论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了制氢项目中中H2S浓缩塔主要的制造、焊接、总装等工序，并对设备在制造过程中遇到的难点及重点进行了阐述。
关键词：立式容器;筒体;封头;09MnNiDR;焊接
近年来，千万吨炼油、百万吨乙烯、大型煤化工装置的建设发展，促进了我国大型塔器的发展。但由于在低温容器方面发展不足，迫切需要进行低温容器的研制与生产。本文以我公司首次制造的大直径、薄壁的低温塔设备H2S浓缩塔为例，详细的介绍了设备在制造过程中存在的难点及重点。
1 设备简介
该塔规格为￠3800X64700，塔重量为165吨，塔体壁厚分别由t=12mm、14mm、16mm、18mm的09MnNiDR、SA203Gr.D低温板材构成，塔内共有63层t=10mm塔盘支撑圈以及其他各种分布器、集油箱、升气管等塔内件，塔体的直线度为任意3000mm长圆筒段偏差不得大于3mm，总直线度偏差不大于40mm，塔体安装垂直度公差为30mm，筒体薄而长，焊接变形量大。设备选用SA203Gr.D和09MnNiDR钢是以Mn、Ni为主要合金元素的低温钢，其组织是铁素体+少量珠光体。
2 材料选择
设备在低温工况下工作，材质的塑性和韧性下降，当存在应力集中时，在低于材料屈服强度，裂纹扩张，从而导致脆性断裂，因此低温设备的材料应尽量选择塑性和韧性好的材料且必须是镇静钢。根据塔底部的-50℃设计温度可选择09MnNiDR钢板，对于塔顶虽然09MnNiDR能满足设计的要求，但已处于09MnNiDR的使用极限，考虑到介质易爆的特性和设备在整个装置的重要性和安全性的因素，因而选择塑性和韧性更好的材料3.5Ni钢。另外对于这两种材料还需提出严格的技术要求：3.5Ni钢除符合ASME Ⅱ卷A、D篇的规定，按规范进行冲击试验外，其化学成份（熔炼分析和成品分析）应符合： P≤0.020% S≤0.003%碳当量CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15≤0.45，钢板，钢管应逐张（根）进行超声波检查，≥Ⅲ级的锻件应逐件按NB/T47009-2010中相应规定进行超声波检测.
3 制造控制
3.1工装准备
由于浓缩塔直径大、筒壁薄，筒节的刚度较弱，为使筒体在组对过程中刚性加强，确保塔体的椭圆度和错边量，便于筒节与筒节的组对，我们事先制作了部分筒节内支撑圈工装，外圆加工至￠3800，并将塔体上的外部加强支撑圈内径加工至筒节外径加3mm，作为外部加强支撑。（见图1）。
3.2筒节板下料
首先确认筒节材料质保书，对板材进行找方，划出尺寸线，同时在距环焊缝100mm处内、外划出基准线，作好标记作为以后组对各接管、各塔盘零部件的基准，作好材料标记移置（试板下料同时进行），经检验检收合格，贴上合格标签后在尺寸线外进行切割下料，然后刨边机刨边、刨环缝里坡口。对每块板料下料后的对角线误差不得大于2mm，由于浓缩塔塔身长，环焊缝多，塔盘支撑圈焊缝多，考虑到焊缝收缩的因素，为确保塔体的总长度，每节筒节下料划线时均预留2mm的收缩量。
筒体的二次下料工作在压头后（或预弯后）进行，选择合适的压头下模具，将压头模具正确放置于压力机位置处，把筒节料放在压头下模具上，这时应注意以下二点：使筒节的素线与模具中线平行，筒节的对接纵缝接口处放置在模具内，若放置模具外，则造成直边现象。压头预弯成形后，二次切割下料。并在刨边机上将焊接里坡口做出。
3.3筒节成型
筒节二次下料结束后，在卷板机上进行卷圆成型工作。将筒节料放置于卷板机中，板料的中线与卷板机的轧滚垂直，筒节的母线与轧滚平行。筒节滚卷合口时，控制错边量，在进行点固焊时，用与筒节同材质的材料和同材质的焊材进行固定焊。为防止纵缝焊接时产生棱角度现象，用圆弧板采取防变形措施。
筒节校园后先用内支撑圈将筒节撑圆，然后将外部加强支撑圈按排版时预定的位置套入，以此来控制单个筒节同一断面上最大内径与最小内径之差不大于3㎜，以保证筒节与筒节组对时对口错边量不大于1.5mm，拆除内支撑圈留作其他无外部加强圈的筒节用。
