（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

文丘里結(jié)構(gòu)是根據(jù)流體力學(xué)原理測量流體壓差的一種裝置，結(jié)構(gòu)典型，先收縮而后逐漸擴(kuò)大的管道，測出其入口截面和最小截面的壓力差，算出流量，使用廣泛。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①流體產(chǎn)生的作用力小。②壓差大，精度高，測量范圍寬。③穩(wěn)定性好，有平滑的壓差特性。④使用范圍廣，一般氣體、煙氣含雜質(zhì)較多的高爐煤氣等長期使用不發(fā)生堵塞現(xiàn)象。⑤安裝方便，能長期維護(hù)。這種結(jié)構(gòu)主要用煤化工、航空、石油化工、冶金、電力等行業(yè)高中壓、大管徑、低流速等各類氣體、流體的系統(tǒng)控制與精確計(jì)量。

公司制造的540 t/a 煤煉油項(xiàng)目煤氣化裝置設(shè)備（文丘里洗滌塔），為系統(tǒng)氣化及洗滌關(guān)鍵設(shè)備，采用典型文丘里設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。設(shè)備是Ⅱ類中壓容器，總長度9 200 mm，高度2 100 mm，最大外徑φ1 176 mm×（34+6）mm，最小外徑φ762 mm×（44+6）mm，主要由灰水接頭組件、彎頭組件、筒體組件等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，技術(shù)特征如表1所示。主體材料為14Cr1MoR，工作介質(zhì)為中毒危害的水煤氣、黑水。由于工況條件要求，內(nèi)壁堆焊6 mm 不銹鋼耐腐蝕性材料。設(shè)備外表面用厚度130 mm 的耐高溫玻璃棉進(jìn)行保溫。數(shù)量6 臺(tái)。設(shè)備采用強(qiáng)制性密封結(jié)構(gòu)，密封形式使用八角槽+金屬環(huán)墊。設(shè)備主要功能是完成水煤氣和黑水在設(shè)備內(nèi)混合凈化、排放處理。

由于材料、結(jié)構(gòu)和工況條件限制，以往同類設(shè)備制造和使用過程中常常出現(xiàn)裂紋、微泄漏、局部腐蝕等制造質(zhì)量缺陷，從而影響設(shè)備使用的可靠性和安全性。本次根據(jù)同類材料、制造工藝要求和同類設(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)，對關(guān)鍵部件90°彎頭成型工藝改進(jìn)優(yōu)化，焊接、堆焊過程確定合理、規(guī)范的工藝技術(shù)參數(shù)，解決了設(shè)備制造的難點(diǎn)，提前順利完成了設(shè)備的制造任務(wù)。

1 材料

文丘里洗滌塔設(shè)備材料為板-鍛結(jié)構(gòu)，主體殼體材料14Cr1MoR，規(guī)格34、44 mm，正火+回火狀態(tài)供貨，除按照GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求進(jìn)行驗(yàn)收和復(fù)驗(yàn)外，還應(yīng)符合專用材料技術(shù)條件對夾雜物、晶粒度、高溫拉伸試驗(yàn)以及無損檢測等的要求。法蘭材料為14Cr1Mo Ⅳ鍛件，符合NB/T 47008—2017 中Ⅳ鍛件的要求。材料按照技術(shù)要求進(jìn)行復(fù)驗(yàn)合格后用于設(shè)備的制造[1]。

2 工藝

2.1 彎頭成型

90°彎頭是設(shè)備關(guān)鍵零件，直接連接工藝氣體進(jìn)口、出口法蘭，影響到設(shè)備法蘭焊接和整體外型公差尺寸要求，所以必須嚴(yán)格控制加工質(zhì)量。由于彎頭外徑φ762 mm×44 mm，彎曲半徑R1143 mm 較大，以往對大直徑板卷管采用前、后兩瓣對接成型的方法，制造模具需內(nèi)、外半圓2 種規(guī)格彎曲半徑模具，這種成型工藝雖然節(jié)省原材料，但制造過程復(fù)雜，效率低，適合單件成型工件加工制造。根據(jù)同類材料大直徑管材的制造經(jīng)驗(yàn)對成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，工藝上采用上、下兩瓣中溫成型后對接的工藝方式，單套模具即可完成上、下半圓管結(jié)構(gòu)成型操作，成型質(zhì)量穩(wěn)定可靠。更重要的是制造后續(xù)工序焊接、無損檢測操作方便，成型模具可重復(fù)使用，適合批量工件的生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 文丘里洗滌塔結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of methanol synthesizer

