張子平，祁新飛(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

精對苯二甲酸，英文名簡稱為PTA，是聚酯生產(chǎn)鏈的重要組成部分，是我國重要的化工原料。PTA可用于生產(chǎn)聚酯、合成纖維和增塑劑等。作為紡織化纖和石油化工兩大行業(yè)的重要中間體，PTA起著重要的承上啟下作用[1]。

21世紀(jì)以來，隨著下游聚酯滌綸產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國PTA行業(yè)逐步進(jìn)入快速生長時(shí)期，由2005年的640.5萬噸/年，增長到2020年的4 559.5萬噸/年[1]。

在PTA的生產(chǎn)中，對二苯的氧化是生產(chǎn)過程中的核心工序，本文介紹的氧化反應(yīng)器正是完成此工序的重要核心設(shè)備。

1 氧化反應(yīng)器的制造工序

1.1 氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

氧化反應(yīng)器為裙座支撐式反應(yīng)器，由上橢圓形封頭、筒體、下橢圓形封頭、裙式支座及接管法蘭組焊而成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。上封頭頂部開孔，裝備攪拌凸緣。設(shè)備內(nèi)裝配攪拌裝置，殼體內(nèi)壁焊有擋板，殼體外部設(shè)有盤管、保溫支撐、吊耳等組件。設(shè)備主體材質(zhì)為SA516 Gr70+ SB265 Gr1鈦-鋼復(fù)合板。

圖1 氧化反應(yīng)器簡圖

1.2 氧化反應(yīng)器制造工序簡述

(1)下料及殼體壓制；

(2)封頭及筒體組焊成型；

(3)劃線開孔及接管組焊；

(4)裙座、彎管等附件裝焊；

(5)最終焊后熱處理(PWHT)；

(6)無損檢測及耐壓試驗(yàn)；

(7)內(nèi)表面酸洗及陽極化處理；

(8)熱氣循環(huán)試驗(yàn)；

(9)油漆包裝。

2 氧化反應(yīng)器制造重點(diǎn)環(huán)節(jié)控制

本文作者全過程參與了本臺反應(yīng)器制造的監(jiān)造工作，下文中就根據(jù)制造過程中發(fā)現(xiàn)的問題及需要重點(diǎn)控制的環(huán)節(jié)，對制造過程中部分施工過程的質(zhì)量控制進(jìn)行闡述。

2.1 下料過程控制

為保證殼體制造環(huán)節(jié)的順利推進(jìn)，避免出現(xiàn)錯邊量超差、接管覆蓋焊縫及復(fù)合板邊緣分層等問題，下料過程一般需重點(diǎn)對以下三個方面進(jìn)行把控。

2.1.1 工藝準(zhǔn)備

由于設(shè)備長度長、直徑大、接管多，故在筒體下料前應(yīng)根據(jù)管口方位圖及復(fù)合板來料規(guī)格，準(zhǔn)確布置焊縫。同時(shí)，應(yīng)考慮板材的延展性及焊縫收縮，以筒節(jié)中心圓周長為基準(zhǔn)，合理設(shè)計(jì)下料圖。

2.1.2 切割下料

下料時(shí)要嚴(yán)格控制各筒節(jié)下料尺寸(即長、寬、對角線尺寸偏差≤2 mm)。切割下料時(shí)，應(yīng)從鈦復(fù)合層一側(cè)進(jìn)行，注意鈦覆層的保護(hù)。如采用熱切割下料，還需注意氣割時(shí)應(yīng)為去除熱影響物預(yù)留足夠余量。

2.1.3 坡口加工

在焊接坡口的邊緣，鈦復(fù)合層應(yīng)有足夠的剝離長度(一般≥10 mm)，剝離后打磨去除坡口邊緣鈦的殘余。坡口加工完成后，坡口邊緣100 mm范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行100% UT檢測，不得存在未結(jié)合區(qū)。

2.2 殼體制造過程控制

2.2.1 封頭制造過程控制

此類設(shè)備的封頭一般尺寸較大，只能采用分瓣壓制，拼焊成型的方式制造。瓜瓣壓制采用熱壓法，加熱爐采用真空電/氣爐加熱，如成型溫度大于600 ℃，入爐加熱前覆層表面注意涂刷高溫涂料。壓制過程應(yīng)保證壓頭表面光滑，避免鈦覆材表面機(jī)械損傷及鐵離子污染。沖壓后，應(yīng)逐瓣進(jìn)行外觀、外型尺寸、厚度及鈦復(fù)合層貼合率檢查，合格后方可整體拼焊成型。

