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        大型塔器的薄壁塔體制造變形的控制

        2018-01-17 03:46:09呂延茂
        化工裝備技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:筒節(jié)塔器塔體

        呂延茂

        (中石化集團(tuán)南京化工機(jī)械有限公司)

        0 引言

        塔器是石油化工、煤化工裝置中重要的壓力容器,隨著化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展,大型塔器的使用日益增加。在大型塔器中,薄壁塔器尤為常見(jiàn)。不同功效的塔器內(nèi)裝有不同用途的內(nèi)件,這是塔器結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)。

        通常,塔體內(nèi)徑D≥3 600 mm的塔器,稱(chēng)為大型塔器;塔體厚度t與塔體內(nèi)徑D之比值t/D≤1%的塔體,稱(chēng)為薄壁塔體。因此,塔體內(nèi)徑D≥3 600 mm,塔體厚度t與塔體內(nèi)徑D之比值t/D≤1%的塔體,稱(chēng)為大型塔器的薄壁塔體,亦稱(chēng)大型薄壁塔體。

        大型薄壁塔體的特點(diǎn)為塔體直徑愈大、壁厚愈薄,塔體抵抗變形的能力愈弱。因此,大型薄壁塔器在制造過(guò)程中更容易產(chǎn)生較大程度的變形。

        過(guò)大的塔體變形,既不符合塔器制造標(biāo)準(zhǔn)的要求,也會(huì)妨礙塔盤(pán)類(lèi)內(nèi)件的順利安裝,甚至?xí)兴w報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

        塔體變形的主要形式如下:

        (1)塔體橫斷面整體性的圓度變形;

        (2)塔體橫斷面局部性的內(nèi)凹變形;

        (3)塔體環(huán)向的束腰變形;

        (4)影響塔體直線(xiàn)度的變形。

        為了確保塔盤(pán)類(lèi)內(nèi)件的順利安裝,建議塔體制造時(shí)有關(guān)尺寸公差按下述要求進(jìn)行控制:

        (1)塔體筒節(jié)的周長(zhǎng)按標(biāo)準(zhǔn)周長(zhǎng)再加10 mm進(jìn)行控制;

        (2)塔盤(pán)類(lèi)部件的外徑按照內(nèi)件標(biāo)準(zhǔn)外徑的最大負(fù)偏差進(jìn)行控制。

        1 圓度變形

        1.1 圓度變形產(chǎn)生原因

        殼體同一斷面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差值e,稱(chēng)為殼體的圓度。殼體存在圓度,亦稱(chēng)殼體存在圓度變形。

        1.1.1 自重變形

        常溫下,臥置狀態(tài)的筒節(jié)在其自重作用下,克服了筒節(jié)的抗彎剛度而形成了彈性變形的圓度,稱(chēng)為自重圓度,也用e表示。

        在常溫狀態(tài)下制造的臥置筒節(jié)其自重圓度近似公式[1]為:

        式中 γ——鋼材的密度,為7.85 g/cm3;

        E——鋼材彈性模量,為2.1×104kg/mm2;

        D——塔體內(nèi)徑,mm;

        t——塔體壁厚,mm。

        因此,由碳鋼、低合金鋼材料卷制的筒節(jié)其自重圓度近似公式為:

        例如:塔體內(nèi)徑D為3 600 mm,塔體壁厚t為30 mm,可計(jì)算得到其自重圓度e約為47 mm。

        依據(jù)自重變形理論和圓度變形公式,大型薄壁筒體臥置于平臺(tái)或者轉(zhuǎn)胎 (滾輪架)上時(shí),在自重的作用下,筒體必定會(huì)發(fā)生類(lèi)似于橢圓形的圓度變形。

        1.1.2 熱變形

        部分大型薄壁塔體在臥置狀態(tài)進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。由于熱處理過(guò)程中材料的屈服強(qiáng)度及彈性模量顯著降低,塔體的抗彎能力顯著減弱,因此在熱應(yīng)力和自重等因素共同作用下,塔體會(huì)產(chǎn)生一定的熱變形。而當(dāng)熱處理結(jié)束、塔體冷卻至常溫后,部分熱變形仍存在,造成了塔體的圓度變形。

