馬冬和 王鳳云 潘 靜 張 濤 王志剛 厚喜榮

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.蘭州蘭石重工有限公司）

費(fèi)托合成反應(yīng)器由固定床反應(yīng)器發(fā)展到循環(huán)流化床、固定流化床和漿態(tài)床反應(yīng)器。 循環(huán)流化床反應(yīng)器難以控制流化過程，催化劑磨損嚴(yán)重而且利用率低； 固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是易堵塞、生產(chǎn)能力低等，相比循環(huán)流化床反應(yīng)器，固定流化床反應(yīng)器不僅結(jié)構(gòu)簡單容易操作、也解決了催化劑利用率低和易磨損的問題， 提高了生產(chǎn)能力。 近幾年，漿態(tài)床費(fèi)托合成技術(shù)得到大力發(fā)展，漿態(tài)床反應(yīng)器是一個(gè)氣液固三相反應(yīng)器［1］，反應(yīng)器內(nèi)有氣相、固相、液相，相比循環(huán)流化床、固定流化床反應(yīng)器，其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)低溫費(fèi)托合成反應(yīng)、反應(yīng)熱易移出、反應(yīng)溫度均勻及生產(chǎn)能力大等。

筆者介紹了大型漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器的關(guān)鍵制造技術(shù)，提出費(fèi)托合成反應(yīng)器現(xiàn)場制造過程中的難點(diǎn)，希望可對(duì)同類設(shè)備的制造起到參考作用， 提高我國石化裝備制造業(yè)的現(xiàn)場制造能力，推進(jìn)我國煤化工核心裝備國產(chǎn)化的進(jìn)程。

1 設(shè)備介紹

漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器采用自支承塔式容器結(jié)構(gòu)，設(shè)備內(nèi)徑9 600mm，壁厚130mm，高度約61 380mm，設(shè)備重量（不包括內(nèi)件）約2 200t，設(shè)計(jì)壓力3.5MPa，設(shè)計(jì)溫度300℃，工作介質(zhì)為液體石蠟、H2、CO、CO2，是目前國內(nèi)直徑最大、設(shè)備重量最重的板焊式反應(yīng)器， 殼體材料為SA387Gr11Cl2，附件材料為S32168。 本設(shè)備殼體材料焊接接頭易產(chǎn)生延遲裂紋，焊接過程應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝要求執(zhí)行，焊前進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度主要依據(jù)鋼的碳當(dāng)量、接頭的拘束度和焊縫金屬的氫含量來確定［2］。焊后及時(shí)后熱或消氫處理?，F(xiàn)場制造過程中筒體的防變形、起吊、環(huán)縫的焊接及預(yù)熱后熱等都需要設(shè)計(jì)專門的工裝，部分工裝還可以做成通用模塊，以節(jié)約工裝用材料的費(fèi)用。

2 主要制造難點(diǎn)控制

2.1 大型球形封頭的制造

漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器采用半球形封頭，規(guī)格為SR4 820mm，壁厚92mm，整體成型困難，需采用瓜瓣式結(jié)構(gòu)（圖1），由1 塊極中板、2 塊極邊板和12 塊溫帶板組成［3］，經(jīng)油壓機(jī)壓制成型、氣割坡口和演裝合格、編號(hào)后再運(yùn)至現(xiàn)場廠房內(nèi)進(jìn)行組焊工作。

圖1 費(fèi)托反應(yīng)器封頭分瓣示意圖

半球形封頭的制造與球形儲(chǔ)罐的類似，但是質(zhì)量控制要更嚴(yán)格，主要從以下幾個(gè)方面控制：

a. 封頭瓣片冷壓制成型，成型后采用專用樣板和卷尺測量曲面精度、對(duì)角線弦長及弧長等尺寸，嚴(yán)格控制封頭瓣片對(duì)角線弦長偏差±3mm，弧長偏差±2.5mm；

b. 為保證球形封頭的組裝精度，封頭瓣片周邊余量和坡口采用曲面數(shù)控切割機(jī)器人進(jìn)行輪廓?dú)飧?，此設(shè)備采用機(jī)器人六軸聯(lián)動(dòng)方式，移動(dòng)速度無級(jí)調(diào)速，具有智能視覺跟蹤系統(tǒng)，可自動(dòng)跟蹤鋼板上已經(jīng)劃好的切割軌跡線， 完成余量和坡口的自動(dòng)切割，無需人工鋪設(shè)軌道，成型精度高；

c. 焊接質(zhì)量控制，球形封頭在整體演裝合格后，按照先縱縫后環(huán)縫、先外側(cè)后內(nèi)側(cè)、先焊接拱頂?shù)钠纯p，再焊接瓜瓣的拼縫，最后焊接拱頂與瓜瓣的環(huán)向?qū)雍缚p的焊接順序施焊，設(shè)備封頭的焊縫坡口形式如圖2 所示。