3.4焊接控制
图纸技术要求09MnNiDR钢板应符合GB3531-2008标准。其中P≤0.020%、S≤0.003%，低温夏比冲击试验（-70℃，V形缺口）三个试样平均值≥34J，其中允许一个试样的冲击功值<34J，但应≥24J。SA203Gr.D应符合ASME Ⅱ卷A篇SA-203《压力容器用镍合金钢板》标准的要求，并应在-70℃做低温冲击试验三个试样平均值≥34J，其中允许一个试样的冲击功值<34J，但应≥24J。
按图纸对SA203Gr.D和09MnNiDR两种材料的技术要求，焊接接头也要满足上述要求。SA203Gr.D和09MnNiDR含碳量较低，淬硬倾向和冷裂倾向小，焊接性良好。在常温下焊接一般可不需要预热。在焊件较厚或拘束度较大時，可适当预热，因图纸技术要求要满足-70℃冲击，按GB150.4-2011第8.2.2.1表5规定，SA203Gr.D和09MnNiDR焊后进行消应力热处理（580℃±20℃）。这两种材料焊接的难点就是要保证在使用温度下具有良好的冲击韧性，所以焊接时要避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性，因此低温钢焊接时采用小的焊接线能量。线能量对焊接接头韧性影响极大，有人曾经做过这方面的试验，采用不同的热输入进行比较。小的热输入试样组织是板条贝氏体和下贝氏体;而大的热输入是粒状贝氏体和上贝氏体。随着热输入的增加，组织粗化并出现脆化组织，这就是导致接头韧性降低的根本原因。SA203Gr.D和09MnNiDR钢的焊接难点是热影响区和焊缝这两个部位的冲击韧性差，选择焊材和焊接工艺参数很重要，一旦选择不合理，焊接接头很容易出现气孔、夹渣等缺陷，且焊接接头（焊缝、热影响区）的低温冲击吸收功很难达到要求。 经过焊接工艺评定试验，SA203Gr.D材料焊条焊选择了W107DR，埋弧自动焊选择了H09MnNi3D焊丝和SJ609焊剂，09MnNiDR材料焊条焊选择了W107DR，埋弧自动焊选择了H06Mn35DR焊丝和SJ208DR焊剂，焊接规范见下表1
考虑SA203Gr.D和09MnNiDR低温钢焊接特点，采取如下措施：
（1）焊前清理坡口及边缘50mm的油污、铁锈等赃物。并且厚度大于16mm要采取适当预热热措施，这样有利于提高焊缝的冲击性能;但不能过高，否则会使热影响区的晶粒长大，并在晶界析出氧化物。
（2）焊接工艺规范应严谨制定，为保证低温韧性，严格控制焊接线能量、层间温度，尽量选用细直径的焊条或焊丝（Φ3.2-Φ4mm）。
（3）为了避免焊缝金属和热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性焊接时尽量采用快速多道焊以减少过热，并可通过多层焊的重热作用细化晶粒。
（4）低温钢对缺陷和应力集中敏感性大，故应避免产生缺陷（如弧坑、咬边、未焊透及焊缝成形不良等）。
（5）焊后要进行580℃±20℃/1.5h的焊后热处理按照上述焊材、规范和工艺措施，主壳体纵、环缝100%RT Ⅱ级+100%UTⅠ级+100%MTⅠ级探伤，满足JB/T4730-2005标准要求，产品试板进行力学性能试验，尤其是-70℃冲击试验，其结果均满足图纸技术要求。
3.5塔体的组对
按图依次组对各筒节、封头，以0°、90°、180°、270°方位线为基准，确保四个方位间两筒节基准线间的距离保持一致方能焊接。在组对过程中在0°和90°方位用经纬仪测量塔身直线度，检验合格后焊缝预热焊接、手工焊里口打底，自动焊盖面，外口碳弧气刨清根，自动焊盖面，100%RT探伤合格，考虑到热处理炉的限制，塔身组合成上、下两大段，上段L=29617mm、下段L=29139mm（不含裙座）（见图2）。