        大型薄壁塔體的抗彎剛度較低,且筒節(jié)常采取臥式施工,因此圓度變形是大型薄壁塔體制造時(shí)最易產(chǎn)生的變形形式。

        1.2 預(yù)防措施

        筒體圓度既是控制塔體直線(xiàn)度的基礎(chǔ)因素,也是確保塔盤(pán)等內(nèi)件順利組裝的關(guān)鍵因素。

        (1)單節(jié)薄壁筒節(jié)臥置時(shí),僅僅受到自重的作用。而筒節(jié)相互組焊后,筒節(jié)中還存在環(huán)焊縫拘束應(yīng)力的作用。也就是說(shuō),單節(jié)筒節(jié)比已經(jīng)組焊的分段筒體更容易進(jìn)行圓度的調(diào)整。為此,必須適時(shí)進(jìn)行單節(jié)筒節(jié)圓度的調(diào)整。

        為保證筒節(jié)之間的順利組對(duì),塔內(nèi)側(cè)的支持圈、塔外側(cè)的接管和加強(qiáng)圈等與塔體組焊時(shí),必須先對(duì)薄壁筒體增設(shè)有效工裝。同時(shí)從嚴(yán)控制圓度,建議單節(jié)筒節(jié)圓度≤10 mm。

        經(jīng)過(guò)組對(duì)焊接的塔體應(yīng)滿(mǎn)足圓度要求,其最小內(nèi)徑Dmin必須大于塔盤(pán)類(lèi)內(nèi)件的最大外徑再加上內(nèi)件支持圈與塔體實(shí)際角焊縫寬度的2.5倍。

        (2)通常大型塔器筒節(jié)的節(jié)數(shù)較多,其撐圓工裝應(yīng)能在同一臺(tái)塔體的筒節(jié)之間互換,供其它筒節(jié)撐圓,輪流交替使用。如果每一個(gè)筒節(jié)均一次性地使用一個(gè)工裝,那么所需的工裝數(shù)量較多,工裝的總成本較高。如果一次性裝上工裝的筒節(jié)數(shù)量太少,不但會(huì)耽誤施工的進(jìn)度,而且會(huì)影響組對(duì)筒節(jié)的質(zhì)量。因此,在保證筒節(jié)組裝質(zhì)量的前提下,既要保證施工的進(jìn)度,又要控制工裝的成本。

        通常,工裝數(shù)量與訂貨合同、施工進(jìn)度相關(guān)聯(lián)。建議如下:

        ① 整體出廠(chǎng)的大型塔器,撐圓工裝數(shù)量至少要滿(mǎn)足一半以上的筒節(jié)進(jìn)行一次性調(diào)整筒節(jié)圓度的需要。

        ② 以分段塔體出廠(chǎng)的大型塔器,撐圓工裝的數(shù)量必須多于分段塔體中最多的筒節(jié)數(shù)。

        ③ 撐圓工裝形式以圓環(huán)型撐圓工裝為佳,且撐圓工裝要有足夠的抗彎剛度。

        (3)臥置狀態(tài)的筒體其重力方向應(yīng)與軸線(xiàn)垂直,而豎置狀態(tài)的筒體其重力方向應(yīng)與軸線(xiàn)平行。單節(jié)筒體在豎置狀態(tài)更易校圓,豎置狀態(tài)組對(duì)筒節(jié)時(shí)環(huán)向錯(cuò)邊量更易調(diào)整。

        實(shí)踐表明,單節(jié)筒節(jié)應(yīng)取豎置狀態(tài)進(jìn)行圓度的調(diào)整,分段筒體制造時(shí)筒節(jié)也應(yīng)取豎置狀態(tài)進(jìn)行組對(duì)。這樣可以減少自重的影響,操作較為便利,圓度較易控制。

        (4)薄壁筒體分段出廠(chǎng)時(shí),宜在兩端口的內(nèi)側(cè)或外側(cè)保留工裝。

        (5)需要在臥置狀態(tài)進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的薄壁塔體,其支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)有相應(yīng)的剛度和合理的支撐位置,通常依據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

        圓度合格的塔體以臥置狀態(tài)進(jìn)爐熱處理時(shí),應(yīng)在塔體周向的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)做出標(biāo)記。倘若因缺少熱處理經(jīng)驗(yàn)或偶然失誤,致使圓度合格的塔體在熱處理后圓度變大,難以進(jìn)行塔盤(pán)類(lèi)內(nèi)件的組裝,這時(shí)可把該塔體轉(zhuǎn)動(dòng)90°,即把熱處理前塔體環(huán)向的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)轉(zhuǎn)到水平位置,再進(jìn)行一次相同工藝的熱處理,就能夠基本恢復(fù)塔體的圓度,滿(mǎn)足塔盤(pán)類(lèi)內(nèi)件的組裝。

