邵虎

摘 要：本文介紹了制氫項(xiàng)目中中H2S濃縮塔主要的制造、焊接、總裝等工序，并對(duì)設(shè)備在制造過(guò)程中遇到的難點(diǎn)及重點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：立式容器;筒體;封頭;09MnNiDR;焊接

近年來(lái)，千萬(wàn)噸煉油、百萬(wàn)噸乙烯、大型煤化工裝置的建設(shè)發(fā)展，促進(jìn)了我國(guó)大型塔器的發(fā)展。但由于在低溫容器方面發(fā)展不足，迫切需要進(jìn)行低溫容器的研制與生產(chǎn)。本文以我公司首次制造的大直徑、薄壁的低溫塔設(shè)備H2S濃縮塔為例，詳細(xì)的介紹了設(shè)備在制造過(guò)程中存在的難點(diǎn)及重點(diǎn)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

該塔規(guī)格為￠3800X64700，塔重量為165噸，塔體壁厚分別由t=12mm、14mm、16mm、18mm的09MnNiDR、SA203Gr.D低溫板材構(gòu)成，塔內(nèi)共有63層t=10mm塔盤(pán)支撐圈以及其他各種分布器、集油箱、升氣管等塔內(nèi)件，塔體的直線度為任意3000mm長(zhǎng)圓筒段偏差不得大于3mm，總直線度偏差不大于40mm，塔體安裝垂直度公差為30mm，筒體薄而長(zhǎng)，焊接變形量大。設(shè)備選用SA203Gr.D和09MnNiDR鋼是以Mn、Ni為主要合金元素的低溫鋼，其組織是鐵素體+少量珠光體。

2 材料選擇

設(shè)備在低溫工況下工作，材質(zhì)的塑性和韌性下降，當(dāng)存在應(yīng)力集中時(shí)，在低于材料屈服強(qiáng)度，裂紋擴(kuò)張，從而導(dǎo)致脆性斷裂，因此低溫設(shè)備的材料應(yīng)盡量選擇塑性和韌性好的材料且必須是鎮(zhèn)靜鋼。根據(jù)塔底部的-50℃設(shè)計(jì)溫度可選擇09MnNiDR鋼板，對(duì)于塔頂雖然09MnNiDR能滿足設(shè)計(jì)的要求，但已處于09MnNiDR的使用極限，考慮到介質(zhì)易爆的特性和設(shè)備在整個(gè)裝置的重要性和安全性的因素，因而選擇塑性和韌性更好的材料3.5Ni鋼。另外對(duì)于這兩種材料還需提出嚴(yán)格的技術(shù)要求：3.5Ni鋼除符合ASME Ⅱ卷A、D篇的規(guī)定，按規(guī)范進(jìn)行沖擊試驗(yàn)外，其化學(xué)成份（熔煉分析和成品分析）應(yīng)符合： P≤0.020%? S≤0.003%碳當(dāng)量CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15≤0.45，鋼板，鋼管應(yīng)逐張（根）進(jìn)行超聲波檢查，≥Ⅲ級(jí)的鍛件應(yīng)逐件按NB/T47009-2010中相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行超聲波檢測(cè).

3 制造控制

3.1工裝準(zhǔn)備

由于濃縮塔直徑大、筒壁薄，筒節(jié)的剛度較弱，為使筒體在組對(duì)過(guò)程中剛性加強(qiáng)，確保塔體的橢圓度和錯(cuò)邊量，便于筒節(jié)與筒節(jié)的組對(duì)，我們事先制作了部分筒節(jié)內(nèi)支撐圈工裝，外圓加工至￠3800，并將塔體上的外部加強(qiáng)支撐圈內(nèi)徑加工至筒節(jié)外徑加3mm，作為外部加強(qiáng)支撐。（見(jiàn)圖1）。

3.2筒節(jié)板下料

首先確認(rèn)筒節(jié)材料質(zhì)保書(shū)，對(duì)板材進(jìn)行找方，劃出尺寸線，同時(shí)在距環(huán)焊縫100mm處內(nèi)、外劃出基準(zhǔn)線，作好標(biāo)記作為以后組對(duì)各接管、各塔盤(pán)零部件的基準(zhǔn)，作好材料標(biāo)記移置（試板下料同時(shí)進(jìn)行），經(jīng)檢驗(yàn)檢收合格，貼上合格標(biāo)簽后在尺寸線外進(jìn)行切割下料，然后刨邊機(jī)刨邊、刨環(huán)縫里坡口。對(duì)每塊板料下料后的對(duì)角線誤差不得大于2mm，由于濃縮塔塔身長(zhǎng)，環(huán)焊縫多，塔盤(pán)支撐圈焊縫多，考慮到焊縫收縮的因素，為確保塔體的總長(zhǎng)度，每節(jié)筒節(jié)下料劃線時(shí)均預(yù)留2mm的收縮量。