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of equipment

圖2 彎頭成型結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of methanol synthesizer

經(jīng)實(shí)踐，改進(jìn)后的成型工藝方法加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，加工效率顯著提高，充分利用了原材料，極大縮短了設(shè)備加工周期，節(jié)省了制造費(fèi)用[2]。具體工步操作如下：

（1）放樣在長度方向留工藝余量100 mm 下展開料，刨縱縫坡口，坡口表面進(jìn)行100% MT 檢測，符合NB/T 47013—2015 I 級合格。

（2）采用專用壓型胎具中溫上、下單瓣成型，成型溫度控制480℃以下。組對、焊接成型，焊縫清根表面100% MT 檢測，并進(jìn)行100% UT 按NB/T 47013—2015 I 級合格。嚴(yán)格控制錯(cuò)變量±1 mm。焊前預(yù)熱溫度150～200℃，層間溫度150～250℃，焊后立即消氫處理，履帶加熱，加熱溫度325±25℃、保溫時(shí)間120 min，空冷。RT 合格后焊縫內(nèi)表面打磨光滑。檢測合格后中間消應(yīng)力處理，每條縱縫放置2 個(gè)熱電偶與其接觸；采用電爐加熱，加熱溫度（630±15）℃、保溫時(shí)間40 min，空冷。出爐后立即熱校圓，用樣板進(jìn)行檢側(cè)，控制圓度公差在±1 mm。焊縫進(jìn)行100% RT、UT 檢測。

（3）考慮到工件壁厚、彎曲半徑較大，采用熱壓成型進(jìn)行正火+回火恢復(fù)性能熱處理。機(jī)加去除接管多余工藝余量并加工兩端坡口，保證兩端面垂直度±0.5 mm。

2.2 焊接

母材14Cr1MoR 屬于低合金珠光體耐熱鋼，材料本身碳當(dāng)量較高，有一定的淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋、氫致裂紋和再熱裂紋以及回火脆性等問題。坡口宜采用機(jī)械加工，避免淬硬層。為避免Cr-Mo 鋼400～700℃的回火脆化敏感區(qū)，根據(jù)材料特性和焊接工藝評定證實(shí)，焊前預(yù)熱、焊后消氫能降低焊縫冷卻速度，消除焊接接頭的高溫抗蠕變強(qiáng)度和組織的穩(wěn)定性，降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度，有效防止冷裂紋、再生裂紋及回脆性等缺陷產(chǎn)生。焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后消氫的溫度必須嚴(yán)格控制，焊接坡口及兩側(cè)100 mm 范圍內(nèi)的母材溫度始終不低于預(yù)熱溫度，基層預(yù)熱溫度150～200℃，層間溫度150～250℃，堆焊層層間溫度≤100℃。

基材規(guī)格44 mm 較厚，選用“U”坡口，選用小的熱輸入和較低的焊接速度，提高焊接接頭的冷卻速度，利于細(xì)化接頭各區(qū)的晶粒，改善顯微組織提高沖擊韌性。焊接過程應(yīng)連續(xù)施焊，保證層間溫度與預(yù)熱溫度，如中途中斷焊接，應(yīng)有保溫和緩冷措施。

焊材選含碳量≤0.12%低氫型焊接材料，其熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量不高于4.0 mL/100g，以提高接頭的抗熱裂和冷裂能力以及韌性，結(jié)構(gòu)如圖3所示，焊材、焊接技術(shù)參數(shù)如表2所示。

具體焊接工步如下：

（1）清理干凈每側(cè)坡口表面及附近50 mm 范圍內(nèi)域油、銹、積渣及其他有害等雜物；

（2）鎢極氬弧焊點(diǎn)固并施焊序1；

（3）焊條電弧焊施焊序2，3，并立即進(jìn)行消氫處理；

（4）消氫處理合格并打磨內(nèi)表面焊縫后，分別焊接過渡層及耐蝕層序4、5；

（5）注意層間清渣及焊后表面飛濺的清理[3]。

圖3 彎頭與短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Welding technical parameters

