胡天江，王志剛

（1.蘭州蘭石房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，甘肅蘭州730314；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州730314）

國產(chǎn)大厚板加氫反應(yīng)器研制

胡天江1，王志剛2

（1.蘭州蘭石房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，甘肅蘭州730314；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州730314）

分析δ=150 mm的12Cr2Mo1R（H）國產(chǎn)板與δ=182 mm進(jìn)口板材料性能，探討國產(chǎn)大厚度板焊式加氫反應(yīng)器的主要制造難點(diǎn)，并成功完成了該臺(tái)加氫反應(yīng)器的制造。研究表明，該項(xiàng)目的研制成功拓寬了板焊式容器的使用領(lǐng)域，改變了目前大厚度加氫反應(yīng)器均采用鍛焊結(jié)構(gòu)的局面；提升了我國自主創(chuàng)新能力。

國產(chǎn)；大厚板；加氫反應(yīng)器；板焊式

0 前言

20世紀(jì)90年代，壁厚150 mm以上的加氫改質(zhì)反應(yīng)器多采用鍛焊式，但近年來隨著裝置大型化以及石化工業(yè)的快速發(fā)展，壁厚超過150 mm加氫反應(yīng)器需求量增大，大型鍛件的制造能力已無法滿足市場需求，因此用厚鋼板來代替鍛件就顯得尤為必要。

以往壁厚超過150 mm 2.25Cr-1Mo板材都是進(jìn)口板，國外鋼廠通過提高冶煉水平，采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐冶煉，再加上真空脫氣工藝（VCD），嚴(yán)格控制易造成偏析的微量元素，從而獲得超純凈鋼坯；軋制時(shí)先采用預(yù)鍛，再進(jìn)行熱軋，使厚板具有與較薄板相同的性能，從而提供性能優(yōu)良的厚鋼板。近年來，隨著國內(nèi)舞陽鋼廠冶煉技術(shù)的迅猛發(fā)展，全面掌握了該材料的冶煉、軋制等一系列技術(shù)。某公司和舞陽鋼廠通力合作完成了國產(chǎn)2.25Cr-1Mo的δ=150 mm加氫反應(yīng)器的研制工作。

1 設(shè)備簡介

本設(shè)備為中石油天然氣股份有限公司克拉瑪依石化分公司完善稠油集中加工及配套項(xiàng)目120萬t/年柴油加氫改質(zhì)裝置中的加氫改質(zhì)反應(yīng)器，如圖1所示。

設(shè)備主要參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力12.6MPa；最高/最低溫度414℃/321℃；設(shè)計(jì)溫度435℃/415℃；最低設(shè)計(jì)金屬溫度-19℃；操作介質(zhì)為油氣、油、H2、H2S；耐壓試驗(yàn)壓力為立試18.26 MPa，臥試18.54 MPa；內(nèi)徑

φ3413mm；規(guī)格φ3400mm×（148+6.5）mm×35365mm；主體材料為12Cr2Mo1R（H），容器質(zhì)量420 886 kg。

圖1 加氫改質(zhì)反應(yīng)器

2 主體材料

2.1 國產(chǎn)板（本設(shè)備）

設(shè)備鋼板由舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司提供。設(shè)備筒體厚度δ=150mm，鋼板的力學(xué)性能及化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 12Cr2Mo1R（H）鋼板的力學(xué)性能

表2 12Cr2Mo1R（H）鋼板的化學(xué)成分％

2.2 厚度δ=182 mm進(jìn)口板

為更好地研究材料的理化性能，還對(duì)由德國迪林根鋼廠提供的鋼板進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

SA387Gr22Cl2鋼板的力學(xué)性能和彎曲試驗(yàn)如表3所示，化學(xué)性能見表4。

表3 SA387Gr22CL2鋼板的力學(xué)性能

表4 SA387Gr22CL2鋼板的化學(xué)成分％

2.3 國產(chǎn)板與進(jìn)口板分析

（1）進(jìn)口鋼SA387Gr22CL2在ASMEⅡSA387/ 387M中有詳實(shí)的描述與規(guī)范；國產(chǎn)鋼目前標(biāo)準(zhǔn)為GB713-2008。

（2）由表1～表5可知，在鋼板的力學(xué)性能上國產(chǎn)板與進(jìn)口板相差不大；在化學(xué)成分上，Cr、Mo是強(qiáng)碳化物形成元素，該元素含量的增加有助于降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼材的淬透性和回火穩(wěn)定性。

（3）從上述數(shù)據(jù)上可以看出，舞鋼生產(chǎn)δ150 mm的12Cr2Mo1R（H）鋼板，在冶煉工藝及使用性能上均不遜于進(jìn)口板；國產(chǎn)板的Max.PWHT 690℃×32 h的力學(xué)性能比進(jìn)口板Max.PWHT 690℃×26 h綜合力學(xué)性能要好。

