張峰斌

(洛陽隆惠石化工程有限公司 ,河南洛陽 471012)

1 前言

某煉油廠 140萬 t/a延遲焦化裝置焦炭塔按照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(98版)、鋼制塔式容器 (JB4710-2005)、鋼制壓力容器 (GB150-1998)、設(shè)計文件及 70BJ206-2005(中國石化集團洛陽石油化工工程公司標準)制造、檢驗和驗收。本文根據(jù)該焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點,提出并分析了該設(shè)備在制造過程中的關(guān)鍵及難點,介紹了該設(shè)備的組裝焊接工藝及其焊接質(zhì)量控制過程。

2 技術(shù)特性及結(jié)構(gòu)型式

2.1 設(shè)備技術(shù)特性 (見表1)

表1 焦炭塔技術(shù)參數(shù)

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點及材料

焦炭塔外形結(jié)構(gòu)見圖1。該焦炭塔泡沫層以下部分主體材料采用了具有高溫持久強度的低合金耐熱鋼15CrMoR鋼板,泡沫層以上部分主體材料選用復(fù)合板15CrMoR+0Cr13;筒體內(nèi)徑9000 mm,筒體長度2 4000 mm,根據(jù)筒體厚度和材料的不同,筒體共分六大段。筒體下部通過一球形過渡段與錐形封頭相連,上部直接與球封頭連接。筒體上除了有 9個中子料位計專用螺母和 3個熱電偶管嘴外,沒有設(shè)計任何其它構(gòu)件。整臺焦炭塔的接管都位于球封頭上。主體與裙座靠大角焊縫連接。主體材料見表2。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

表2 焦炭塔主體材料表

3 制造特點和難點

3.1 制造特點

焦炭塔直徑大、噸位重,無法整體制造;只能分段預(yù)制,現(xiàn)場安裝。根據(jù)焦炭塔的制造要求和結(jié)構(gòu)特點,將其預(yù)制成 10個分段,然后運至現(xiàn)場拼裝和組焊。10個分段分別為:3個下部小錐體,1個球形過渡段與裙座的組合段,6個筒節(jié)和 1個上部球封頭與所有封頭接管的組合段。

3.2 制造難點

①焦炭塔承受的主載荷為疲勞應(yīng)力,是一臺疲勞設(shè)備。為了減小因應(yīng)力集中引起的疲勞破壞,設(shè)備本體所有對接焊縫余高需打磨與母材齊平,所有不連續(xù)處需打磨成圓角過渡。

②焦炭塔選用耐熱 Cr-Mo鋼板和 Cr-Mo鍛件,焊接時容易產(chǎn)生冷裂紋、馬氏體和延遲裂紋,且限于塔結(jié)構(gòu)上的原因,焊接后的各分段需要擱置較長時間才能進行焊后熱處理,為此,需制定并嚴格執(zhí)行焊接預(yù)熱和后熱工藝規(guī)范。

③焦炭塔本體與裙座采用大角焊縫連接,焊接量 (約需 4.2 t焊條)特別大,不連續(xù)處圓滑過渡打磨質(zhì)量要求特別高,且本體與裙座連接處位置狹小,給焊縫焊接及打磨造成較大難度。

④復(fù)合板組焊要求的各項質(zhì)量控制指標較高,給制造帶來較大難度。

⑤法蘭堆焊時,法蘭變形方向和法蘭口收縮量較難控制,且法蘭與接管組焊要求的各項質(zhì)量控制指標較高,需制定并嚴格執(zhí)行法蘭堆焊工藝及法蘭堆焊后機加工工藝。

4 組焊安裝及質(zhì)量控制監(jiān)督要點

由于焦炭塔外形尺寸較大,部件的現(xiàn)場組裝、焊接至關(guān)重要。因此,在現(xiàn)場預(yù)制與安裝過程中,要嚴格執(zhí)行組裝、焊接、焊接預(yù)熱和后熱、無損檢測、熱處理和水壓試驗等工藝規(guī)范,要嚴格監(jiān)控現(xiàn)場組焊的質(zhì)量。