筒體的二次下料工作在壓頭后（或預(yù)彎后）進(jìn)行，選擇合適的壓頭下模具，將壓頭模具正確放置于壓力機(jī)位置處，把筒節(jié)料放在壓頭下模具上，這時(shí)應(yīng)注意以下二點(diǎn)：使筒節(jié)的素線與模具中線平行，筒節(jié)的對(duì)接縱縫接口處放置在模具內(nèi)，若放置模具外，則造成直邊現(xiàn)象。壓頭預(yù)彎成形后，二次切割下料。并在刨邊機(jī)上將焊接里坡口做出。

3.3筒節(jié)成型

筒節(jié)二次下料結(jié)束后，在卷板機(jī)上進(jìn)行卷圓成型工作。將筒節(jié)料放置于卷板機(jī)中，板料的中線與卷板機(jī)的軋滾垂直，筒節(jié)的母線與軋滾平行。筒節(jié)滾卷合口時(shí)，控制錯(cuò)邊量，在進(jìn)行點(diǎn)固焊時(shí)，用與筒節(jié)同材質(zhì)的材料和同材質(zhì)的焊材進(jìn)行固定焊。為防止縱縫焊接時(shí)產(chǎn)生棱角度現(xiàn)象，用圓弧板采取防變形措施。

筒節(jié)校園后先用內(nèi)支撐圈將筒節(jié)撐圓，然后將外部加強(qiáng)支撐圈按排版時(shí)預(yù)定的位置套入，以此來(lái)控制單個(gè)筒節(jié)同一斷面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差不大于3㎜，以保證筒節(jié)與筒節(jié)組對(duì)時(shí)對(duì)口錯(cuò)邊量不大于1.5mm，拆除內(nèi)支撐圈留作其他無(wú)外部加強(qiáng)圈的筒節(jié)用。

3.4焊接控制

圖紙技術(shù)要求09MnNiDR鋼板應(yīng)符合GB3531-2008標(biāo)準(zhǔn)。其中P≤0.020%、S≤0.003%，低溫夏比沖擊試驗(yàn)（-70℃，V形缺口）三個(gè)試樣平均值≥34J，其中允許一個(gè)試樣的沖擊功值<34J，但應(yīng)≥24J。SA203Gr.D應(yīng)符合ASME Ⅱ卷A篇SA-203《壓力容器用鎳合金鋼板》標(biāo)準(zhǔn)的要求，并應(yīng)在-70℃做低溫沖擊試驗(yàn)三個(gè)試樣平均值≥34J，其中允許一個(gè)試樣的沖擊功值<34J，但應(yīng)≥24J。

按圖紙對(duì)SA203Gr.D和09MnNiDR兩種材料的技術(shù)要求，焊接接頭也要滿足上述要求。SA203Gr.D和09MnNiDR含碳量較低，淬硬傾向和冷裂傾向小，焊接性良好。在常溫下焊接一般可不需要預(yù)熱。在焊件較厚或拘束度較大時(shí)，可適當(dāng)預(yù)熱，因圖紙技術(shù)要求要滿足-70℃沖擊，按GB150.4-2011第8.2.2.1表5規(guī)定，SA203Gr.D和09MnNiDR焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理（580℃±20℃）。這兩種材料焊接的難點(diǎn)就是要保證在使用溫度下具有良好的沖擊韌性，所以焊接時(shí)要避免焊縫金屬及熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性，因此低溫鋼焊接時(shí)采用小的焊接線能量。線能量對(duì)焊接接頭韌性影響極大，有人曾經(jīng)做過(guò)這方面的試驗(yàn)，采用不同的熱輸入進(jìn)行比較。小的熱輸入試樣組織是板條貝氏體和下貝氏體;而大的熱輸入是粒狀貝氏體和上貝氏體。隨著熱輸入的增加，組織粗化并出現(xiàn)脆化組織，這就是導(dǎo)致接頭韌性降低的根本原因。SA203Gr.D和09MnNiDR鋼的焊接難點(diǎn)是熱影響區(qū)和焊縫這兩個(gè)部位的沖擊韌性差，選擇焊材和焊接工藝參數(shù)很重要，一旦選擇不合理，焊接接頭很容易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，且焊接接頭（焊縫、熱影響區(qū)）的低溫沖擊吸收功很難達(dá)到要求。

經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，SA203Gr.D材料焊條焊選擇了W107DR，埋弧自動(dòng)焊選擇了H09MnNi3D焊絲和SJ609焊劑，09MnNiDR材料焊條焊選擇了W107DR，埋弧自動(dòng)焊選擇了H06Mn35DR焊絲和SJ208DR焊劑，焊接規(guī)范見(jiàn)下表1

