馬洪錦

（天津津?yàn)I石化設(shè)備有限公司制造分公司設(shè)計(jì)室)

焦炭塔制造工藝

馬洪錦*

（天津津?yàn)I石化設(shè)備有限公司制造分公司設(shè)計(jì)室)

壓力容器復(fù)合板設(shè)備焦炭塔的制造過程比較繁瑣，工藝要求嚴(yán)格，如封頭和筒體的制造、復(fù)合板的焊接、整體熱處理的變形控制。對焦炭塔的制造難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并介紹了焦炭塔的制造工藝過程。

封頭筒體焊接熱處理制造工藝變形焦炭塔

焦炭塔是焦化工藝中的核心設(shè)備，也是煉油廠所有壓力容器中使用環(huán)境最惡劣的設(shè)備之一。在焦化工藝中，焦炭塔在完成周期性的操作時(shí)，需要進(jìn)行反復(fù)冷卻和反復(fù)加熱，因此載荷就會(huì)反復(fù)變化，同時(shí)還存在著高壓水沖擊等操作條件苛刻的情況，這就導(dǎo)致了焦炭塔在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)塔體腐蝕變形和鼓包，甚至焊縫開裂和塔體傾斜等情況。我公司2008年承接的某項(xiàng)目中的焦炭塔采用復(fù)合板和15CrMoR板制造，其筒體直徑為6100 mm，設(shè)備制造檢驗(yàn)要求高。下面詳細(xì)地介紹一下該焦炭塔制造的重點(diǎn)內(nèi)容。焦炭塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 設(shè)備簡介及主要技術(shù)要求

該設(shè)備為Ⅱ類壓力容器，其設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)均按GB 150—1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行，并符合壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》。該設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力為

圖1 焦炭塔結(jié)構(gòu)

各部件的設(shè)計(jì)溫度分別為上部）、475℃（中、下部）和495℃（底部），公稱直徑為6100 mm，容積為763 m3，介質(zhì)為渣油、油氣、水蒸氣、焦炭。設(shè)備上、中部主體材料為5CrMoR+410S，下部主體材料為15CrMoR。

主要技術(shù)要求:

（1）設(shè)備A、B類焊縫進(jìn)行100%射線、超聲及磁粉檢測,缺陷等級分別按JB 4730—2005中的I、I、I級合格。

（2）設(shè)備要求焊后作整體消除應(yīng)力熱處理。（3）設(shè)備以0.6 MPa壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

2 制造工藝重點(diǎn)和重點(diǎn)工藝的實(shí)施

該設(shè)備的制造難點(diǎn)在于封頭和筒體的制造及設(shè)備的整體熱處理。因此，妥善解決制造難點(diǎn)就成了本設(shè)備制造的重點(diǎn)。

2.1封頭的制造

設(shè)計(jì)圖中的封頭標(biāo)注厚度為18+3 mm，考慮到制造時(shí)有一定的沖壓減薄量，我們特采用20+3 mm的板料。由于封頭的內(nèi)徑較大,封頭廠沒有此規(guī)格的胎具,因此封頭采用先分瓣成形再組焊的方法進(jìn)行制造。因板幅所限（板寬2500 mm），我們在封頭頂部截取一?2400 mm的圓形，剩余部分再均分成9瓣，每瓣單片尺寸見圖2。

圖2 封頭下料

按圖2中尺寸下料后，瓣片和頂圓分別用特制的胎具壓制成形，再按圖組對焊接。組對后，應(yīng)在封頭開口處加十字支撐，以防止在焊接過程中出現(xiàn)變形?；鶎雍附油戤厡附咏宇^進(jìn)行及MT檢測，缺陷等級分別按JB 4730—2005中的II、I、I級合格。然后堆焊過渡層及復(fù)層，對過渡層及復(fù)層表面進(jìn)行100%PT檢測，缺陷等級按JB/T 4730.2—2005中的I級合格。打磨焊縫余高至與母材平齊，對封頭進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

2.2 筒體的制造

2.2.1 筒體簡介

筒體分為四段,上面兩段主體材料為15CrMoR+410 S，厚度分別為16+3 mm、18+3 mm,長度分別為5000 mm;下面兩段主體材料為15CrMoR，厚度分別為24 mm、26 mm,長度分別為6150 mm、6000 mm。筒體內(nèi)徑為6100 mm，筒體的展開長度約為19 230 mm。