上、下两大段直线度、椭圆度、探伤经检验合格后以原始基准线为基准、用经计量合格的同一盘卷尺沿筒体外壁基准线划出各管孔、外部梯子平台预焊件位置线，沿筒体内壁基准线划出塔盘支撑圈的位置线，以此来确保基准的统一性，并经检验是否合格，检验合格后开孔组对、组焊各接管、外部预焊件。
3.6总合拢
先将裙座与下段塔体封头上的裙座过渡段组对，组对时用同一把卷尺以基准线为基准，测量0°、90°、180°、270°方位上基准线到裙座底板的距离，保证四个方位上距离一致并点焊、分段焊加以固定后再焊接裙座合拢缝，焊接时不断的测量四个方位上基准线到裙座底板的距离，以此来调整焊接顺序确保裙座底板与塔体的垂直度。上段压力试验合格后与下段总合拢，由于塔体直径大，壁薄，重165吨，在滚轮上的接触为线接触，为防止组对时塔体在与滚轮接触时的自重造成筒体失稳压癟，我们预先在塔体上与滚轮接触的位置处包了三圈t=30mm、宽=500mm的保护板，以保护塔体筒壁组合后在滚轮架上转动时不失稳，组对时在0°、90°方位用经纬仪测量直线度，检验合格后预热、焊接、100%RT探伤，焊接时不断的用经纬仪测量整体的直线度，以此来调整焊接顺序确保塔体的直线度，最终合拢缝局部消除应力热处理。
4 结束语
此台H2S浓缩塔是9万吨/年制氢及配套空分项目中的关键设备，设备的成功制造、如期交付对制氢项目的建成投产有着重要作用。同时该设备也是我厂制造的首台大型低温塔器，通过此次攻关研制使我厂积累了相关设备的制造经验，对我厂今后进军大型低溫钢设备市场、创造更好的经济效益具有深远的意义。
参考文献：
[1]郭志英.H2S浓缩塔的制造[J].化工装备技术，2015，36（03）：50-52.
[2]夏雄.大型H2S浓缩塔的吊装计算[J].石油和化工设备，2015，18（05）：21-22+25.
[3]张旭峰，张艺凡，赵红艳.低温甲醇交换气洗涤塔的制造[J].化学工程与装备，2020（11）：180-182.
[4]焦金峰.低温甲醇洗工艺运行时的常见问题及解决方案[J].山东化工，2020，49（16）：125-127.
关键词：立式容器;筒体;封头;09MnNiDR;焊接
近年来，千万吨炼油、百万吨乙烯、大型煤化工装置的建设发展，促进了我国大型塔器的发展。但由于在低温容器方面发展不足，迫切需要进行低温容器的研制与生产。本文以我公司首次制造的大直径、薄壁的低温塔设备H2S浓缩塔为例，详细的介绍了设备在制造过程中存在的难点及重点。
1 设备简介
该塔规格为￠3800X64700，塔重量为165吨，塔体壁厚分别由t=12mm、14mm、16mm、18mm的09MnNiDR、SA203Gr.D低温板材构成，塔内共有63层t=10mm塔盘支撑圈以及其他各种分布器、集油箱、升气管等塔内件，塔体的直线度为任意3000mm长圆筒段偏差不得大于3mm，总直线度偏差不大于40mm，塔体安装垂直度公差为30mm，筒体薄而长，焊接变形量大。设备选用SA203Gr.D和09MnNiDR钢是以Mn、Ni为主要合金元素的低温钢，其组织是铁素体+少量珠光体。
2 材料选择
设备在低温工况下工作，材质的塑性和韧性下降，当存在应力集中时，在低于材料屈服强度，裂纹扩张，从而导致脆性断裂，因此低温设备的材料应尽量选择塑性和韧性好的材料且必须是镇静钢。根据塔底部的-50℃设计温度可选择09MnNiDR钢板，对于塔顶虽然09MnNiDR能满足设计的要求，但已处于09MnNiDR的使用极限，考虑到介质易爆的特性和设备在整个装置的重要性和安全性的因素，因而选择塑性和韧性更好的材料3.5Ni钢。另外对于这两种材料还需提出严格的技术要求：3.5Ni钢除符合ASME Ⅱ卷A、D篇的规定，按规范进行冲击试验外，其化学成份（熔炼分析和成品分析）应符合： P≤0.020% S≤0.003%碳当量CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15≤0.45，钢板，钢管应逐张（根）进行超声波检查，≥Ⅲ级的锻件应逐件按NB/T47009-2010中相应规定进行超声波检测.