圖2 設(shè)備封頭焊縫坡口形式示意圖

焊接采用立焊和橫焊焊條電弧焊，焊縫焊接前進(jìn)行預(yù)熱，采用較小的線能量輸入。 控制焊接層間溫度，縱向瓜瓣焊接時(shí)4 人或8 人同時(shí)對(duì)稱施焊，從而盡量減小焊接接頭的變形量，并且焊后立即按照焊接工藝對(duì)每條焊縫進(jìn)行消氫處理（保溫溫度為300～350℃，保溫時(shí)間3h）［4］。

2.2 筒體成型

漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器筒體直徑為9 600mm，材料為SA387Gr11Cl2 鋼板， 筒體長47 500mm，板厚132mm，共分為24 個(gè)筒節(jié)，單節(jié)（最長節(jié)為2 600mm）重量為81 105kg。 由于我國現(xiàn)階段煤化工項(xiàng)目主要建在新疆、內(nèi)蒙古、陜西及山西等內(nèi)陸地區(qū)，因此設(shè)備只能采取陸路運(yùn)輸，但受運(yùn)輸能力的限制，筒節(jié)采用陸路運(yùn)輸非常困難，而且對(duì)于這種大型筒節(jié)，整體卷制、校圓困難，綜合考慮成本因素，采用經(jīng)濟(jì)高效的“移動(dòng)工廠”制造模式，在現(xiàn)場配制卷板機(jī)、油壓機(jī)等設(shè)備，可節(jié)約運(yùn)輸成本。 每節(jié)筒體分3 瓣在用戶現(xiàn)場先采用油壓機(jī)對(duì)兩端進(jìn)行壓頭，然后在現(xiàn)場卷板機(jī)上冷態(tài)卷制成型， 尺寸檢查合格后3 瓣筒體采用立式組焊，焊接后單節(jié)筒體3 條縱焊縫采用內(nèi)外布置電加熱帶加熱的方法進(jìn)行中間退火熱處理。 配備的卷板機(jī)、油壓機(jī)等設(shè)備還可為現(xiàn)場其他超限設(shè)備的制造服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源共享，可有效降低項(xiàng)目建設(shè)的綜合成本。

2.3 筒體環(huán)縫組焊

受現(xiàn)場焊接設(shè)備能力的限制，大型超限設(shè)備環(huán)焊縫由于高度高，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，手工焊接效率低，焊縫質(zhì)量不能保證。 因此，設(shè)計(jì)了一種集成式大型設(shè)備環(huán)縫焊接操作平臺(tái)（圖3），將自動(dòng)焊接設(shè)備、高空防護(hù)、戶外惡劣環(huán)境施工防護(hù)功能集成在一起，解決了大直徑厚壁容器環(huán)縫現(xiàn)場焊接的難題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化焊接，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和焊接效率； 為防止焊接接頭產(chǎn)生延遲裂紋，采用環(huán)形加熱工裝充分燃燒天然氣，對(duì)環(huán)縫進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150～200℃，焊接完成后立即進(jìn)行消氫處理，以加快焊縫和熱影響區(qū)中氫的逸出，降低冷裂紋產(chǎn)生的可能性，消氫處理溫度300～350℃，保溫6h［5，6］。 焊接操作平臺(tái)操作簡便，可有效保護(hù)現(xiàn)場施焊人員的安全；改善現(xiàn)場勞動(dòng)條件，可在風(fēng)、雨、雪、寒冷及酷暑等極端天氣環(huán)境中的作業(yè)。

圖3 大型設(shè)備環(huán)縫焊接操作平臺(tái)