2.2.2 筒節(jié)制造過程控制

為避免在卷制過程中出現(xiàn)分層，筒體板在卷制前應(yīng)對端部提前預(yù)彎(起拖頭板效果)。卷制時(shí)，采用小下壓量、低速壓制、行車配合的方法卷制成型[2]。卷制過程中鈦表面注意貼紙保護(hù)，輥?zhàn)颖砻姹３譂崈?。卷制完成后，對筒體周邊100 mm范圍內(nèi)做100%UT檢測，不得存在未結(jié)合區(qū)。

2.2.3 總裝過程控制

本文中將氧化反應(yīng)器的總裝過程劃分為：筒體及封頭組焊成型，劃線開孔及接管組焊，裙座、彎管等附件組焊，最終焊后熱處理(PWHT)，無損檢測及耐壓試驗(yàn)，油漆包裝等六個分工序。由于上述工序的一般鉚接檢查項(xiàng)目的質(zhì)量控制與其他大部分設(shè)備相近，本文將不再贅述。主要針對本臺設(shè)備的獨(dú)有特點(diǎn)，重點(diǎn)分析以下二個部分的質(zhì)量控制內(nèi)容。

(1)同心度控制。攪拌口凸緣與設(shè)備殼體的同心，是確保攪拌裝置有效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵?？傃b過程同心度的保證可從兩個方面進(jìn)行控制：一是筒體合攏組焊時(shí)的整體直線度，直線度的控制一般可通過控制筒節(jié)橢圓度和組對間隙，合理安排接管焊接順序，減小焊接變形方面著手；二是攪拌口凸緣平面度控制，凸緣的平面度控制通常通過機(jī)加工上封頭合攏焊縫坡口和凸緣表面熱處理后的二次加工來實(shí)現(xiàn)。

(2)焊縫襯鈦。由于鈦與鋼的不可焊性，殼體焊縫內(nèi)表面的耐蝕層無法通過堆焊獲得，故只能采用貼條或襯筒來滿足耐蝕需要。焊縫貼條結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 縱/環(huán)焊縫貼條示意圖

圖3 接管焊縫襯筒示意圖

縱/環(huán)焊縫貼條時(shí)，要求打磨焊道與基層板平齊，去除表面鐵銹等雜質(zhì)。焊道表面填入鈦墊條(或銅墊條)，墊條邊緣與鈦覆層間間隙應(yīng)控制在0～0.5 mm之間。墊條兩端與基層鋼板間使用銀釬焊密封，墊條上再覆蓋鈦貼條。貼條與基層間必須貼緊壓實(shí)，不得存在空隙，可通過敲擊進(jìn)行檢查。接管襯筒與貼條要求相同，但襯筒拼縫必需滿足100%RT檢測，Ⅱ級合格。焊縫襯鈦完成后，必須通過基層的檢漏孔進(jìn)行全面的泄漏試驗(yàn)檢查，不得存在泄漏點(diǎn)。

2.3 焊接過程控制

鈦熔化于鋼焊縫中會形成FeTi及Fe2Ti等脆性金屬化合物，這些金屬間化合物和低熔點(diǎn)的共晶體將急劇提高材料的強(qiáng)度，而大大降低材料的塑性，直接影響焊接接頭的力學(xué)性能[4]。如果鈦表面存在鐵離子污染，鈦會與鐵離子形成微電池，在電化學(xué)作用下，使氫原子滲入到鈦層中，導(dǎo)致鈦的氫化而變脆，從而危及設(shè)備的使用壽命及安全。為保證氧化反應(yīng)器的質(zhì)量，在焊接過程中應(yīng)重控制點(diǎn)焊接質(zhì)量。

2.3.1 基層焊接

(1)基層焊接前，坡口及邊緣要徹底清除鈦復(fù)層；

(2)手工封底焊應(yīng)從設(shè)備外側(cè)進(jìn)行；

(3)采用碳弧氣刨清根時(shí)，必須從設(shè)備外側(cè)進(jìn)行，避免對鈦層的污染；

(4)在設(shè)備內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，鈦層表面應(yīng)做好隔離防護(hù)，避免鐵離子污染。

2.3.2 復(fù)層焊接

(1)鈦材的焊接應(yīng)在經(jīng)菲奧琳試驗(yàn)檢測合格的潔凈廠房內(nèi)進(jìn)行；

(2)作業(yè)人員應(yīng)穿戴干凈的防護(hù)用品，所有防護(hù)用品應(yīng)保存在潔凈廠房內(nèi)；

(3)施焊前，坡口及兩側(cè)至少25 mm范圍內(nèi)應(yīng)機(jī)械去除氧化膜，并用丙酮或乙醇清洗脫脂；

(4)制作經(jīng)過工藝試驗(yàn)評定有效的惰性氣體防護(hù)罩，保證焊縫和熱影響區(qū)的正面和反面在焊后冷卻過程中，溫度大于400 ℃的部分處于惰性氣體的保護(hù)之下；