        2 內(nèi)凹變形

        2.1 產(chǎn)生原因

        (1)較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在進(jìn)行起吊移位、重新擺放時(shí),若移動(dòng)下降的速度較快,則在筒體接觸轉(zhuǎn)胎 (或支承件)的瞬間,筒體的支承處較易產(chǎn)生沖擊性的內(nèi)凹變形。

        (2)較長(zhǎng)的大型薄壁塔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí),若支承結(jié)構(gòu)或支承位置不合理,支承處的筒體單位面積承受過(guò)大的壓力,就可能發(fā)生內(nèi)凹變形。

        2.2 預(yù)防措施

        (1)較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在進(jìn)行吊移時(shí),下降的速度必須盡量緩慢,使之輕放在轉(zhuǎn)胎 (或支承件)上。

        (2)較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在吊移前,應(yīng)在合適的位置增加墊板保護(hù)圈,以預(yù)防筒體內(nèi)凹變形。

        (3)大型薄壁塔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí),應(yīng)選用合適的支承結(jié)構(gòu)和合理的支承位置。

        3 束腰變形

        環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形、環(huán)向內(nèi)凹焊接角變形等環(huán)向內(nèi)凹變形,統(tǒng)稱(chēng)為束腰變形,亦稱(chēng) “O”形收縮。

        3.1 產(chǎn)生原因

        (1)在環(huán)縫的施焊過(guò)程中,較重的薄壁塔體與轉(zhuǎn)胎支承相接觸的部位,受轉(zhuǎn)胎的反作用力較大。若轉(zhuǎn)胎的反作用力大于塔體材料的屈服強(qiáng)度,則隨著塔體轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)增加,塔體上會(huì)產(chǎn)生碾壓痕跡,且由較淺到較深,嚴(yán)重時(shí)塔體會(huì)發(fā)生整圈的環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形。薄壁塔體轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)越多,其產(chǎn)生整圈的環(huán)向內(nèi)凹變形越顯著。

        (2)環(huán)向的焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的殘余變形也是造成塔體周長(zhǎng)縮短的一個(gè)因素,即環(huán)向焊接殘余應(yīng)力也會(huì)促使筒體發(fā)生整體性環(huán)向內(nèi)凹變形。

        當(dāng)筒體環(huán)縫坡口的型式不合適、焊接工藝欠合理時(shí),有可能產(chǎn)生相當(dāng)大的環(huán)向內(nèi)凹焊接角變形。筒壁越薄、直徑越大,環(huán)向內(nèi)凹變形產(chǎn)生的可能性越大。

        3.2 預(yù)防措施

        (1)當(dāng)組焊的薄壁塔體較重時(shí),應(yīng)在筒體上與轉(zhuǎn)胎接觸的部位增加整圈的墊板保護(hù)圈,從而防止產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形。

        (2)當(dāng)筒壁較薄時(shí),環(huán)縫宜采用內(nèi)坡口,且應(yīng)控制焊接線(xiàn)能量。

        從預(yù)防變形考慮,設(shè)計(jì)單位、用戶(hù)和安裝單位應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

        (1)為預(yù)防大型薄壁塔體在水壓試驗(yàn)時(shí)因自重增加而導(dǎo)致支承處產(chǎn)生內(nèi)凹變形,可采用氣壓試驗(yàn)。設(shè)計(jì)壓力低于1 MPa的大直徑薄壁塔器,盡可能采用A、B類(lèi)焊接接頭并進(jìn)行100%射線(xiàn)探傷。

        (2)為預(yù)防大型薄壁塔體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形,塔體外側(cè)增加的整圈墊板保護(hù)圈應(yīng)隨同塔體一同出廠(chǎng),后續(xù)工作由安裝單位進(jìn)行完善。

