楊 毅 李雪秦

(廣西壯族自治區(qū)桂林化工機(jī)械廠)

噴水凈化器是不銹鋼復(fù)合板制設(shè)備，原設(shè)備由國(guó)內(nèi)某工程公司設(shè)計(jì)，用戶更換新設(shè)備時(shí)，要求按原設(shè)計(jì)圖進(jìn)行翻版設(shè)計(jì)。應(yīng)用戶要求，筆者所在單位設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)噴水凈化器交付使用。不久，用戶反映在定期檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備覆層焊縫及其周圍有不少裂紋，打磨補(bǔ)焊后繼續(xù)使用；但使用幾個(gè)月后設(shè)備再次檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋更多，有些裂紋已裂至基層面，難以修復(fù)，如繼續(xù)使用將存在安全隱患。經(jīng)與用戶交流，得知由于市場(chǎng)因素，近年生產(chǎn)原料所用的煤品質(zhì)量遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)的要求，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)變換氣中的S及H2S等雜質(zhì)的含量過高，使不銹鋼晶間腐蝕傾向和應(yīng)力腐蝕傾向更大。有資料表明： H2S存在的情況下，經(jīng)過焊接或者在430～815℃區(qū)域附近敏化過的奧氏體不銹鋼材料最易引起連多硫酸晶間腐蝕，進(jìn)而引起連多硫酸應(yīng)力腐蝕破壞[1]。原設(shè)備也是在煤品質(zhì)下降后出現(xiàn)上述情況而無法修復(fù)的。在研究原設(shè)計(jì)和制造方案并詢問車間人員當(dāng)時(shí)設(shè)備的制造情況后，認(rèn)為可通過改進(jìn)原設(shè)計(jì)和制造方案來提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)

噴水凈化器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 3.8MPa

設(shè)計(jì)溫度 280℃

介質(zhì) 變換氣、工藝水排污

主要材料 15CrMoR+S32168

規(guī)格DN2000mm×(30.0+3.0)mm

圖1 噴水凈化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

噴水凈化器原設(shè)計(jì)材料為15CrMoR+S32168，15CrMoR屬于中溫抗氫鋼，主要用于450℃以上普通碳素鋼與碳錳鋼不宜使用的場(chǎng)合。由于基層15CrMoR材料的特殊性，按照GB 150和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，必須進(jìn)行預(yù)熱、消氫和消除應(yīng)力熱處理，但多次的熱處理卻可能導(dǎo)致覆層不銹鋼被晶間腐蝕。該設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度為280℃，可采用Q345R代替15CrMoR，按新的安全系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。Q345R的鋼板基層厚度為28.0mm，不必進(jìn)行熱處理，焊接工藝簡(jiǎn)單成熟，也降低了覆層不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。另外，原設(shè)計(jì)要求覆層不銹鋼厚度為3.0mm，考慮到不銹鋼板的負(fù)偏差和復(fù)合板爆炸后的減薄[2，3]，實(shí)際覆層厚度只有2.4mm。在2.4mm的厚度上需要熔敷過渡層A302和覆層A132兩種焊條，每種焊條都只能薄薄地焊一道，在實(shí)際操作中難以控制；如果電流過大，由于碳遷移作用，過渡層甚至基層富余的碳原子都可能以熔融狀態(tài)流向覆層，使得焊縫表面的化學(xué)成分劣于覆層；且為保證覆層的厚度，覆層焊縫往往會(huì)凸出母材1.0～2.0mm，也使得焊縫處應(yīng)力集中。因此將覆層厚度由3.0mm增至5.0mm。經(jīng)與用戶交流，用戶表示同意“將復(fù)合板基層材料由15CrMoR改為Q345R，覆層S32168厚度由3.0mm改為5.0mm”的設(shè)計(jì)方案。更改后的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 3.8MPa

設(shè)計(jì)溫度 280℃

介質(zhì) 變換氣、工藝水排污

主要材料 Q345R+S32168

規(guī)格DN2000mm×(28.0+5.0)mm

2 制造方案的改進(jìn)