2.2.2 下料

封頭沖壓加工成形后，測量其內(nèi)圓周長，根據(jù)實(shí)測值計(jì)算筒體的實(shí)際下料尺寸。筒體環(huán)縫對口錯(cuò)邊量與相鄰?fù)补?jié)內(nèi)圓周長之差密切相關(guān)。相鄰?fù)补?jié)接口處內(nèi)圓周長之差（最大值）Lmax=L2-L1。

實(shí)際上在制造過程中筒節(jié)不可能制成絕對的圓形，因此，必須控制好筒節(jié)下料尺寸，一般周長之差應(yīng)控制在5 mm之內(nèi)。

對于均質(zhì)板，筒節(jié)理論展開長度應(yīng)按中徑來計(jì)算，即

式中D——筒節(jié)內(nèi)徑；

δ——筒節(jié)厚度。

對于復(fù)合鋼板，應(yīng)按實(shí)際中性面計(jì)算展開長度。由于復(fù)合鋼板是由基層與復(fù)層兩種材料采用爆炸工藝復(fù)合而成的，兩種材料的力學(xué)性能和物理性能均不同，結(jié)合部位存在著中間層，它的性質(zhì)與基層、復(fù)層都不一樣，因此筒節(jié)展開長度的計(jì)算與均質(zhì)板也不同。

2.2.3 筒節(jié)之間的下料誤差

筒節(jié)的下料尺寸誤差，長度方向控制在±1 mm,寬度方向控制在±0.5 mm,對角線控制在2 mm之內(nèi)。

2.2.4 提高組對精度

筒體縱縫組對過程中控制縱縫對口錯(cuò)邊量在0.5 mm之內(nèi)，控制縱縫對口間隙為0.5～1.5 mm，從而能有效地控制好筒節(jié)的上下口外圓周長偏差不超過±1.5 mm。制造過程中，組對好一節(jié)筒體后，立即測量其上下口外圓周長，并計(jì)算與相鄰?fù)补?jié)外圓周長之差值。若周長之差超過最大允許偏差值，必須找出超差原因后才能重新組對。實(shí)際制造過程中通過實(shí)施以上措施，相鄰?fù)补?jié)周長之差均在3 mm之內(nèi)。塔體縱環(huán)縫組焊后，最大錯(cuò)邊量為0.5 mm＜1 mm，說明采用的下料方法得當(dāng)。.2.5減小應(yīng)力集中和控制裂紋產(chǎn)生

復(fù)合板基層焊接后，在基層焊縫熱影響區(qū)和復(fù)層連接處應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，而且此處正好是焊道熱影響區(qū)，強(qiáng)度相對較弱。封頭沖壓和單節(jié)筒體校圓的過程實(shí)際上都是一種加壓過程，在此加工過程中應(yīng)力集中的熱影響區(qū)往往最容易產(chǎn)生裂紋。.2.6單節(jié)筒體增加壓頭工序筒體首先進(jìn)行壓頭、卷圓，在焊完基層后再校圓，這樣筒節(jié)焊縫處就基本上沒有直邊存在，曲率比不壓頭時(shí)要大，且校圓過程中的塑性變形也較小，加載的壓力相對于不壓頭時(shí)要小得多，因此焊縫及熱影響區(qū)承受的壓力也較小。對于筒體縱縫，也可在基層、過渡層和復(fù)層全部焊接完成后再進(jìn)行無損檢測，但是如果內(nèi)部有缺陷，有時(shí)會(huì)增加返修工作量和焊接難度。

2.3焊接

復(fù)合板的焊接與一般材料不同，要求復(fù)層焊縫的化學(xué)成分與復(fù)材的化學(xué)成分基本一致，具有和復(fù)材相當(dāng)?shù)哪透g性能及其他的特殊性能。首先是要有合理的焊接坡口，其次是選用合適的焊接材料和焊接工藝規(guī)范，盡可能降低焊縫熔合比。為提高生產(chǎn)效率，基層采用自動(dòng)焊?？紤]到復(fù)層與過渡層焊接厚度薄，手工電弧焊操作靈活，對母材稀釋率小，故復(fù)層與過渡層均采用手工電弧焊焊接。封頭與筒體環(huán)縫全部采用手工焊焊接。

焊接順序?yàn)榛摹^渡層—復(fù)材。焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

（1）焊前應(yīng)采用機(jī)械方法及有機(jī)溶劑（如丙酮、酒精、香蕉水等）清除焊絲表面和焊接坡口兩側(cè)至少各20 mm范圍內(nèi)的油污、銹跡、金屬屑、氧化膜及其他污物，以防止產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷。

