劉小峰 康治政 吳祖藩

(1.上海電氣核電設(shè)備有限公司；2.上海森松壓力容器有限公司)

低溫甲醇洗吸收塔制造技術(shù)*

劉小峰1康治政2吳祖藩2

(1.上海電氣核電設(shè)備有限公司；2.上海森松壓力容器有限公司)

介紹了大型低溫壓力容器設(shè)備的分段預(yù)制、檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)合攏的方法，探討09MnNiDR材料在制作、焊接、探傷及檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)中的注意事項(xiàng)，并闡述了如何借用塔器標(biāo)準(zhǔn)中地腳螺栓的計(jì)算模型，來計(jì)算加固工裝的方法。

吸收塔 09MnNiDR 焊接 探傷工裝

在煤化工行業(yè)中，低溫甲醇洗技術(shù)以優(yōu)異的酸性氣體選擇性、吸收性以及運(yùn)行穩(wěn)定性等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。吸收塔為低溫甲醇洗裝置重要設(shè)備之一，塔體主材選用09MnNiDR，設(shè)備要求在-60℃的低溫下工作。因此，對(duì)塔器材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和檢驗(yàn)驗(yàn)收都有嚴(yán)格的要求。標(biāo)準(zhǔn)主要探討低溫甲醇洗吸收塔在制造過程中的技術(shù)要點(diǎn)。

1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)和材料驗(yàn)收

甲醇吸收塔為Ⅲ類壓力容器，受壓元件材料09MnNiDR，其技術(shù)參數(shù)為：

塔板類型 浮閥塔

工作介質(zhì) WGH/WMR

外形尺寸 2 800mm×83 210mm

塔體壁厚 75mm

保溫層厚 70mm

全容積 463.3m3

設(shè)備凈重 510t

設(shè)計(jì)溫度 80/-60℃

最高工作溫度 80℃

立式水壓試驗(yàn) 7.75MPa

設(shè)計(jì)壓力 6.2MPa

焊縫系數(shù) 1.0

熱處理要求 焊后熱處理

無損檢測(cè) 100%RT/TOFD/MT

該材料為-70℃級(jí)低溫壓力容器用鋼，具有低溫高韌性的特點(diǎn)。為確保材料滿足項(xiàng)目要求，筆者對(duì)材料進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，材料的化學(xué)成分(表1)、力學(xué)性能及沖擊功(表2)等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)與訂貨要求。

表1 化學(xué)成分 wt%

表2 力學(xué)和沖擊性能

2 吸收塔制造工藝

受運(yùn)輸、起吊等因素的制約，設(shè)備的組裝分兩個(gè)階段完成[1]。第一階段在車間完成，第二階段在現(xiàn)場(chǎng)完成。為減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，通過組織相關(guān)專業(yè)人員探討，將設(shè)備分為兩大段制作，分兩段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，并在現(xiàn)場(chǎng)立式組裝合攏。

2.1 原材料要求

該塔體壁厚較厚，最低設(shè)計(jì)溫度為-60℃，用于濕H2S工況，設(shè)計(jì)壓力為6.2MPa。為保證材料在低溫下的沖擊韌性，同時(shí)保證材料焊接后熱影響區(qū)的沖擊韌性，對(duì)材料的供貨狀態(tài)要求為正火加回火。同時(shí)對(duì)材料的化學(xué)成分、晶粒度及碳當(dāng)量等都做了進(jìn)一步的控制。材料需要逐張進(jìn)行UT檢測(cè)，確保中間沒有分層。

2.2 筒體卷制

筒體采用冷卷，筒節(jié)卷制時(shí)，由于筒節(jié)壁厚較厚，直徑偏小，故筒節(jié)卷制后的纖維伸長(zhǎng)量不能忽略，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該筒節(jié)卷制后的伸長(zhǎng)量在8mm左右，故每節(jié)筒節(jié)在卷制前，展開周長(zhǎng)方向先切掉8mm，以保證卷制后筒體的直徑在公差范圍之內(nèi)。另外，因筒體較厚，筒體的環(huán)縫坡口在平板狀態(tài)下加工好后再卷，有可能會(huì)出現(xiàn)“喇叭口”。但如果卷制后再加工環(huán)縫坡口，又會(huì)大幅增加加工費(fèi)用。為此，正式制作之前，先對(duì)其中一塊板進(jìn)行了對(duì)比卷制試驗(yàn)，測(cè)量了其卷制后端部與筒體中間的直徑變化，經(jīng)試驗(yàn)，該板的喇叭口傾向較小，環(huán)縫坡口完全可以在平板狀態(tài)下加工。