4.1 筒體組焊質(zhì)量控制

4.1.1 焊接規(guī)范

①母材鋼號:15C rMoR;手工電弧焊焊接使用焊條:R307B,手工電弧焊焊接規(guī)范見表3(以壁厚 36 mm為例)。

表3 15C rMoR板材手工電弧焊焊接規(guī)范

②母材鋼號:15C rMoR+0Cr13;手工電弧焊焊接使用焊條:基層 R307B,復(fù)層 ENiCrFe-3,手工電弧焊焊接規(guī)范見表4(以壁厚 22 mm+3 mm為例)。

表4 15C rMoR+0Cr13板材手工電弧焊焊接規(guī)范

4.1.2 焊接坡口

為了控制焊接接頭的焊接質(zhì)量和棱角度,15C rMoR合金板采用外側(cè)稍大,內(nèi)側(cè)稍小的 X型坡口,以 36 mm板厚為例,簡圖見下頁圖2;15C rMoR+0Cr13復(fù)合板也采用外側(cè)稍大,內(nèi)側(cè)稍小的 X型坡口,且坡口復(fù)層剝皮 10 mm,以 (22+3)板厚為例,坡口簡圖見圖3。

圖2 合金板縱、環(huán)縫坡口圖

圖3 復(fù)合板縱、環(huán)縫坡口圖

4.1.3 焊接順序

縱縫焊接順序:縱縫焊接時,根據(jù)筒節(jié)縱縫的數(shù)量安排同等數(shù)量的焊工,每名焊工負責(zé)焊接一條縱縫,每條縱縫內(nèi) (外)第一層自下而上相隔 400 mm左右進行分段跳躍退步立焊。第二層自上而下分兩段進行退步焊,其余各層自下而上連續(xù)施焊。

環(huán)縫的焊接順序:環(huán)縫焊接時,將每條環(huán)縫按每段 4 m左右進行等分,然后每段安排一名焊工沿圓周均布,同時同向進行分段退步橫焊,焊縫的層道數(shù)排列順序應(yīng)嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。

不論是縱縫還是環(huán)縫,原則上要求每條焊縫一次焊完,當(dāng)遇特殊情況必須中斷焊接時,必須保持預(yù)熱不?；蛄⒓催M行后熱,再次進行施焊前,仍按原工藝進行預(yù)熱。

4.1.4 監(jiān)督檢驗內(nèi)容

①嚴格檢查筒節(jié)板的下料及成形質(zhì)量,實時將下料尺寸、坡口尺寸、滾圓弧度和滾圓后筒節(jié)板的實際尺寸控制在允許的最小公差之內(nèi);②嚴格檢查筒體的組對質(zhì)量,實時將筒節(jié)的組對間隙、對口錯變量、直線度、橢圓度及外圓周長控制在允許的最小公差之內(nèi);③嚴格控制焊接質(zhì)量,檢查焊接工藝評定和焊工的焊接資格證并實時對焊接材料、焊接環(huán)境(主要指預(yù)熱和后熱溫度)、焊接工藝執(zhí)行情況和施焊過程中的無損檢測 (主要指焊前坡口,焊中清根后及堆焊前的磁粉檢查)等進行監(jiān)控。

4.2 封頭組焊質(zhì)量控制

4.2.1 封頭結(jié)構(gòu)與一般措施

焦炭塔球形封頭由1 4塊球形瓜瓣和一個Φ3 642 mm的球形頂圓拼接而成。預(yù)熱、消氫處理及焊接工藝與 15C rMoR+0Cr13復(fù)合鋼板筒節(jié)相同。錐形封頭由一個球形過渡段和一個錐段組成?，F(xiàn)場預(yù)制時,球形過渡段由 14塊球形瓜瓣拼接而成,錐段由三個分別有 6塊扇形瓜瓣拼接而成的小錐體組焊而成。預(yù)熱、消氫處理及焊接工藝與15C rMoR筒節(jié)的要求相同。

4.2.2 影響封頭成形質(zhì)量的關(guān)鍵點

焦炭塔封頭縱縫的組焊方法與筒體縱縫的組焊方法基本相同,其成形質(zhì)量高低的關(guān)鍵點在于組成封頭瓜瓣預(yù)制成形質(zhì)量的高低和環(huán)縫組焊質(zhì)量的控制。