表2 焊接技術(shù)參數(shù)Tab.4 Welding technical parameters

2.3 堆焊

按照設(shè)備工況和制造要求，內(nèi)表面堆焊6 mm 不銹鋼耐腐蝕層。采用單件堆焊組對成型的工藝焊接方法。由于設(shè)備數(shù)量多，堆焊面積較大，為提高堆焊質(zhì)量和效率，采用帶極埋弧堆焊，熔深較淺，稀釋率較低，并且焊道表面平整，易實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)化，以改變以往堆焊效率低下、質(zhì)量不穩(wěn)定且操作過程中弧光對人員的傷害等問題。

分兩層堆焊：過渡層焊帶材料E309L、面層焊帶材料E316L。預(yù)熱溫度≥100℃，層間溫度≤100℃，結(jié)構(gòu)如圖4所示，堆焊技術(shù)參數(shù)如表3所示。

為獲得理想的堆焊層厚度、較低的稀釋率和較好的堆焊表面質(zhì)量，采用小熱輸入、低焊接速度的要求，具體焊接工步如下：

圖4 堆焊結(jié)構(gòu)Tab.4 Welding technical parameters

（1）清理干凈待堆焊區(qū)域油、銹、積渣及其他有害雜物等，對待堆焊基層表面進(jìn)行磁粉檢測，不得有任何裂紋等缺陷存在。合格后進(jìn)行堆焊焊接。

（2）堆焊過渡層序1，過渡層厚度2.7～3 mm，并進(jìn)行100% PT 檢測。檢測完畢后用棉紗沾丙酮清除檢測留下的污物，待揮發(fā)后用干凈棉紗擦拭過渡 層。

（3）堆焊耐蝕層序2，堆焊層厚度≥3 mm，堆焊層總厚度保證6 mm。

（4）注意層間及焊后焊縫表面渣及飛濺物的清理。堆焊后進(jìn)行目視檢查，堆焊表面平整，相鄰焊道之間的凹陷不得大于0.5 mm。焊道接頭的平面度不得大于0.5 mm，不得有氣孔、夾渣、凹坑及未熔合等缺陷。堆焊后表面進(jìn)行100% PT 檢測、100% UT檢測，保證堆焊質(zhì)量穩(wěn)定可靠，堆焊厚度符合設(shè)計(jì)圖紙要求。同時(shí)，測定堆焊層的鐵素體含量，檢測方法以磁性法為主、賽弗勒圖核查作為參考，要求δ鐵素體含量在4%～9%。

表3 堆焊技術(shù)參數(shù)Tab.3 Welding technical parameters

3 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)備材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況條件要求，參考了同類設(shè)備制造加工經(jīng)驗(yàn)，通過各項(xiàng)工藝試驗(yàn)和焊接工藝評定要求，將關(guān)鍵零部件成型的改進(jìn)，焊接、堆焊結(jié)構(gòu)規(guī)范、合理的工藝性技術(shù)參數(shù)，應(yīng)用于設(shè)備的制造過程中，使6 臺(tái)設(shè)備加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，加工效率顯著提高。設(shè)備后續(xù)各項(xiàng)試驗(yàn)檢查和水壓試驗(yàn)均一次性合格。根據(jù)設(shè)備加工特點(diǎn)和制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，先后完成14Cr1MoR 等Cr-Mo 鋼材料為主的高壓混合管、燒嘴冷卻水冷器、碳過濾器、預(yù)反應(yīng)器等多臺(tái)設(shè)備的制造加工。

設(shè)備投入使用至今運(yùn)行已5年多，運(yùn)行穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，未出現(xiàn)任何質(zhì)量、安全事故。實(shí)踐證明，設(shè)備制造過程中的成型改進(jìn)和焊接、堆焊各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)符合要求規(guī)范，為后續(xù)煤化工大型設(shè)備的制造加工積累了成熟經(jīng)驗(yàn)。