(5)采用直流正極性，小電流，多層多道焊的焊接方式，嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度；

(6)焊縫及熱影響區(qū)可通過焊后顏色變化評判焊縫質(zhì)量，不符合處應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求處理，具體參考表1規(guī)定[3]。

表1 鈦焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的規(guī)定

2.4 陽極化處理過程控制

陽極化處理可有效提高設(shè)備使用過程中的耐蝕性，延長設(shè)備使用壽命。鈦表面的陽極化是以鈦為陽極，以不銹鋼或其他材料做陰極，在一定的電解質(zhì)中，通過直流電源作用下進(jìn)行的電化學(xué)加工過程，工作原理如圖4所示[5]。

圖4 陽極化處理原理示意圖

在進(jìn)行表面陽極化處理時(shí)，若鈦材表面存在鐵離子，則會導(dǎo)致在電化學(xué)反應(yīng)過程中，鐵離子與鈦?zhàn)饔眯纬晌㈦姵?，使鈦氫化而變脆，降低鈦材的工藝性能。故在陽極化處理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制以下兩點(diǎn)：一是陽極化處理之前，鈦復(fù)層鐵離子污染已全部去除，并經(jīng)藍(lán)點(diǎn)試驗(yàn)檢測合格；二是陽極化處理的環(huán)境及作業(yè)人員也應(yīng)滿足2.3.2節(jié)(1)和(2)的要求。

2.5 熱氣循環(huán)試驗(yàn)

為檢測設(shè)備在使用工況下的可靠性，通常氧化反應(yīng)器在制造完成后，會根據(jù)設(shè)計(jì)要求在制造廠內(nèi)進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)。熱氣循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，在常溫下將設(shè)備推入加熱爐內(nèi)，熱電偶布置完成后，按技術(shù)規(guī)定的升溫速率，逐級提高設(shè)備內(nèi)的溫度。升溫及保溫期間設(shè)備控制反應(yīng)器內(nèi)壓力始終為0 MPa。在達(dá)到試驗(yàn)溫度且恒溫狀態(tài)下，將干燥的壓縮空氣沖入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行加壓，升壓速率按技術(shù)要求執(zhí)行，直至達(dá)到試驗(yàn)壓力。在恒溫、恒壓狀態(tài)下保壓一段時(shí)間后，先按規(guī)定速率進(jìn)行恒壓降溫，當(dāng)溫度降到工藝要求值后，再緩慢泄壓，直至達(dá)到常溫常壓。第二次及后續(xù)的熱氣循環(huán)試驗(yàn)，按第一次的試驗(yàn)步驟重復(fù)即可，循環(huán)次數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)和用戶要求執(zhí)行，本文不再贅述。在進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)的檢驗(yàn)時(shí)，需注意以下4方面的質(zhì)量控制：

(1)熱氣循環(huán)試驗(yàn)前，設(shè)備已完成所有制造作業(yè)，且耐壓及泄漏試驗(yàn)已全部合格；

(2)熱氣循環(huán)試驗(yàn)前，鈦復(fù)層鐵離子污染已全部去除，并經(jīng)藍(lán)點(diǎn)試驗(yàn)檢測合格，內(nèi)表面無油污、油漆等未清除雜質(zhì)；

(3)熱氣循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，所采用的熱電偶、壓力表等必須經(jīng)過校檢合格，且壓力表的量程和精度等級滿足試驗(yàn)需求；

(4)熱氣循環(huán)試驗(yàn)升壓過程中，溫度應(yīng)保持不變，若溫度出現(xiàn)波動，應(yīng)停止升壓，加熱補(bǔ)償，使溫度恒定后再升壓；再次熱氣循環(huán)試驗(yàn)時(shí)需待前一次試驗(yàn)全部完成，并且設(shè)備內(nèi)達(dá)到常溫常壓狀態(tài)。

3 結(jié)語

在PTA裝置里氧化反應(yīng)器運(yùn)行過程中，由于內(nèi)部所進(jìn)行的氧化反應(yīng)相對比較復(fù)雜，對于反應(yīng)器的反應(yīng)條件要求也很苛刻，對氧化反應(yīng)器的質(zhì)量要求很高。因此本文通過作者對氧化反應(yīng)器制造全過程的跟蹤檢驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際制造中發(fā)生問題及工藝要求情況，總結(jié)對氧化反應(yīng)器制造過程中需重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)及工藝，對鈦復(fù)合板制壓力容器和類似氧化反應(yīng)器核心設(shè)備的制造和監(jiān)理具有一定的借鑒意義。