表5 進(jìn)口與國產(chǎn)鋼板模擬焊后熱處理后的力學(xué)性能比較

3 主要制造難點(diǎn)（筒體成型）

板焊式普通熱壁加氫反應(yīng)器的制造工藝目前在蘭石公司已經(jīng)相當(dāng)成熟，比如窄間隙焊接、不銹鋼堆焊層的堆焊、小直徑接管內(nèi)壁TIG和FCAW堆焊、TOFD檢測(cè)等。大直徑大厚度板焊式加氫反應(yīng)器的制造主要受到殼體筒節(jié)的成型困難、廠內(nèi)制造時(shí)熱處理設(shè)備不滿足、由制造廠到用戶現(xiàn)場運(yùn)輸困難等限制。一般是分段在廠內(nèi)制造，發(fā)貨到現(xiàn)場，然后進(jìn)行現(xiàn)場組裝、熱處理、無損檢測(cè)。這樣筒體成型、現(xiàn)場熱處理和現(xiàn)場檢測(cè)對(duì)制造大厚度大直徑加氫反應(yīng)器尤為重要[3，6]。

制約板焊式反應(yīng)器大型化發(fā)展的因素：一是容器制造廠受筒節(jié)成型設(shè)備能力的限制；二是對(duì)厚鋼板質(zhì)量存在誤區(qū)，認(rèn)識(shí)不夠深入。板焊式反應(yīng)器具有制造周期短、成本相對(duì)較低、材料較易采購及板材性能均一的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)該反應(yīng)器直徑大、板料展開長、壁厚大等特點(diǎn)，對(duì)制造設(shè)備進(jìn)行了改造，主要包括對(duì)卷板加熱爐進(jìn)行加長、加高改造。全面檢修三輥卷板機(jī)，以保證卷板質(zhì)量。

卷制時(shí)先按一次成型進(jìn)行，進(jìn)行一端壓頭及預(yù)成型，將板料送入卷板機(jī)上、下輥之間，找正鋼板后按要求的曲度將端口壓頭成型，然后把鋼板向前送進(jìn)，使得沒變形的后部鋼板逐漸變形，直至板料被卷起的部分超過重心，曲度約為1.2d，此時(shí)端部接近后軋輥，停止卷制；預(yù)成型的部分必須保證圓滑過渡，（壓頭）樣板檢測(cè)合格。卷制成型范圍大于2/3圓，然后進(jìn)行另一端的壓頭及預(yù)成型，樣板檢測(cè)合格。若一次成型不可行，則按兩次成型進(jìn)行，但須一次完成對(duì)鋼板兩端壓頭及預(yù)成型工作。在整個(gè)卷制過程中，隨時(shí)用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)溫，溫度低于450℃時(shí)停止卷制，按熱處理工藝重新進(jìn)爐加熱。

（1）現(xiàn)場總裝焊縫的裝配焊接。

針對(duì)設(shè)備特點(diǎn)，進(jìn)行了現(xiàn)場詳細(xì)的方案論證，并裝備了大量現(xiàn)場組裝設(shè)備，主要有800 t防偏移轉(zhuǎn)胎及控制箱、龍門十字架或十字窄間隙焊機(jī)、空壓機(jī)、卡式爐等。裝配時(shí)利用轉(zhuǎn)臺(tái)的竄動(dòng)及可調(diào)性，進(jìn)行筒體環(huán)縫組裝，待組裝尺寸符合要求后，進(jìn)行內(nèi)部支撐板點(diǎn)焊。外部包裹電加熱片進(jìn)行預(yù)熱300℃×4 h后，立即拆卸電加熱片進(jìn)行十字窄間隙

焊接，焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際坡口情況進(jìn)行打底焊，再進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊。焊接時(shí)注意焊接參數(shù)及焊接層間溫度（天然氣進(jìn)行焊接保溫），焊接過程中若發(fā)現(xiàn)焊接缺陷應(yīng)立即進(jìn)行清理，保證焊接后探傷合格。

焊接材料的選用遵循NB/T 47015-2011壓力容器焊接規(guī)程要求，選用焊接材料應(yīng)保證焊縫的力學(xué)性能高于或等于母材規(guī)定的限制。目前國內(nèi)12Cr2Mo1R（H）鋼材相應(yīng)的焊接材料尚不成熟，通過焊接性能和焊接操作性對(duì)比，選用日本神戶鋼鐵公司的焊材——埋弧焊材US-521S+PF-200，焊條CM-A106N。按照NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定進(jìn)行焊接評(píng)定試驗(yàn)，制定合理的焊接工藝，焊接參數(shù)如表6所示。焊接預(yù)熱溫度大于等于160℃，層間溫度不大于250℃，后熱（300～350）℃×2 h。

表6 焊接工藝參數(shù)