（2）焊接基材時(shí)，焊縫表面應(yīng)距復(fù)合界面1～2 mm，其焊縫不得觸及和熔化復(fù)材。

（3）焊接過渡層時(shí)，要在保證熔合良好的前提下，盡量減少基材金屬的熔化量，即降低熔合比。為此，應(yīng)采用較小直徑的焊條或焊絲以及較小的焊接線能量。過渡層的厚度應(yīng)不小于2 mm。過渡層與復(fù)層焊接，層間溫度不大于

（4）焊接復(fù)材時(shí)，采用較小直徑的焊條及較小的焊接線能量。復(fù)材焊縫表面應(yīng)盡可能與復(fù)材表面齊平，并保持平整、光潔。焊接完畢后，將焊縫磨平。復(fù)層焊縫厚度應(yīng)不小于3 mm。焊接材料的選用見表1，焊接規(guī)范參數(shù)見表2。

表1 焊接材料

表2 焊接規(guī)范參數(shù)

實(shí)際制造時(shí)，按表2的焊接規(guī)范參數(shù)施焊，基層100%X射線拍片，共拍片306張，I級片267張，II級片32張，返修1處，基層探傷合格率100%，復(fù)層100%滲透，合格率99%。

2.4 整體熱處理

設(shè)備制造完畢并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，在爐內(nèi)進(jìn)行整體熱處理。

熱處理方式為搭設(shè)熱處理爐進(jìn)行爐內(nèi)熱處理。設(shè)備放置狀態(tài)為立式，共分四段。分段熱處理完成后，再對環(huán)縫進(jìn)行局部熱處理。熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖3 熱處理工藝

由于焦炭塔筒體直徑較大，且厚度較小，因此采取如下措施防止熱處理過程中的變形。在距離分段口端口300 mm的部位，設(shè)置一套支撐（見圖4），支撐與筒體之間設(shè)置與內(nèi)筒體相同弧度的整圈弧板，以保證最大限度減少端口部位的熱處理變形。

圖4 分段處端口部位加固工裝

在底部法蘭開口部位設(shè)置支撐工裝，如圖5所示。工裝采用15CrMoR材料。在設(shè)備底部法蘭與錐形封頭小端組對前按圖將支撐焊在法蘭上，同時(shí)加固小錐上口。組焊完成后支撐工裝先不拆除，隨同設(shè)備進(jìn)行熱處理。熱處理后，車底部法蘭密封面至尺寸，并將小端與錐形封頭進(jìn)行組焊，然后再進(jìn)行探傷。

圖5 底部法蘭防變形工裝

整體熱處理完成后，對復(fù)合鋼板抽取20%進(jìn)行超聲檢查,對接頭堆焊面進(jìn)行100%超聲檢測,按B/T 4730—2005 I級合格。若發(fā)現(xiàn)不合格缺陷，則應(yīng)進(jìn)行全面積超聲檢測。

2.5 水壓試驗(yàn)

設(shè)備熱處理完成后,安裝試壓工裝,進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.91 MPa。試壓全部合格后放凈水，吹干容器內(nèi)部。

3 結(jié)語

設(shè)備在制造過程中采取了合理的制造工藝，并嚴(yán)格控制每道工序的施工，很好地解決了該設(shè)備的制造難點(diǎn)。焦炭塔的成功制造，為今后類似設(shè)備的制造提供了可行的經(jīng)驗(yàn)。

[1] GB 150—1998.鋼制壓力容器[S].

[2] JB/T 4710—2005.鋼制塔式容器[S].

[3] JB/T 47015—2000.鋼制壓力容器焊接規(guī)程[S].

[4] 陳曉玲，段滋華，李多民.國內(nèi)外焦炭塔的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].化工機(jī)械，2009（1）：56-59.

Manufacturing Process of Coke Tower

Ma Hongjing

The manufacturing process of coke tower,the composite pressure vessel,is rather meticulous with strict demands,such as the manufacture of head and shell,the welding of composite plates,the deformation control of integral heat treatment.Analyzes the difficulties of coke tower manufacture and introduces the technical process.

Head;Shell;Welding;Heat treatment;Manufacturing process;Deformation;Coke tower

TQ50.6

*馬洪錦，女，1 9 7 4年生，高級工程師。天津市，300270。

2013-05-17）