3 制造控制
3.1工装准备
由于浓缩塔直径大、筒壁薄，筒节的刚度较弱，为使筒体在组对过程中刚性加强，确保塔体的椭圆度和错边量，便于筒节与筒节的组对，我们事先制作了部分筒节内支撑圈工装，外圆加工至￠3800，并将塔体上的外部加强支撑圈内径加工至筒节外径加3mm，作为外部加强支撑。（见图1）。
3.2筒节板下料
首先确认筒节材料质保书，对板材进行找方，划出尺寸线，同时在距环焊缝100mm处内、外划出基准线，作好标记作为以后组对各接管、各塔盘零部件的基准，作好材料标记移置（试板下料同时进行），经检验检收合格，贴上合格标签后在尺寸线外进行切割下料，然后刨边机刨边、刨环缝里坡口。对每块板料下料后的对角线误差不得大于2mm，由于浓缩塔塔身长，环焊缝多，塔盘支撑圈焊缝多，考虑到焊缝收缩的因素，为确保塔体的总长度，每节筒节下料划线时均预留2mm的收缩量。
筒体的二次下料工作在压头后（或预弯后）进行，选择合适的压头下模具，将压头模具正确放置于压力机位置处，把筒节料放在压头下模具上，这时应注意以下二点：使筒节的素线与模具中线平行，筒节的对接纵缝接口处放置在模具内，若放置模具外，则造成直边现象。压头预弯成形后，二次切割下料。并在刨边机上将焊接里坡口做出。
3.3筒节成型
筒节二次下料结束后，在卷板机上进行卷圆成型工作。将筒节料放置于卷板机中，板料的中线与卷板机的轧滚垂直，筒节的母线与轧滚平行。筒节滚卷合口时，控制错边量，在进行点固焊时，用与筒节同材质的材料和同材质的焊材进行固定焊。为防止纵缝焊接时产生棱角度现象，用圆弧板采取防变形措施。
筒节校园后先用内支撑圈将筒节撑圆，然后将外部加强支撑圈按排版时预定的位置套入，以此来控制单个筒节同一断面上最大内径与最小内径之差不大于3㎜，以保证筒节与筒节组对时对口错边量不大于1.5mm，拆除内支撑圈留作其他无外部加强圈的筒节用。
3.4焊接控制
图纸技术要求09MnNiDR钢板应符合GB3531-2008标准。其中P≤0.020%、S≤0.003%，低温夏比冲击试验（-70℃，V形缺口）三个试样平均值≥34J，其中允许一个试样的冲击功值<34J，但应≥24J。SA203Gr.D应符合ASME Ⅱ卷A篇SA-203《压力容器用镍合金钢板》标准的要求，并应在-70℃做低温冲击试验三个试样平均值≥34J，其中允许一个试样的冲击功值<34J，但应≥24J。
按图纸对SA203Gr.D和09MnNiDR两种材料的技术要求，焊接接头也要满足上述要求。SA203Gr.D和09MnNiDR含碳量较低，淬硬倾向和冷裂倾向小，焊接性良好。在常温下焊接一般可不需要预热。在焊件较厚或拘束度较大時，可适当预热，因图纸技术要求要满足-70℃冲击，按GB150.4-2011第8.2.2.1表5规定，SA203Gr.D和09MnNiDR焊后进行消应力热处理（580℃±20℃）。这两种材料焊接的难点就是要保证在使用温度下具有良好的冲击韧性，所以焊接时要避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性，因此低温钢焊接时采用小的焊接线能量。线能量对焊接接头韧性影响极大，有人曾经做过这方面的试验，采用不同的热输入进行比较。小的热输入试样组织是板条贝氏体和下贝氏体;而大的热输入是粒状贝氏体和上贝氏体。随着热输入的增加，组织粗化并出现脆化组织，这就是导致接头韧性降低的根本原因。SA203Gr.D和09MnNiDR钢的焊接难点是热影响区和焊缝这两个部位的冲击韧性差，选择焊材和焊接工艺参数很重要，一旦选择不合理，焊接接头很容易出现气孔、夹渣等缺陷，且焊接接头（焊缝、热影响区）的低温冲击吸收功很难达到要求。 经过焊接工艺评定试验，SA203Gr.D材料焊条焊选择了W107DR，埋弧自动焊选择了H09MnNi3D焊丝和SJ609焊剂，09MnNiDR材料焊条焊选择了W107DR，埋弧自动焊选择了H06Mn35DR焊丝和SJ208DR焊剂，焊接规范见下表1
