晏君文 王迎君 金卿 王雪驕 張力

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000； 2.二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

隨著石化行業(yè)對油品的環(huán)保要求越來越高，很多老區(qū)改造的項目和新立項的項目也隨之對石化容器設備的加氫反應器有著超大、超厚的發(fā)展趨勢要求，為了應對內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕和高溫、高壓等惡劣的操作環(huán)境，設備的結(jié)構也越來越復雜。針對加氫反應器殼體上的接管數(shù)量較多的情況，縮短制造周期、滿足設計和用戶要求，是新的制造難點和挑戰(zhàn)。本文研究制作了簡單實用的接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，實現(xiàn)了對接管焊縫的持續(xù)加熱保溫，有效減少了接管焊縫進爐消應熱處理的次數(shù)，縮短了制造周期，達到了預期目的。

1 問題的提出

石化容器設備的加氫反應器在高溫、高壓、強腐蝕的工況下運行，因此，為了保證接管與殼體的結(jié)構應力均勻，不出現(xiàn)高應力集中區(qū)，一般采取自補強的馬鞍形對接結(jié)構形式。設備殼體上接管的結(jié)構如圖1所示，接管與殼體采用U形坡口形式，見圖2，均進行馬鞍形埋弧焊焊接。接管與殼體連接的制造流程一般為：接管鍛件無損檢測→精加工→接管內(nèi)孔及端面堆焊耐腐蝕材料→裝配接管與殼體→預熱→焊接→消應熱處理→無損檢測(MT、UT、RT)→隨設備PWHT→復檢(MT、UT)。

圖1 接管結(jié)構形式Figure 1 Nozzle structure

圖2 接管與殼體的坡口形式Figure 2 Nozzle and groove form of shell

產(chǎn)生冷裂紋的三大因素：拘束度，焊接殘余應力以及氫的侵入，在接管與殼體連接焊縫上表現(xiàn)的非常明顯，若焊接采取的措施不當，該部位的焊接接頭很容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。因此，設計和圖紙技術條件中一般都有如下要求：“基體金屬在焊接過程中和焊接后，應保持預熱溫度直至消氫熱處理(DHT)、中間消除應力熱處理(ISR)或最終焊后熱處理(PWHT)。所有高應力區(qū)域(如接管與殼體的焊接接頭)，不得以消氫熱處理(DHT)代替中間消除應力熱處理(ISR)?！?/p>

因此，接管與殼體焊接完成后進行中間消應熱處理成為必不可少的一道工序，一方面熱處理可以消除部分的焊接殘余應力，緩解拘束程度，另一方面高溫下可以將焊縫中的殘余氫快速逸出，從而大大降低冷裂紋出現(xiàn)的幾率，故接管與殼體焊接完成后中間消應熱處理成為焊接質(zhì)量和生產(chǎn)進度的關鍵保證。

以公司承制的某項目加氫反應器的結(jié)構形式為例，材質(zhì)為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件，內(nèi)徑為5600 mm，壁厚342 mm，殼體上的接管多達27件，產(chǎn)品結(jié)構形式如圖3所示。

圖3 加氫反應器結(jié)構示意圖Figure 3 Schematic diagram of hydrogenation reactor structure

設備殼體上的接管焊接完成后，按照要求需進行中間消應熱處理，確保焊接質(zhì)量。上述產(chǎn)品按照每次消應熱處理的加熱升溫和降溫全過程計算需要3天，則共需進爐27次，占用熱處理爐共計81天時間，一方面造成了熱處理爐的使用瓶頸，另一方面增加了能源的極大消耗；同時，殼體母材本體也需進爐27次，累計熱處理為650℃×162 h，按照API 934-2019標準要求，根據(jù)Larson-Miller公式P=(273+T)×(20+lgt)折算相當于705℃×9.13 h。

按照設計文件要求，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件必須模擬Min.PWHT(705℃×8 h)和Max.PWHT(705℃×32 h)+ISR兩種狀態(tài)后進行力學性能檢驗。如此長時間的熱處理使得母材在模擬最大焊后熱處理狀態(tài)下的保溫時間增加到42 h以上，有可能母材在此狀態(tài)下力學性能不符合設計要求。

