探討H₂S濃縮塔制造過程中的技術要點

邵虎

摘 要：本文介紹了制氫項目中中H2S濃縮塔主要的制造、焊接、總裝等工序，并對設備在制造過程中遇到的難點及重點進行了闡述。

關鍵詞：立式容器;筒體;封頭;09MnNiDR;焊接

近年來，千萬噸煉油、百萬噸乙烯、大型煤化工裝置的建設發(fā)展，促進了我國大型塔器的發(fā)展。但由于在低溫容器方面發(fā)展不足，迫切需要進行低溫容器的研制與生產。本文以我公司首次制造的大直徑、薄壁的低溫塔設備H2S濃縮塔為例，詳細的介紹了設備在制造過程中存在的難點及重點。

1 設備簡介

該塔規(guī)格為￠3800X64700，塔重量為165噸，塔體壁厚分別由t=12mm、14mm、16mm、18mm的09MnNiDR、SA203Gr.D低溫板材構成，塔內共有63層t=10mm塔盤支撐圈以及其他各種分布器、集油箱、升氣管等塔內件，塔體的直線度為任意3000mm長圓筒段偏差不得大于3mm，總直線度偏差不大于40mm，塔體安裝垂直度公差為30mm，筒體薄而長，焊接變形量大。設備選用SA203Gr.D和09MnNiDR鋼是以Mn、Ni為主要合金元素的低溫鋼，其組織是鐵素體+少量珠光體。

2 材料選擇

設備在低溫工況下工作，材質的塑性和韌性下降，當存在應力集中時，在低于材料屈服強度，裂紋擴張，從而導致脆性斷裂，因此低溫設備的材料應盡量選擇塑性和韌性好的材料且必須是鎮(zhèn)靜鋼。根據(jù)塔底部的-50℃設計溫度可選擇09MnNiDR鋼板，對于塔頂雖然09MnNiDR能滿足設計的要求，但已處于09MnNiDR的使用極限，考慮到介質易爆的特性和設備在整個裝置的重要性和安全性的因素，因而選擇塑性和韌性更好的材料3.5Ni鋼。另外對于這兩種材料還需提出嚴格的技術要求：3.5Ni鋼除符合ASME Ⅱ卷A、D篇的規(guī)定，按規(guī)范進行沖擊試驗外，其化學成份（熔煉分析和成品分析）應符合： P≤0.020%? S≤0.003%碳當量CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15≤0.45，鋼板，鋼管應逐張（根）進行超聲波檢查，≥Ⅲ級的鍛件應逐件按NB/T47009-2010中相應規(guī)定進行超聲波檢測.

3 制造控制

3.1工裝準備

由于濃縮塔直徑大、筒壁薄，筒節(jié)的剛度較弱，為使筒體在組對過程中剛性加強，確保塔體的橢圓度和錯邊量，便于筒節(jié)與筒節(jié)的組對，我們事先制作了部分筒節(jié)內支撐圈工裝，外圓加工至￠3800，并將塔體上的外部加強支撐圈內徑加工至筒節(jié)外徑加3mm，作為外部加強支撐。（見圖1）。

3.2筒節(jié)板下料

首先確認筒節(jié)材料質保書，對板材進行找方，劃出尺寸線，同時在距環(huán)焊縫100mm處內、外劃出基準線，作好標記作為以后組對各接管、各塔盤零部件的基準，作好材料標記移置（試板下料同時進行），經(jīng)檢驗檢收合格，貼上合格標簽后在尺寸線外進行切割下料，然后刨邊機刨邊、刨環(huán)縫里坡口。對每塊板料下料后的對角線誤差不得大于2mm，由于濃縮塔塔身長，環(huán)焊縫多，塔盤支撐圈焊縫多，考慮到焊縫收縮的因素，為確保塔體的總長度，每節(jié)筒節(jié)下料劃線時均預留2mm的收縮量。