2.3 封頭成型

因厚度較厚，封頭采用熱沖壓，沖壓過程中要控制好壓制溫度，在900℃以上進(jìn)行壓制，封頭加熱過程中要隨爐帶封頭母材試板。封頭成型后需要做恢復(fù)性能熱處理。母材試板隨封頭一起進(jìn)行熱處理，熱處理后對(duì)母材試板進(jìn)行理化試驗(yàn)。保證材料在經(jīng)過熱成形與熱處理后的性能仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 設(shè)備焊接與探傷

在產(chǎn)品焊接之前，需通過工藝評(píng)定和焊接試驗(yàn)確定合理的焊接參數(shù)。設(shè)備縱環(huán)縫采用SAW，焊材H09MnNiDR，φ4.0mm焊絲加SJ208DR 焊劑。接管或內(nèi)件與主體的焊縫采用SMAW，采用E5015-C1L(W707DR)，φ3.2mm或φ4.0mm焊條。

焊接前，要將焊縫坡口及其周邊清理干凈，不得有氧化皮、油污及雜質(zhì)等。并對(duì)坡口表面進(jìn)行100%MT檢測(cè)，確保坡口表面無裂紋及其他缺陷。焊前對(duì)焊接部位及其周邊150mm范圍內(nèi)預(yù)熱到100～115℃左右，焊前用測(cè)溫槍對(duì)待焊表面進(jìn)行測(cè)溫，預(yù)熱溫度達(dá)到要求時(shí)，方可進(jìn)行焊接。焊材在使用前必須烘焙干，施焊過程中，焊條存放在專用的焊條保溫桶中。

焊接嚴(yán)格按照WPS要求執(zhí)行，焊接過程中嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，包括焊接線能量、電流、電壓、焊速及焊縫厚度等?？刂茖娱g溫度在100～150℃之間。

A、B類焊縫焊后進(jìn)行100%RT+20%UT+100%MT檢測(cè)，D類焊縫需進(jìn)行100%UT+100%MT檢測(cè)，內(nèi)件與主體的焊縫進(jìn)行100%MT或100%PT檢測(cè)。

2.5 內(nèi)件組裝焊接

塔盤支撐圈等內(nèi)件劃線組裝時(shí)，要使用同一劃線基準(zhǔn)，減少劃線累積誤差；劃線的記號(hào)筆盡量細(xì)，避免劃線產(chǎn)生誤差；劃線時(shí)每隔幾層塔盤支撐圈，考慮一定的焊接收縮量，保證焊接后，塔盤支撐圈與基準(zhǔn)線的距離在公差范圍內(nèi)。

原則上先裝焊接管，再焊接塔盤支撐圈，然后裝焊煙囪等其余內(nèi)件。為控制塔盤支撐圈焊接后的平整度，在支撐圈焊接過程中要采用對(duì)稱焊，減少焊接變形。焊后檢查支撐圈平整度，對(duì)超差部位進(jìn)行局部整形。

2.6 熱處理

因主體板材較厚(75mm)，為確保焊縫質(zhì)量，要求進(jìn)行焊后熱處理，工藝為(200～250)℃×3h。設(shè)備總長(zhǎng)達(dá)83m，受熱處理爐限制，該設(shè)備分4段制作，每段進(jìn)行爐內(nèi)熱處理。各段組焊后的環(huán)縫進(jìn)行局部電加熱處理。

熱處理保溫溫度為575±15℃，盡量靠近上限但不超過590℃。保溫時(shí)間為210min。熱處理曲線如圖1所示。

圖1 熱處理工藝曲線

按熱處理工藝要求在工件和母材試板上裝熱電偶，控制熱處理過程中工件的溫度。為防止熱處理過程中設(shè)備變形，進(jìn)爐熱處理前，要在設(shè)備敞口處和大開孔處加支撐工裝。

2.7 車間內(nèi)水壓試驗(yàn)

為減少在業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)的工組量，該吸收塔在車間內(nèi)先進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后，將設(shè)備在合攏縫處切開，并對(duì)其余部位進(jìn)行了噴砂油漆等工作。

2.8 分段位置的選擇

現(xiàn)場(chǎng)分段位置的選擇，要綜合運(yùn)輸、制造及起吊等各方面因素。因設(shè)備壁厚較厚，現(xiàn)場(chǎng)焊接的環(huán)縫為雙面坡口，需要在設(shè)備內(nèi)部焊接，這就要求現(xiàn)場(chǎng)在設(shè)備的內(nèi)外都要搭臨時(shí)平臺(tái)，便于環(huán)縫的現(xiàn)場(chǎng)焊接?，F(xiàn)場(chǎng)合攏環(huán)縫的位置不宜設(shè)置在塔盤支撐圈附近，在滿足運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)起吊的前提下，可將現(xiàn)場(chǎng)合攏焊縫設(shè)置在填料區(qū)域，如果內(nèi)部有煙囪等內(nèi)件，則分段位置可設(shè)置在煙囪底部支撐附近，內(nèi)部平臺(tái)可借助煙囪底部來搭，省去在內(nèi)部搭臨時(shí)焊接平臺(tái)。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