（2）現(xiàn)場總裝焊縫的焊后消除應(yīng)力熱處理。

現(xiàn)場總裝焊縫焊接完成之后，使用自行設(shè)計(jì)制造的燃油卡式熱處理爐對(duì)現(xiàn)場焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理[4]。加熱爐采用3個(gè)GSY-100型、3個(gè)GSY-35型燃油高速調(diào)溫?zé)?，油槍采用配置合理、燃燒穩(wěn)定的內(nèi)混式高壓霧化、手動(dòng)操作、液化氣電子打火點(diǎn)燃。油、壓縮空氣、壓縮風(fēng)及管線設(shè)備組裝在爐體外壁，達(dá)到拆卸、運(yùn)輸方便及可移動(dòng)的目的。

熱處理之前制定詳細(xì)的《現(xiàn)場熱處理方案》，規(guī)定了卡式爐的搭設(shè)、電偶布置、控溫設(shè)備的要求以及對(duì)操作工在加熱期間的具體要求和注意事項(xiàng)。經(jīng)熱處理后的硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，環(huán)縫硬度HB值完全滿足設(shè)計(jì)要求；熱處理后的實(shí)際熱處理工藝記錄曲線表明，當(dāng)溫度大于400℃時(shí)，加熱速度34℃/h，實(shí)際降溫速度27℃/h，在整個(gè)升降溫過程中各測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度差在50℃以內(nèi)，在恒溫階段溫差為5℃（工藝規(guī)范公差范圍±14℃）。

（3）現(xiàn)場總裝焊縫的無損檢測(cè)。

采用可記錄式超聲波衍射時(shí)差法[5，7]（TOFD）檢測(cè)技術(shù)代替射線檢測(cè)。熱處理后經(jīng)檢測(cè)環(huán)縫合格。在現(xiàn)場使用TOFD得到的結(jié)果也證實(shí)，UT與RT十分吻合，還可以找到射線無法檢測(cè)的未熔合缺陷。

4 結(jié)論

（1）該項(xiàng)目的成功不僅為我國壓力容器制造開辟了一個(gè)新的空間，拓寬了板焊式容器的使用領(lǐng)域，改變目前大厚度加氫反應(yīng)器均采用鍛焊結(jié)構(gòu)的局面；縮短大型厚壁容器制造水平與國外的差距，加快了我國煉油裝備國產(chǎn)化的進(jìn)程，提高我國裝備制造業(yè)的水平，保障我國煉油工業(yè)的發(fā)展，縮小與國外在石化行業(yè)的差距，提升我國自主創(chuàng)新能力。

（2）對(duì)于板焊結(jié)構(gòu)的大型厚壁加氫反應(yīng)器，國內(nèi)國產(chǎn)板生產(chǎn)制造的最大厚度已達(dá)到了186 mm，最大質(zhì)量約300 t；目前蘭石青島重機(jī)公司進(jìn)口板卷板試制成功的厚度已達(dá)到了240 mm[8]，所以還需不斷完善成型設(shè)備能力以及現(xiàn)場焊接、熱處理、無損檢測(cè)的能力，以適應(yīng)市場需求。

[1]GB 713-2008.壓力容器用鋼板[S].

[2]郝曉東.高壓加氫反應(yīng)器制造技術(shù)研究[J].山西化工，2015，35（2）：53-56.

[3]陳崇剛.我國加氫反應(yīng)器制造面臨的課題[J].煉油技術(shù)與工程，2011，41（7）：16-20.

[4]黨兆凱.在用加氫反應(yīng)器現(xiàn)場焊接修理后的消除應(yīng)力熱處理[J].石油化工設(shè)備，2010，39（4）：56-60.

[5]巢栗蘋.加氫反應(yīng)器檢驗(yàn)技術(shù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2010，27（5）：1-3.

[6]柳曾典.2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器開發(fā)與制造中的一些問題[J].制造與安裝，2011，28（5）：33-40.

[7]郭為民.加氫反應(yīng)器建造的有關(guān)問題探討[J].機(jī)械設(shè)備，2014，44（8）：39-42.

[8]尹青鋒.淺談板焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器的幾個(gè)問題[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，32（4）：55-57.

Research and manufacturing of domestic big plate hydrogenation reactor

HU Tianjiang1，WANG Zhigang2
（1.lanzhou LS Real Estate Development Co.，Ltd.，lanzhou 730314，China；2.lanzhou LS Heavy Equipment Co., Ltd.，lanzhou 730314，China）

Through to make analysis of the δ=150 mm 12Cr2Mo1R（H）domestic board and the δ=182 mm import plate material performance，deeply studied and discussed main manufacturing difficulties of domestic large thickness plate welding type hydrogenation reactor，and successfully completed the sounding of hydrogenation reactor manufacturing.Research shows that the successful development of the project can broaden the board of the use of welding containers，change the current field large thickness hydrogenation reactor all use forge welding structure of situation；and enhance the ability of independent innovation in China.

domestic；big thick plate；hydrogenation reactor；plate welding type

TG457

A

1001-2303（2016）08-0102-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.24

2015-10-30；

2016-02-15

胡天江（1984—），男，甘肅武威人，學(xué)士，工程師，主要從事壓力容器焊接熱處理工藝的研究工作。