筒體的二次下料工作在壓頭后（或預彎后）進行，選擇合適的壓頭下模具，將壓頭模具正確放置于壓力機位置處，把筒節(jié)料放在壓頭下模具上，這時應注意以下二點：使筒節(jié)的素線與模具中線平行，筒節(jié)的對接縱縫接口處放置在模具內，若放置模具外，則造成直邊現(xiàn)象。壓頭預彎成形后，二次切割下料。并在刨邊機上將焊接里坡口做出。

3.3筒節(jié)成型

筒節(jié)二次下料結束后，在卷板機上進行卷圓成型工作。將筒節(jié)料放置于卷板機中，板料的中線與卷板機的軋滾垂直，筒節(jié)的母線與軋滾平行。筒節(jié)滾卷合口時，控制錯邊量，在進行點固焊時，用與筒節(jié)同材質的材料和同材質的焊材進行固定焊。為防止縱縫焊接時產生棱角度現(xiàn)象，用圓弧板采取防變形措施。

筒節(jié)校園后先用內支撐圈將筒節(jié)撐圓，然后將外部加強支撐圈按排版時預定的位置套入，以此來控制單個筒節(jié)同一斷面上最大內徑與最小內徑之差不大于3㎜，以保證筒節(jié)與筒節(jié)組對時對口錯邊量不大于1.5mm，拆除內支撐圈留作其他無外部加強圈的筒節(jié)用。

3.4焊接控制

圖紙技術要求09MnNiDR鋼板應符合GB3531-2008標準。其中P≤0.020%、S≤0.003%，低溫夏比沖擊試驗（-70℃，V形缺口）三個試樣平均值≥34J，其中允許一個試樣的沖擊功值<34J，但應≥24J。SA203Gr.D應符合ASME Ⅱ卷A篇SA-203《壓力容器用鎳合金鋼板》標準的要求，并應在-70℃做低溫沖擊試驗三個試樣平均值≥34J，其中允許一個試樣的沖擊功值<34J，但應≥24J。

按圖紙對SA203Gr.D和09MnNiDR兩種材料的技術要求，焊接接頭也要滿足上述要求。SA203Gr.D和09MnNiDR含碳量較低，淬硬傾向和冷裂傾向小，焊接性良好。在常溫下焊接一般可不需要預熱。在焊件較厚或拘束度較大時，可適當預熱，因圖紙技術要求要滿足-70℃沖擊，按GB150.4-2011第8.2.2.1表5規(guī)定，SA203Gr.D和09MnNiDR焊后進行消應力熱處理（580℃±20℃）。這兩種材料焊接的難點就是要保證在使用溫度下具有良好的沖擊韌性，所以焊接時要避免焊縫金屬及熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性，因此低溫鋼焊接時采用小的焊接線能量。線能量對焊接接頭韌性影響極大，有人曾經(jīng)做過這方面的試驗，采用不同的熱輸入進行比較。小的熱輸入試樣組織是板條貝氏體和下貝氏體;而大的熱輸入是粒狀貝氏體和上貝氏體。隨著熱輸入的增加，組織粗化并出現(xiàn)脆化組織，這就是導致接頭韌性降低的根本原因。SA203Gr.D和09MnNiDR鋼的焊接難點是熱影響區(qū)和焊縫這兩個部位的沖擊韌性差，選擇焊材和焊接工藝參數(shù)很重要，一旦選擇不合理，焊接接頭很容易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，且焊接接頭（焊縫、熱影響區(qū)）的低溫沖擊吸收功很難達到要求。

經(jīng)過焊接工藝評定試驗，SA203Gr.D材料焊條焊選擇了W107DR，埋弧自動焊選擇了H09MnNi3D焊絲和SJ609焊劑，09MnNiDR材料焊條焊選擇了W107DR，埋弧自動焊選擇了H06Mn35DR焊絲和SJ208DR焊劑，焊接規(guī)范見下表1