2.4 筒體削邊

費(fèi)托合成反應(yīng)器球形封頭和筒體對(duì)接部位為不等厚結(jié)構(gòu)，為保證對(duì)接部位焊接質(zhì)量并減小焊接應(yīng)力，筒體端部需削邊長度439mm。 對(duì)于削邊長度小的筒體可在卷板前利用刨邊機(jī)加工，本設(shè)備削邊長度超過了刨邊機(jī)的加工范圍，不可能在現(xiàn)場大型立車加工。 制造單位創(chuàng)造性地提出利用半自動(dòng)氣割設(shè)備配合滾輪胎，按待加工筒體切削尺寸和角度要求， 調(diào)整切割機(jī)火嘴的角度，利用滾輪胎上轉(zhuǎn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)了大長度削邊筒體的加工，針對(duì)火焰切割的坡口，預(yù)留3mm 打磨量，打磨掉火焰切割后產(chǎn)生的淬硬層［7］。 此方法極大地縮短了生產(chǎn)周期、提高了生產(chǎn)率、節(jié)約了制造成本、改善了現(xiàn)場加工的難度，為現(xiàn)場制造的大型設(shè)備筒體削邊提供了新的解決方法。

2.5 分段設(shè)備的組裝

設(shè)備共分為7 段（圖4），上封頭+第24 節(jié)筒體段、第1 節(jié)筒體段+下封頭+裙座、中間筒體五大段，組裝分段設(shè)備所有需要最終熱處理前焊接的附件。 段與段組對(duì)后筒體端口加米字形防變形支撐，利用大型設(shè)備環(huán)縫焊接操作平臺(tái)進(jìn)行窄間隙埋弧自動(dòng)焊焊接，保證焊接質(zhì)量。

圖4 漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器制造分段簡圖

本設(shè)備筒體上接管數(shù)量多（約200 個(gè)），位置集中，其中有兩圈筒上周圈均布48 個(gè)接管，應(yīng)力非常集中。 為保證接管與筒體的焊接質(zhì)量和減少焊接變形，接管外側(cè)采用馬鞍型埋弧自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，內(nèi)側(cè)采用手工焊接，焊前預(yù)熱、焊后后熱采用專門設(shè)計(jì)的圓形接管焊縫加熱工裝，對(duì)筒體上大開孔接管和接管集中部分的筒體進(jìn)行爐內(nèi)中間熱處理，充分釋放焊接應(yīng)力。

分段設(shè)備臥式組裝后熱處理有臥式和立式兩種熱處理方式，采用臥式熱處理好處是減少了分段設(shè)備的翻轉(zhuǎn)，但是變形不易控制。 筒體中間部分采用臥式熱處理， 出爐后筒體橢圓度超差20mm，不滿足圖紙要求，經(jīng)過修復(fù)后后序所有部段的最終熱處理均采用立式組裝式熱處理爐進(jìn)行，出爐后筒體橢圓度滿足圖紙要求。 熱處理爐的搭設(shè)地點(diǎn)應(yīng)考慮放置在現(xiàn)場門式起重機(jī)操作范圍內(nèi)，以減少轉(zhuǎn)運(yùn)和吊裝成本。

組裝式熱處理爐為模塊化快裝型結(jié)構(gòu)，適用于現(xiàn)場制造的規(guī)格尺寸或重量超限無法使用固定式熱處理爐進(jìn)行處理，或雖可完成熱處理但卻不能進(jìn)行運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，模塊化快裝式熱處理爐適應(yīng)尺寸范圍廣泛，裝配搬遷便捷，不受使用地域的限制，熱處理質(zhì)量穩(wěn)定、控制可靠且效果理想。

2.6 無損檢測

設(shè)備筒體和封頭上縱、環(huán)焊縫圖紙要求采用100%RT+100%UT+100%MT 檢測。 實(shí)際現(xiàn)場用TOFD 檢測代替RT 檢測，TOFD 法克服了常規(guī)超聲波探傷的某些固有缺點(diǎn)，缺陷的檢測和定量不受聲束角度、探測方向、缺陷表面粗糙度、試件表面狀態(tài)及探頭壓力等因素的影響［8］，可較為準(zhǔn)確地判讀埋藏缺陷的深度、 長度及自身高度等尺寸，對(duì)裂紋類面狀缺陷相當(dāng)敏感，使用成本低，不需要特殊防護(hù)，而射線檢測對(duì)危害性較大的裂紋類缺陷不敏感，對(duì)于大厚度板鋼板射線檢測出裂紋的概率很低。 因此制定了嚴(yán)格的無損檢測工藝，通過合理選取探頭、試塊，合理設(shè)置時(shí)間窗口、掃查靈敏度、掃查增量及信號(hào)平均處理次數(shù)等工藝參數(shù)，保證了焊縫缺陷的檢出率。