最后一條環(huán)縫需要在現(xiàn)場(chǎng)立式焊接，焊后需對(duì)焊縫進(jìn)行探傷和熱處理，且設(shè)備需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)采用定位銷進(jìn)行定位，并在4個(gè)方位標(biāo)記出醒目的安裝標(biāo)記線，方便現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量和找正。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)熱處理固定工裝設(shè)計(jì)與計(jì)算

合攏環(huán)縫在現(xiàn)場(chǎng)焊接后需要進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度為575℃。環(huán)縫在熱處理時(shí)，需要同時(shí)承載上段自重和風(fēng)載，為防止熱處理過程中設(shè)備失穩(wěn)，在焊縫兩側(cè)焊接了加固工裝，在筒體圓周上均布8塊工裝板。加固工裝安裝及尺寸示意圖如圖2、3所示。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

假定塔體上段筒體的重量和風(fēng)載都由這8塊支撐板來承載，將8塊支撐板等效為8個(gè)地腳螺栓，參照NB/T 47041-2014中計(jì)算地腳螺栓的方法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算[2]。

上段筒體重量按250t來計(jì)算,得G=250×104N，筒體橫截面積A=1/4π(D2-d2) =677404mm2，則由于重力作用引起的軸向壓縮應(yīng)力σg=G/A=3.69MPa。

圖2 熱處理加固工裝示意圖

圖3 加固工裝尺寸

依據(jù)圖紙數(shù)據(jù)表確定基本風(fēng)壓為400Pa，設(shè)備迎風(fēng)面積按筒體外徑與筒體長(zhǎng)度的乘積計(jì)算值為2.95m2。將設(shè)備受風(fēng)載的情況簡(jiǎn)化為一端固定的懸臂梁受均布載荷q的模型考慮，q=400×2.95=1180N/m。在合攏焊縫處產(chǎn)生的彎矩MW=-q/2×L2=944kN·m(上段塔體的筒體長(zhǎng)度為36.76m，加上封頭后總長(zhǎng)約為37.50m，保守考慮，計(jì)算時(shí)L值取40.00m)。

在合攏焊縫處截面抗彎模數(shù)W=π/32(D4-d4)/D=0.475m3，風(fēng)載下該截面的最大應(yīng)力σw=M/W=1.98MPa。將兩個(gè)壓縮應(yīng)力疊加，則最大的壓縮應(yīng)力σmax=σw+σg=5.67MPa。

支撐板材料采用Q345R，支撐板的尺寸參照?qǐng)D3，常溫下Q345R的許用應(yīng)力 [σ]2=180MPa，彈性模量E為200GPa。

參照NB/T 47041-2014第7.13.2節(jié)計(jì)算出每塊支撐板所需的最小橫截面積A1=σmax×A/(n[σ]cr)=5.67×677404/(8×66.89)=7177.6mm2。實(shí)際每塊支撐板的橫截面積A2=230×40=9200mm2,可以看出A2>A1，即實(shí)際面積大于所需最小面積。

由于工裝支撐缺乏精確的計(jì)算模型，且計(jì)算時(shí)沒考慮設(shè)備的偏心載荷，設(shè)備本體材料在575℃下的許用應(yīng)力值也無法查到。故現(xiàn)場(chǎng)在設(shè)備熱處理期間，為保證施工安全，還需要用導(dǎo)鏈將設(shè)備與周圍框架固定，增加設(shè)備在熱處理過程中的穩(wěn)定性。

3.3 探傷

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫采用100%TOFD+100%UT+100%MT檢測(cè)，確保焊縫及其表面無裂紋、氣孔等缺陷。本次部分焊縫采用TOFD探傷，TOFD不產(chǎn)生輻照且靈敏，對(duì)焊縫質(zhì)量、焊縫表面及其周邊提出了較高的要求。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)制作完成后，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行立式水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)前，首先要確認(rèn)地基是否能夠承受設(shè)備滿水時(shí)的載荷；另外，要考慮設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)水源地問題。試驗(yàn)時(shí)觀察設(shè)備在充水過程中地基的沉降數(shù)據(jù)，以確保試驗(yàn)過程的安全。

4 結(jié)束語

該吸收塔的制造難度大，制作周期長(zhǎng)，不僅需要在工廠制作，還需要在現(xiàn)場(chǎng)施工。為確保最終塔體質(zhì)量，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要按照本文所述方法嚴(yán)格控制，做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

[1] 王生麟.低溫塔設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造分析[J].山東工業(yè)技術(shù),2014,(22):3～4.

[2] NB/T 47041-2014，塔式容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

劉小峰(1981-)，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)及制造工作，liuxf3@shanghai-electric.com。

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0254-6094(2017)04-0452-04

2016-10-26，

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