考慮SA203Gr.D和09MnNiDR低溫鋼焊接特點，采取如下措施：

（1）焊前清理坡口及邊緣50mm的油污、鐵銹等贓物。并且厚度大于16mm要采取適當預熱熱措施，這樣有利于提高焊縫的沖擊性能;但不能過高，否則會使熱影響區(qū)的晶粒長大，并在晶界析出氧化物。

（2）焊接工藝規(guī)范應嚴謹制定，為保證低溫韌性，嚴格控制焊接線能量、層間溫度，盡量選用細直徑的焊條或焊絲（Φ3.2-Φ4mm）。

（3）為了避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性焊接時盡量采用快速多道焊以減少過熱，并可通過多層焊的重熱作用細化晶粒。

（4）低溫鋼對缺陷和應力集中敏感性大，故應避免產生缺陷（如弧坑、咬邊、未焊透及焊縫成形不良等）。

（5）焊后要進行580℃±20℃/1.5h的焊后熱處理按照上述焊材、規(guī)范和工藝措施，主殼體縱、環(huán)縫100%RT Ⅱ級+100%UTⅠ級+100%MTⅠ級探傷，滿足JB/T4730-2005標準要求，產品試板進行力學性能試驗，尤其是-70℃沖擊試驗，其結果均滿足圖紙技術要求。

3.5塔體的組對

按圖依次組對各筒節(jié)、封頭，以0°、90°、180°、270°方位線為基準，確保四個方位間兩筒節(jié)基準線間的距離保持一致方能焊接。在組對過程中在0°和90°方位用經(jīng)緯儀測量塔身直線度，檢驗合格后焊縫預熱焊接、手工焊里口打底，自動焊蓋面，外口碳弧氣刨清根，自動焊蓋面，100%RT探傷合格，考慮到熱處理爐的限制，塔身組合成上、下兩大段，上段L=29617mm、下段L=29139mm（不含裙座）（見圖2）。

上、下兩大段直線度、橢圓度、探傷經(jīng)檢驗合格后以原始基準線為基準、用經(jīng)計量合格的同一盤卷尺沿筒體外壁基準線劃出各管孔、外部梯子平臺預焊件位置線，沿筒體內壁基準線劃出塔盤支撐圈的位置線，以此來確?；鶞实慕y(tǒng)一性，并經(jīng)檢驗是否合格，檢驗合格后開孔組對、組焊各接管、外部預焊件。

3.6總合攏

先將裙座與下段塔體封頭上的裙座過渡段組對，組對時用同一把卷尺以基準線為基準，測量0°、90°、180°、270°方位上基準線到裙座底板的距離，保證四個方位上距離一致并點焊、分段焊加以固定后再焊接裙座合攏縫，焊接時不斷的測量四個方位上基準線到裙座底板的距離，以此來調整焊接順序確保裙座底板與塔體的垂直度。上段壓力試驗合格后與下段總合攏，由于塔體直徑大，壁薄，重165噸，在滾輪上的接觸為線接觸，為防止組對時塔體在與滾輪接觸時的自重造成筒體失穩(wěn)壓癟，我們預先在塔體上與滾輪接觸的位置處包了三圈t=30mm、寬=500mm的保護板，以保護塔體筒壁組合后在滾輪架上轉動時不失穩(wěn)，組對時在0°、90°方位用經(jīng)緯儀測量直線度，檢驗合格后預熱、焊接、100%RT探傷，焊接時不斷的用經(jīng)緯儀測量整體的直線度，以此來調整焊接順序確保塔體的直線度，最終合攏縫局部消除應力熱處理。

4 結束語

此臺H2S濃縮塔是9萬噸/年制氫及配套空分項目中的關鍵設備，設備的成功制造、如期交付對制氫項目的建成投產有著重要作用。同時該設備也是我廠制造的首臺大型低溫塔器，通過此次攻關研制使我廠積累了相關設備的制造經(jīng)驗，對我廠今后進軍大型低溫鋼設備市場、創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益具有深遠的意義。

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