該問題嚴重影響產(chǎn)品未來的安全使用，為此技術人員高度重視，積極尋求降低接管焊接完畢后進爐次數(shù)的方法，使得母材在模擬Max.PWHT(705℃×32 h)+ISR狀態(tài)后進行的力學性能檢驗能夠滿足設計要求，加快生產(chǎn)制造進度。

2 方案的提出

針對上述存在的問題和焊接工藝要求，為解決接管與殼體焊接完成后多次重復進爐，造成熱處理爐的占用瓶頸和由此導致的能源消耗大、制造周期長的問題，同時避免母材經(jīng)歷長時間的熱處理而導致性能不合的情況，綜合考慮設備、生產(chǎn)、質(zhì)量、周期等因素，工藝要求同一類型或同一段筒體(或封頭)上的多個接管同時進爐一起進行消應熱處理，先焊完的接管焊縫溫度始終保持在預熱溫度以上，以此減少進爐的次數(shù)。因此，有必要設計加熱工裝，以實現(xiàn)筒體環(huán)縫在旋轉(zhuǎn)焊接的同時還能保證接管焊縫的加熱保溫。

方案一：采用固定火焰加熱的方式，如圖4所示。采用固定工裝將氣管、噴嘴等部位固定，將噴嘴對準接管與筒體之間的焊縫固定加熱保溫。以上述某項目加氫反應器為例，內(nèi)徑為5600 mm，壁厚342 mm，筒體環(huán)縫的焊接速度要求為36～42 cm/min，正常焊接一整圈至少需42 min，根據(jù)現(xiàn)場試驗，接管焊縫溫度至少在400℃以上方可確保42 min以后冷卻至約200℃。

圖4 固定火焰加熱的方式Figure 4 Fixed flame heating method

考慮到火焰是固定的，而接管焊縫隨著筒體轉(zhuǎn)動，為了確保接管焊縫的加熱保溫在180℃以上，需要筒體環(huán)縫每焊完一圈就暫停，人工操作將天然氣氣體流量加大，將接管焊縫溫度加熱至400℃以上，然后開始重新進行筒體環(huán)縫的焊接，同時將接管焊縫的天然氣關閉以節(jié)約筒體環(huán)縫焊接轉(zhuǎn)動過程中能源的消耗。

上述固定火焰加熱的方式操作復雜，需要專人進行天然氣的開閉和調(diào)節(jié)，人工成本大；筒體環(huán)縫焊接過程中每圈暫停，嚴重影響筒體環(huán)縫的焊接質(zhì)量，且制約了制造周期；接管環(huán)縫雖然達到了保溫的結(jié)果，但需不斷經(jīng)歷升溫降溫過程，影響接管焊縫的后熱質(zhì)量。因此該方案不可取。

方案二：采用遠紅外加熱保溫的方式，見圖5。在接管焊縫處環(huán)向布置加熱板并采用保溫棉和壓塊固定，利用電加熱導線將控制柜和加熱板進行連接，從而實現(xiàn)遠紅外加熱保溫。為了避免方案一出現(xiàn)的筒體環(huán)縫焊接旋轉(zhuǎn)過程中電導線纏繞到筒體外壁上從而導致焊接暫停的問題，預計了兩種解決辦法，一種是通過人工操作的方式將電導線進行梳理，先反方向(與焊接方向相反)對電加熱導線進行預纏繞1～2圈，但該方法存在極大的觸電安全隱患，也容易導致電導線脫落，因此該法不可??；另一種是在筒體外壁設置導電滑環(huán)，為了達到滑環(huán)的效果，需設計專門的滑環(huán)裝置，考慮到筒體外徑較大，滑環(huán)裝置的設計和制造難度較大，且制造成本高。因此本方案可操作性不強。

圖5 遠紅外加熱的方式Figure 5 Far infrared heating method

基于上述分析，目前加氫反應器制造過程中常用的加熱保溫方式均無法有效滿足筒體環(huán)縫連續(xù)焊接的同時保證接管焊縫的加熱保溫，有必要對上述方案進行進一步的改進和完善。