封頭瓜瓣預(yù)制成形質(zhì)量是影響封頭整體成形質(zhì)量的主要因素。瓜瓣弧度是否預(yù)制到位是影響封頭組焊棱角度、錯變量及外觀的主要因素,瓜瓣尺寸是否預(yù)制到位是影響封頭組對間隙、外圓周長及錯變量的又一重要因素。因此在封頭瓣片預(yù)制成形時一定要實時嚴加控制瓣片的弧度成形和尺寸公差,使其控制在最小公差范圍之內(nèi);同時在封頭瓣片驗收時要進行預(yù)組裝,以觀察封頭瓣片成形的整體效果。

封頭環(huán)縫的組焊質(zhì)量是影響封頭成形質(zhì)量的又一重要因素。封頭的外圓周長和組對間隙的大小將直接影響到環(huán)縫的錯變量。因此在進行縱縫組焊時一定要將封頭的外圓周長公差控制在最小范圍之內(nèi),同時在進行環(huán)縫組焊時要按要求控制環(huán)縫的組對間隙。

4.2.3 監(jiān)督檢驗內(nèi)容

①嚴格檢查封頭瓣片的成形質(zhì)量,實時將封頭的尺寸公差、形狀公差和坡口尺寸控制在允許的最小公差之內(nèi);②嚴格檢查封頭的組對質(zhì)量,實時將封頭的組對間隙、對口錯變量、直線度、橢圓度及外圓周長控制在允許的最小公差之內(nèi);③嚴格控制焊接質(zhì)量,檢查焊接工藝評定和焊工的焊接資格證并實時對焊接材料、焊接環(huán)境 (主要指預(yù)熱和后熱溫度)、焊接工藝執(zhí)行情況和施焊過程中的無損檢測(主要指焊前坡口,焊中清根后及堆焊前的磁粉檢查)等進行監(jiān)控。

4.3 裙座與本體連接角焊縫的組焊質(zhì)量控制

4.3.1 焊縫特點

焦炭塔筒體與裙座之間的連接角焊縫 (結(jié)構(gòu)見圖4),不僅要承受自身和物料質(zhì)量,還要經(jīng)受溫差引起的疲勞載荷,是焦炭塔的薄弱部位。但是由于該焊縫堆焊量 (約需 4.2 t焊條)特別大,不連續(xù)處圓滑過渡打磨質(zhì)量要求特別高,且本體與裙座連接處位置狹小,施工人員無法容身,給焊縫焊接及打磨造成較大難度,也是焦炭塔制造的一個難點。

4.3.2 焊接順序

由于該角焊縫內(nèi)側(cè)位置狹小,焊工無法接近焊縫進行施焊,給焊縫內(nèi)側(cè)施焊造成了非常大的難度。為了降低工作難度,施焊時采取了如圖5所示的施焊順序 (焊接時先焊部位 1,再組對裙座,然后焊接部位 2,清除墊板,最后焊接部位 3完成角焊縫的堆焊)。采取此施焊順序,既保證了焊縫的焊接質(zhì)量,同時也在一定程度上減小了施工的難度。

圖4 本體與裙座連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 大角縫施焊順序示意圖

4.3.3 監(jiān)督檢查內(nèi)容

嚴格檢查焊縫的焊接質(zhì)量,檢查焊角高度并實時監(jiān)控焊縫施焊過程中的分層磁粉或滲透檢測。

4.4 法蘭堆焊質(zhì)量控制

4.4.1 焊接順序的探討

法蘭的堆焊有主要兩種焊接順序:①沿法蘭軸向分段對稱平焊周向成形;②沿法蘭周向分段平焊軸向成形。通過實踐證明,同規(guī)格法蘭采用第一種堆焊方法進行堆焊,成形后法蘭橢圓度較大,采用第二種堆焊方法進行堆焊,經(jīng)焊后尺寸檢查法蘭橢圓度幾乎為零,法蘭口整體收縮量 1mm左右。因此推薦使用第二種方法對法蘭進行堆焊。