為減小不銹鋼晶間腐蝕傾向和應(yīng)力腐蝕傾向，針對(duì)原設(shè)備在制造上出現(xiàn)的問題，采取了以下相應(yīng)的措施：

a. 原設(shè)備在封頭與筒節(jié)間的環(huán)縫產(chǎn)生了大量的應(yīng)力腐蝕裂紋，分析原因有兩點(diǎn)：一是復(fù)合板筒體展開下料計(jì)算存在問題，由于不銹鋼復(fù)合板與均質(zhì)板不同，其中性層并不處于板厚的一半處，而是偏向覆層方向，使得按中徑下料的筒體直徑大于封頭，此點(diǎn)在向車間求證后得到證實(shí)，原設(shè)備筒體直徑確實(shí)比封頭大，使得該處環(huán)焊縫裝配應(yīng)力較大；二是橢圓形封頭在承受內(nèi)壓時(shí)會(huì)有“趨圓”現(xiàn)象，即封頭沿短軸處向外變形，沿長(zhǎng)軸處會(huì)向內(nèi)變形，但筒體在承受內(nèi)壓時(shí)都是向外變形。綜合以上兩點(diǎn)，設(shè)備在工作狀態(tài)下，封頭與筒體的環(huán)焊縫受到裝配應(yīng)力和內(nèi)壓疊加的影響，拉應(yīng)力會(huì)更大。為此查閱有關(guān)復(fù)合板展開計(jì)算的資料，實(shí)際下料尺寸按L實(shí)=L理-k×π×δn×(1+δn/Di)-n×c+n×Δc-b進(jìn)行計(jì)算[4]。其中，L理為理論下料尺寸，L理=π×筒節(jié)中徑；k為卷制系數(shù)，取0.07；δn為筒節(jié)名義厚度；Di為筒節(jié)內(nèi)徑；n為每節(jié)筒節(jié)的縱焊縫條數(shù)；c為對(duì)口間隙，取2mm；Δc為焊縫環(huán)向收縮量，取2～3mm；b為界面影響伸長(zhǎng)量，取6～10mm，板越厚b值越大。經(jīng)計(jì)算，下料尺寸比按中徑計(jì)算小了13mm。按該式計(jì)算實(shí)際下料尺寸卷制的筒節(jié)與封頭實(shí)際周長(zhǎng)的誤差約為4mm，滿足規(guī)范要求。控制筒節(jié)圓周尺寸與封頭一致，減小了裝配應(yīng)力。

b. 為降低焊接應(yīng)力，對(duì)設(shè)備的A、B類焊縫采用對(duì)稱的X型坡口，且要求基層焊縫的焊接都必須預(yù)熱100℃；筒體內(nèi)部的A、B類焊縫全部打磨與母材平齊；筒體內(nèi)部的角焊縫也要求打磨圓滑過渡。另外，要求在基層焊接完成且探傷合格后，再焊過渡層和覆層，這樣可避免不銹鋼焊縫的覆層反復(fù)加熱而被敏化。

c. 大接管的加工。與小接管采用全不銹鋼不同，設(shè)備上4個(gè)DN500mm的大接管和法蘭都采用16MnⅢ堆焊A302+A132。由于堆焊采用焊條手工堆焊，堆焊部位凹凸不平，無法保證覆層A132的厚度；另外，焊接產(chǎn)生飛濺難以清除；再次，采用等離子手工切割大接管與筒體連接處的馬鞍形坡口雖經(jīng)打磨，表面質(zhì)量仍較差，有少量滲碳層和切割時(shí)產(chǎn)生的大量飛濺難以清除。由于上述原因，使得大接管的堆焊表面和與筒體焊接的焊縫都極易被腐蝕而產(chǎn)生裂紋。針對(duì)以上問題，要求堆焊大接管過渡層和覆層時(shí)，必須分別用車床車平其堆焊層，這既保證了每層的厚度，又有效地清除了飛濺物。對(duì)于接管馬鞍形的加工，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，將4個(gè)接管同時(shí)裝夾在5m立車的轉(zhuǎn)盤上，按設(shè)備直徑確定好裝夾位置(圖2)，這樣立車就可以同時(shí)車出4個(gè)接管的馬鞍形了。

d. 為防止筒體覆層被污染，要求設(shè)備開孔從內(nèi)往外開，即從覆層往碳鋼層開孔，防止碳鋼熔渣滲入覆層。具體先按普通設(shè)備慣例在筒體外側(cè)劃好線，定出開孔圓心，按圓心位置鉆通孔，再在筒體內(nèi)側(cè)以鉆好的孔為圓心畫出開孔圓，最后用等離子切割開孔。另外，還要求所有筒體內(nèi)部焊縫及其周圍100mm范圍內(nèi)都必須拋光，這也進(jìn)一步保證了筒體內(nèi)部免受焊接飛濺等污染，也減小了應(yīng)力集中。

圖2 大接管馬鞍形坡口加工示意圖

最終，筆者所在單位根據(jù)新制訂的設(shè)計(jì)、制造方案，制造了兩臺(tái)噴水凈化器并交付使用，至今運(yùn)行三年多，中間經(jīng)過兩次檢修，經(jīng)檢查，焊縫、焊縫附近和堆焊層均沒有裂紋，使用正常，用戶表示滿意。

3 結(jié)束語

不銹鋼復(fù)合板設(shè)備具有特殊性，應(yīng)從設(shè)計(jì)及制造等多方面進(jìn)行考慮，降低不銹鋼覆層被污染、腐蝕的幾率，保證不銹鋼覆層的質(zhì)量，才能保證整臺(tái)設(shè)備的質(zhì)量。

[1] 任凌波,任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003:249.

[2] GB 24511-2009，承壓設(shè)備用不銹鋼板及鋼帶[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] NB/T47002.1-2009～ NB/T47002.4-2009，壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板[S].北京：新華出版社，2010.

[4] 刑振華.不銹鋼復(fù)合板設(shè)備制造的特性[J].石油化工建設(shè)，2005，27(3)：73～74.