2.7 底部封頭氣體分布板焊接變形的控制

下封頭部位氣體分布板， 直徑9 500mm，厚度80mm，不能整體運(yùn)輸，需要分3 塊在廠內(nèi)加工坡口，螺栓連接孔鉆孔后在現(xiàn)場組焊，組焊后平面度要求不大于5mm，分布板平面度直接影響到工藝合成氣的分布和反應(yīng)效率，因此必須嚴(yán)格控制焊接變形：拼接坡口采用對(duì)稱雙U 形，減小坡口寬度，通過控制焊接規(guī)范，采用多層多道焊，以減少焊接時(shí)的熱輸入量，焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度；制定合適的焊接順序，多人對(duì)稱焊接，分段退步焊接， 焊接過程中隨時(shí)測量支撐板平面度，若變形超差則采取反面施焊恢復(fù)變形量。

2.8 設(shè)備總裝

本設(shè)備共分上、下兩大段制造組裝，上段為上封頭加一節(jié)筒體，其余筒體和裙座為下段。 上段和下段各分段（圖4 所示位置）分別在熱處理爐內(nèi)立式進(jìn)行最終熱處理。 下段各分段在現(xiàn)場大件廠房內(nèi)臥式組裝，各分段之間環(huán)焊縫的最終熱處理由于受到長度的限制， 只能采用內(nèi)外布置電加熱帶加熱的方法進(jìn)行，電加熱帶加熱寬度、保溫寬度應(yīng)符合GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》的相關(guān)規(guī)定（圖5）［9］。 為保證熱處理效果，電加熱帶加熱范圍內(nèi)的均溫帶應(yīng)覆蓋整個(gè)焊接接頭和相鄰母材，均溫帶范圍內(nèi)任意一處溫度不得比規(guī)定的溫度低，絕熱帶要保證熱效率，不能產(chǎn)生不利的溫度梯度。

圖5 局部焊后熱處理示意圖

設(shè)備下段在裝置現(xiàn)場采用液壓提升裝置（2 600t/71.66m） 主吊、1 000t 級(jí)履帶式起重機(jī)（XGC15000 型）溜尾的方法進(jìn)行吊裝就位［10］，下段就位完成后，緊接著完成費(fèi)托合成反應(yīng)器內(nèi)件的安裝工作，下段整體驗(yàn)收合格后，吊裝上段，進(jìn)行上、下兩段總裝焊縫的空中立式組焊，采用焊條電弧焊橫焊焊接，多人對(duì)稱同時(shí)施焊，空中組焊位置做好防風(fēng)措施， 焊前預(yù)熱溫度為150～200℃，嚴(yán)格控制層間溫度，焊接順序?yàn)橄群竷?nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)焊接一半后，外側(cè)清根并打磨干凈，焊完外側(cè)（期間保持預(yù)熱），最后焊完內(nèi)側(cè)并立即進(jìn)行消氫處理（保溫溫度300～350℃，保溫時(shí)間3～4h）。無損檢測合格后采用內(nèi)外布置電加熱帶加熱的方法進(jìn)行總裝縫的最終熱處理，最后進(jìn)行立式水壓試驗(yàn)、探傷等工作。

3 結(jié)束語

通過對(duì)大型漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器的研制，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司掌握了大型厚壁球形封頭的成型技術(shù)、大直徑筒體環(huán)縫的自動(dòng)焊接技術(shù)、超大設(shè)備現(xiàn)場熱處理技術(shù)及TOFD 無損檢測技術(shù)等核心制造技術(shù)，制造過程中開發(fā)設(shè)計(jì)的大量工裝模具，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，為設(shè)備運(yùn)行提供了安全保障。 隨著各類化工裝置規(guī)模更加大型化，大型漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器的研制成功可為類似大型設(shè)備的制造、無損檢測提供借鑒。