考慮SA203Gr.D和09MnNiDR低溫鋼焊接特點(diǎn)，采取如下措施：

（1）焊前清理坡口及邊緣50mm的油污、鐵銹等贓物。并且厚度大于16mm要采取適當(dāng)預(yù)熱熱措施，這樣有利于提高焊縫的沖擊性能;但不能過(guò)高，否則會(huì)使熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大，并在晶界析出氧化物。

（2）焊接工藝規(guī)范應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)制定，為保證低溫韌性，嚴(yán)格控制焊接線能量、層間溫度，盡量選用細(xì)直徑的焊條或焊絲（Φ3.2-Φ4mm）。

（3）為了避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性焊接時(shí)盡量采用快速多道焊以減少過(guò)熱，并可通過(guò)多層焊的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒。

（4）低溫鋼對(duì)缺陷和應(yīng)力集中敏感性大，故應(yīng)避免產(chǎn)生缺陷（如弧坑、咬邊、未焊透及焊縫成形不良等）。

（5）焊后要進(jìn)行580℃±20℃/1.5h的焊后熱處理按照上述焊材、規(guī)范和工藝措施，主殼體縱、環(huán)縫100%RT Ⅱ級(jí)+100%UTⅠ級(jí)+100%MTⅠ級(jí)探傷，滿足JB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品試板進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，尤其是-70℃沖擊試驗(yàn)，其結(jié)果均滿足圖紙技術(shù)要求。

3.5塔體的組對(duì)

按圖依次組對(duì)各筒節(jié)、封頭，以0°、90°、180°、270°方位線為基準(zhǔn)，確保四個(gè)方位間兩筒節(jié)基準(zhǔn)線間的距離保持一致方能焊接。在組對(duì)過(guò)程中在0°和90°方位用經(jīng)緯儀測(cè)量塔身直線度，檢驗(yàn)合格后焊縫預(yù)熱焊接、手工焊里口打底，自動(dòng)焊蓋面，外口碳弧氣刨清根，自動(dòng)焊蓋面，100%RT探傷合格，考慮到熱處理爐的限制，塔身組合成上、下兩大段，上段L=29617mm、下段L=29139mm（不含裙座）（見(jiàn)圖2）。

上、下兩大段直線度、橢圓度、探傷經(jīng)檢驗(yàn)合格后以原始基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)、用經(jīng)計(jì)量合格的同一盤(pán)卷尺沿筒體外壁基準(zhǔn)線劃出各管孔、外部梯子平臺(tái)預(yù)焊件位置線，沿筒體內(nèi)壁基準(zhǔn)線劃出塔盤(pán)支撐圈的位置線，以此來(lái)確?；鶞?zhǔn)的統(tǒng)一性，并經(jīng)檢驗(yàn)是否合格，檢驗(yàn)合格后開(kāi)孔組對(duì)、組焊各接管、外部預(yù)焊件。

3.6總合攏

先將裙座與下段塔體封頭上的裙座過(guò)渡段組對(duì)，組對(duì)時(shí)用同一把卷尺以基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)，測(cè)量0°、90°、180°、270°方位上基準(zhǔn)線到裙座底板的距離，保證四個(gè)方位上距離一致并點(diǎn)焊、分段焊加以固定后再焊接裙座合攏縫，焊接時(shí)不斷的測(cè)量四個(gè)方位上基準(zhǔn)線到裙座底板的距離，以此來(lái)調(diào)整焊接順序確保裙座底板與塔體的垂直度。上段壓力試驗(yàn)合格后與下段總合攏，由于塔體直徑大，壁薄，重165噸，在滾輪上的接觸為線接觸，為防止組對(duì)時(shí)塔體在與滾輪接觸時(shí)的自重造成筒體失穩(wěn)壓癟，我們預(yù)先在塔體上與滾輪接觸的位置處包了三圈t=30mm、寬=500mm的保護(hù)板，以保護(hù)塔體筒壁組合后在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不失穩(wěn)，組對(duì)時(shí)在0°、90°方位用經(jīng)緯儀測(cè)量直線度，檢驗(yàn)合格后預(yù)熱、焊接、100%RT探傷，焊接時(shí)不斷的用經(jīng)緯儀測(cè)量整體的直線度，以此來(lái)調(diào)整焊接順序確保塔體的直線度，最終合攏縫局部消除應(yīng)力熱處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

此臺(tái)H2S濃縮塔是9萬(wàn)噸/年制氫及配套空分項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備的成功制造、如期交付對(duì)制氫項(xiàng)目的建成投產(chǎn)有著重要作用。同時(shí)該設(shè)備也是我廠制造的首臺(tái)大型低溫塔器，通過(guò)此次攻關(guān)研制使我廠積累了相關(guān)設(shè)備的制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我廠今后進(jìn)軍大型低溫鋼設(shè)備市場(chǎng)、創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益具有深遠(yuǎn)的意義。

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