部采用機(jī)加工均分為兩半，如圖9，10所示。

圖9 下內(nèi)筒體及夾套筒體分段焊接情況示意

圖10 上、下夾套封頭分片示意

圖11為最終反應(yīng)器內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)前上夾套封頭的制造實(shí)物圖，未裝配的夾套封頭位置見指示箭頭處。

圖11 最終反應(yīng)器內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)前的制造實(shí)物圖

從圖11中可以看出，未裝配和焊接的夾套占夾套結(jié)構(gòu)總面積相對較小，有效地減小了內(nèi)殼體水壓試驗(yàn)后夾套裝配、焊接、無損檢測及熱處理工作量。另外，需要注意的是，均分為兩半的夾套筒體應(yīng)先進(jìn)行成型、后分割，筒體橢圓度控制在2 mm內(nèi)。為了防止分割后筒體形變影響后續(xù)裝配精度尺寸，分割前在筒體內(nèi)焊接防變形工裝，控制分割后變形量。水壓試驗(yàn)后實(shí)際裝配分半夾套時，對口錯邊量等尺寸精度控制效果較好，未出現(xiàn)尺寸超差情況。

2.5 最終反應(yīng)器分段制造及裝配

帶極電渣堆焊因其具有生產(chǎn)效率高、母材稀釋率低、合金元素?zé)龘p少、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),在壓力容器的堆焊中得到廣泛應(yīng)用[11-12],該反應(yīng)器的N10276堆焊亦采用此堆焊方法,也有利于縮短制造周期，更好地保證堆焊質(zhì)量。N10276具有較好的抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性，前文已經(jīng)提及反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊的N10276耐蝕層經(jīng)過熱處理后耐腐蝕性能會急劇下降，因此N10276耐蝕層堆焊需在設(shè)備焊后熱處理后進(jìn)行。另外，內(nèi)封頭堆焊時需由堆焊變位器固定進(jìn)行堆焊操作，且堆焊前不能與內(nèi)筒體焊接，否則會影響堆焊機(jī)頭的行程。因此，基于上述兩個限制因素，將反應(yīng)器分為上封頭部件、上法蘭部件、下筒體部件和下封頭部件4大部分進(jìn)行獨(dú)立制造，從而滿足內(nèi)封頭堆焊的操作性，而后再進(jìn)行最終合攏，具體的分段位置如圖12所示。

圖12 最終反應(yīng)器分段示意

圖12各部件堆焊時，對合攏焊縫兩側(cè)均留有寬度為180 mm的區(qū)域暫時不進(jìn)行堆焊，以便合攏焊縫后續(xù)消氫及PWHT時有足夠的區(qū)域敷設(shè)電加熱履帶，保證焊縫有效加熱寬度[13]，同時避免熱處理時影響焊縫周邊的N10276堆焊層耐蝕性能。各部件制造完成后，分別組焊上封頭部件和下筒體部件為一體，下封頭部件和下筒體部件為一體。組焊及消氫完成后，對合攏焊縫進(jìn)行了100%RT,100%UT和100%MT檢測，最大程度地保證合攏焊縫質(zhì)量，隨后局部PWHT，再補(bǔ)堆合攏焊縫周邊的N10276堆焊層。圖13為最終反應(yīng)器完成涂漆實(shí)物圖。

圖13 最終反應(yīng)器完成涂漆實(shí)物圖

3 結(jié)語

通過對三聚氰胺最終反應(yīng)器的制造，表明采取的關(guān)鍵制造工藝措施和方案對產(chǎn)品質(zhì)量和制造的順利進(jìn)行起到了重要作用，制造過程中解決了內(nèi)封頭堆焊變形、N10276襯管冷裝及密封面加工、內(nèi)導(dǎo)流板尺寸精度控制、夾套裝配及N10276堆焊層耐蝕性控制等難題，對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)備制造具有一定的借鑒和參考。目前該三聚氰胺最終反應(yīng)器已投入運(yùn)行，狀況良好。