考虑SA203Gr.D和09MnNiDR低温钢焊接特点，采取如下措施：
（1）焊前清理坡口及边缘50mm的油污、铁锈等赃物。并且厚度大于16mm要采取适当预热热措施，这样有利于提高焊缝的冲击性能;但不能过高，否则会使热影响区的晶粒长大，并在晶界析出氧化物。
（2）焊接工艺规范应严谨制定，为保证低温韧性，严格控制焊接线能量、层间温度，尽量选用细直径的焊条或焊丝（Φ3.2-Φ4mm）。
（3）为了避免焊缝金属和热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性焊接时尽量采用快速多道焊以减少过热，并可通过多层焊的重热作用细化晶粒。
（4）低温钢对缺陷和应力集中敏感性大，故应避免产生缺陷（如弧坑、咬边、未焊透及焊缝成形不良等）。
（5）焊后要进行580℃±20℃/1.5h的焊后热处理按照上述焊材、规范和工艺措施，主壳体纵、环缝100%RT Ⅱ级+100%UTⅠ级+100%MTⅠ级探伤，满足JB/T4730-2005标准要求，产品试板进行力学性能试验，尤其是-70℃冲击试验，其结果均满足图纸技术要求。
3.5塔体的组对
按图依次组对各筒节、封头，以0°、90°、180°、270°方位线为基准，确保四个方位间两筒节基准线间的距离保持一致方能焊接。在组对过程中在0°和90°方位用经纬仪测量塔身直线度，检验合格后焊缝预热焊接、手工焊里口打底，自动焊盖面，外口碳弧气刨清根，自动焊盖面，100%RT探伤合格，考虑到热处理炉的限制，塔身组合成上、下两大段，上段L=29617mm、下段L=29139mm（不含裙座）（见图2）。
上、下两大段直线度、椭圆度、探伤经检验合格后以原始基准线为基准、用经计量合格的同一盘卷尺沿筒体外壁基准线划出各管孔、外部梯子平台预焊件位置线，沿筒体内壁基准线划出塔盘支撑圈的位置线，以此来确保基准的统一性，并经检验是否合格，检验合格后开孔组对、组焊各接管、外部预焊件。
3.6总合拢
先将裙座与下段塔体封头上的裙座过渡段组对，组对时用同一把卷尺以基准线为基准，测量0°、90°、180°、270°方位上基准线到裙座底板的距离，保证四个方位上距离一致并点焊、分段焊加以固定后再焊接裙座合拢缝，焊接时不断的测量四个方位上基准线到裙座底板的距离，以此来调整焊接顺序确保裙座底板与塔体的垂直度。上段压力试验合格后与下段总合拢，由于塔体直径大，壁薄，重165吨，在滚轮上的接触为线接触，为防止组对时塔体在与滚轮接触时的自重造成筒体失稳压癟，我们预先在塔体上与滚轮接触的位置处包了三圈t=30mm、宽=500mm的保护板，以保护塔体筒壁组合后在滚轮架上转动时不失稳，组对时在0°、90°方位用经纬仪测量直线度，检验合格后预热、焊接、100%RT探伤，焊接时不断的用经纬仪测量整体的直线度，以此来调整焊接顺序确保塔体的直线度，最终合拢缝局部消除应力热处理。
4 结束语
此台H2S浓缩塔是9万吨/年制氢及配套空分项目中的关键设备，设备的成功制造、如期交付对制氢项目的建成投产有着重要作用。同时该设备也是我厂制造的首台大型低温塔器，通过此次攻关研制使我厂积累了相关设备的制造经验，对我厂今后进军大型低溫钢设备市场、创造更好的经济效益具有深远的意义。
参考文献：
[1]郭志英.H2S浓缩塔的制造[J].化工装备技术，2015，36（03）：50-52.
[2]夏雄.大型H2S浓缩塔的吊装计算[J].石油和化工设备，2015，18（05）：21-22+25.
[3]张旭峰，张艺凡，赵红艳.低温甲醇交换气洗涤塔的制造[J].化学工程与装备，2020（11）：180-182.
[4]焦金峰.低温甲醇洗工艺运行时的常见问题及解决方案[J].山东化工，2020，49（16）：125-127.