4.4.2 法蘭堆焊過程中應(yīng)注意的問題

在焦炭塔法蘭堆焊過程中,法蘭受熱面積大且受熱變形方向和焊接收縮量較難控制,可能導(dǎo)致的質(zhì)量問題有:①法蘭口橢圓度大,導(dǎo)致法蘭機加工后堆焊層厚度和法蘭口壁厚不均勻;②法蘭口整體收縮,無法保證法蘭與接管的對口錯變量。

4.4.3 解決問題的辦法探討

實踐證明,雖然制定了合理的法蘭堆焊工藝和采用了較好的法蘭堆焊焊接順序,但是在實際操作中,仍會出現(xiàn)堆焊后法蘭口橢圓度和整體收縮較大的問題。

為了解決此類問題,建議:①法蘭堆焊毛坯來料內(nèi)徑尺寸為正偏差,偏差值根據(jù)法蘭內(nèi)徑的不同建議取:1～2 mm;②制作專用卡具,在法蘭堆焊時,對法蘭口進行加固,以減小法蘭口焊后的橢圓度;③法蘭接管采用鋼板卷制時,可以在預(yù)制接管前完成法蘭的堆焊工作,預(yù)制接管時,根據(jù)法蘭口的實際尺寸卷制接管;④對于接管和法蘭組對后仍可以堆焊且機加工方便的,可以先進行接管和法蘭的組焊,然后再進行法蘭堆焊和機加工。

4.5 無損檢測質(zhì)量控制

4.5.1 無損檢測項目

按表5的要求進行無損檢測,其評定指標按JB4730-2005。此外在焊后熱處理后還要對每條組焊焊縫進行硬度檢查,要求硬度值不得大于 HB225。同時還要對對接接頭進行現(xiàn)場光譜分析,鑒定焊縫的 Cr、Mo、Ni的含量 。

4.5.2 監(jiān)督檢查內(nèi)容

嚴格控制無損檢測的質(zhì)量,檢查無損檢測人員的資格證、無損檢測工藝和無損檢測報告并實時監(jiān)控?zé)o損檢測工藝的執(zhí)行情況,抽查射線底片質(zhì)量和評定情況。

4.6 熱處理質(zhì)量控制

4.6.1 技術(shù)措施

為了控制焦炭塔法蘭的密封性能,該焦炭塔的焊后熱處理分為兩部分:①球封頭上的所有接管和最下部的小錐體與所對應(yīng)的法蘭組焊完畢后,進行整體爐內(nèi)焊后熱處理,然后進行密封面加工和現(xiàn)場組裝,焊縫組焊完成經(jīng)無損檢測合格后,進行局部熱處理。②除球封頭上所有接管和最下部的小錐體采用塔器內(nèi)部燃油法進行現(xiàn)場整體焊后熱處理,具體方法:以焦炭塔內(nèi)部為爐膛,焦炭塔外部用保溫材料進行絕熱保溫,選用 0#輕柴油 (隨氣溫選用標號)為燃料,通過噴嘴將燃料油噴入并霧化點燃,通過風(fēng)機送風(fēng)助燃,隨著燃油不斷燃燒產(chǎn)生的高溫氣流在塔體內(nèi)壁對流傳導(dǎo)和火焰熱輻射作用,使塔體升溫到熱處理所需的溫度。

表5 無損檢測比例及要求

4.6.2 熱處理工藝

嚴格執(zhí)行壓力容器制造技術(shù)法規(guī)、標準及設(shè)計技術(shù)條件要求的有關(guān)規(guī)定,焊后熱處理工藝參數(shù)見表6。

表6 焊后熱處理工藝參數(shù)

4.6.3 監(jiān)督檢查內(nèi)容

檢查熱處理工藝、熱處理環(huán)境、保溫材料質(zhì)量、熱處理工藝執(zhí)行情況、熱處理報告和熱處理曲線等

5 建議

在焦炭塔筒體與裙座的連接處采用 Y形整體鍛件作為過渡段,將焦炭塔筒體與裙座之間連接的角焊縫改為對接環(huán)焊縫。這可以明顯地改善該處的應(yīng)力分布,提高該處的焊接質(zhì)量,同時也能大大降低焦炭塔的施工難度和工人的勞動強度。