方案三：設計專用的接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，如圖6所示。為了實現(xiàn)筒體環(huán)縫在旋轉(zhuǎn)焊接的同時還能保證接管焊縫的加熱保溫，設計的加熱保溫工裝就要兼顧持續(xù)加熱、局部旋轉(zhuǎn)、支撐固定等各項功能。因此，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構特點和焊接過程形式，設計了由支撐部分、旋轉(zhuǎn)部分、供氣部分組成的接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝。

圖6 接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝結(jié)構圖Figure 6 Structure drawing of nozzles rotatingheating tooling

其中支撐部分有噴嘴支撐工裝、旋轉(zhuǎn)支撐工裝、旋轉(zhuǎn)連接工裝、地面支撐工裝等，供氣部分有天然氣軟管、天然氣鋼管，旋轉(zhuǎn)部分有旋轉(zhuǎn)接頭、旋轉(zhuǎn)大小頭。使用時先準備好接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，將旋轉(zhuǎn)支撐工裝和噴嘴支撐工裝分別裝焊固定在筒體內(nèi)壁，地面支撐工裝擺放到位，裝配好旋轉(zhuǎn)部分和供氣部分，筒體環(huán)縫連續(xù)焊接的過程中，筒體的轉(zhuǎn)動帶動與筒體內(nèi)壁固定的旋轉(zhuǎn)部分一起轉(zhuǎn)動，而上部的噴嘴和下部的供氣保持固定，從而實現(xiàn)在輥胎旋轉(zhuǎn)進行筒體環(huán)縫連續(xù)焊接的同時保持對接管焊縫持續(xù)的加熱保溫。

上述三種方案的優(yōu)劣勢比較如表1所示。

綜上所述，方案三設計的專用接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝可以有效實現(xiàn)筒體環(huán)縫在旋轉(zhuǎn)焊接的同時還能保證接管焊縫的加熱保溫，適合推廣應用。

3 接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝的應用

在實際使用過程中，接管與殼體焊縫焊接完成后，準備接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，旋轉(zhuǎn)接頭固定在兩端的固定板上，由上部噴嘴部分隨筒體進行旋轉(zhuǎn)，下部供氣部分保持不動，從而實現(xiàn)加熱旋轉(zhuǎn)工裝的作用。接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝的實際應用見圖7。

圖7 接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝的應用Figure 7 Application of nozzle rotary heating tooling

接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝利用現(xiàn)有的鋼板、槽鋼、角鋼等余料工裝制作成支撐部分，采購常規(guī)的旋轉(zhuǎn)零件即可制作成旋轉(zhuǎn)部分，利用現(xiàn)有的天然氣管在不改變原有供氣方式的情況下組成供氣部分，無需單獨增加額外的投入成本。操作上簡單便利，能有效解決當前存在的問題。

采取接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝實現(xiàn)了筒體環(huán)縫焊接的同時對接管焊縫持續(xù)的加熱保溫，以上述產(chǎn)品為例，可將原有的進爐27次縮減為進爐6～8次，可釋放熱處理爐的占用時間共計57天左右，減少中間消應熱處理19次左右的燃氣能源消耗；可減少中間消應熱處理的時間114 h，即累計熱處理為650℃×48 h，按照上述Larson-Miller公式折算相當于705℃×2.9 h，可有效減少中間消應熱處理的累積對母材性能的影響。

4 結(jié)論

(1)采取接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝，實現(xiàn)了筒體環(huán)縫焊接的同時對接管焊縫持續(xù)加熱保溫，減少接管焊縫進爐中間消應熱處理的次數(shù)，有效解決了熱處理爐的占用瓶頸和由此導致的能源消耗增大、制造周期延長的問題，同時避免母材經(jīng)歷長時間的熱處理而導致性能不合的情況；

(2)接管旋轉(zhuǎn)加熱工裝制作簡單，操作便利，投入成本低，能有效確保保溫的效果和焊接的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，推進生產(chǎn)進度。