        4 塔體直線(xiàn)度

        4.1 產(chǎn)生原因

        (1)單節(jié)筒節(jié)的端面與軸線(xiàn)的垂直度偏差較大。

        (2)筒節(jié)圓度較大。

        (3)分段塔體的環(huán)縫焊接后,各個(gè)方位軸向收縮的不均勻性造成分段塔體的兩個(gè)端面與軸線(xiàn)的垂直度偏差較大。

        4.2 預(yù)防措施

        (1)從嚴(yán)控制垂直度和圓度

        按筒節(jié)端面的垂直度≤1 mm和圓度e≤10 mm進(jìn)行控制。

        (2)降低環(huán)縫焊接軸向收縮的不均勻性

        ① 筒節(jié)環(huán)縫坡口型式以?xún)?nèi)坡口為主,鈍邊為2 mm。

        ② 環(huán)向組對(duì)時(shí)原則上為無(wú)間隙組焊。方法為按等分法進(jìn)行組對(duì),并控制定位焊的長(zhǎng)度、間距。

        ③ 提高里口封底焊的質(zhì)量,減小外口清焊根的深度。精心操作,提高焊縫拍片合格率。

        ④ 記錄塔體最大直線(xiàn)度的方位、最大凹 (凸)值及其位置。

        (3)分段塔體

        塔體方位線(xiàn)和基準(zhǔn)圓的標(biāo)記必須清晰。必須從嚴(yán)控制筒體端面垂直度,必要時(shí)可進(jìn)行分段塔體端面的修理。

        分段塔體長(zhǎng)度約為20 m時(shí),與下封頭相連的第一節(jié)筒體在距下端口100 mm處劃出整圈的環(huán)線(xiàn),即為環(huán)向第一基準(zhǔn)線(xiàn),亦稱(chēng)基準(zhǔn)圓。各個(gè)分段塔體在距下端口100 mm處也劃出整圈的環(huán)線(xiàn),作為輔助基準(zhǔn)線(xiàn)。四個(gè)基本方位的單側(cè)端口處至環(huán)向基準(zhǔn)線(xiàn)的長(zhǎng)度差值≤3 mm,且須從嚴(yán)控制。

        分段塔體按直線(xiàn)度≤15 mm進(jìn)行控制。若大型塔器為分段塔體出廠(chǎng),那么分段塔體之間必須進(jìn)行預(yù)組裝,其塔體的直線(xiàn)度達(dá)到要求后方可出廠(chǎng)。

        (4)塔器安裝

        塔盤(pán)支持圈的間距和水平度是影響塔器功效的關(guān)鍵因素。塔盤(pán)類(lèi)塔器在制造時(shí),塔盤(pán)支持圈的水平度與塔體的直線(xiàn)度相關(guān)聯(lián)。塔體的直徑越大,塔體安裝的垂直度對(duì)塔盤(pán)支持圈的水平度影響越大。因此,控制塔器安裝垂直度方位與制造直線(xiàn)度方位的同一性,有利于保證塔盤(pán)支持圈的水平度。筆者建議:① 制造單位應(yīng)把塔器最大直線(xiàn)度及其方位作為單項(xiàng)資料以書(shū)面形式隨同塔器實(shí)物一同交給用戶(hù),用戶(hù)應(yīng)把塔器直線(xiàn)度的資料及時(shí)轉(zhuǎn)交給安裝單位。② 安裝單位應(yīng)參照制造廠(chǎng)提供的塔器最大直線(xiàn)度及其方位等資料,進(jìn)行塔器的安裝及其垂直度的調(diào)整。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        (1)大型薄壁塔體的特點(diǎn)是塔體抵抗變形的能力弱,即在塔器的制造過(guò)程中容易產(chǎn)生較大程度的變形。為此,在大型薄壁塔體的制造過(guò)程中,必須集思廣益,采取有效的工裝和合理的工藝。

        (2)圓度變形是薄壁塔體最容易產(chǎn)生、最常見(jiàn)的制造變形。大型塔體的自重圓度越大,調(diào)整圓度的工裝剛度也應(yīng)越大。因此,根據(jù)塔體的設(shè)計(jì)參數(shù)和自重圓度計(jì)算公式,可以確定筒節(jié)制造時(shí)可能產(chǎn)生的自重圓度變形,同時(shí)還可以估算大型薄壁塔器工裝的成本費(fèi)用,及時(shí)準(zhǔn)備相應(yīng)的工裝材料,有利于保證大型薄壁塔器的制造和安裝質(zhì)量。

        (3)參照文中相關(guān)預(yù)防制造變形的措施,可以有效控制大型薄壁塔體的變形程度,有利于塔器內(nèi)件的順利安裝,提高大型薄壁塔器的制造質(zhì)量。

        [1] 呂延茂.薄壁筒體臥置狀態(tài)圓度的測(cè)量和計(jì)算 [J].壓力容器,2004,21(8):16-21.

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