加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組焊技術(shù)

房君安張立平孫光磊

中國石油天然氣第七建設(shè)公司山東膠州266300

加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組焊技術(shù)

房君安張立平孫光磊

中國石油天然氣第七建設(shè)公司山東膠州266300

介紹了石化裝置中加氫反應(yīng)器的幾種類型及基本構(gòu)造，并結(jié)合工程實(shí)例系統(tǒng)介紹了加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)、焊接、熱處理等重要工序的施工方法及質(zhì)量控制措施，對(duì)施工同行有一定的借鑒意義。

現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接熱處理

1 加氫反應(yīng)器簡(jiǎn)介

高溫、高壓加氫反應(yīng)器是加氫裂化和加氫脫硫的核心設(shè)備，其操作條件極為苛刻，一旦發(fā)生事故將造成嚴(yán)重?fù)p失。部分加氫反應(yīng)器體積重量過大，超出車倆運(yùn)輸?shù)南薅?，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊及熱處理。

1.1 加氫反應(yīng)器3種主要類型及反應(yīng)條件

1.1.1 加氫精制

主要目的是對(duì)油品進(jìn)行改質(zhì)，以提高產(chǎn)品的安定性進(jìn)而延長發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備使用壽命，減少對(duì)環(huán)境的污染。工藝反應(yīng)條件一般為：壓力4～8MPa，溫度320～400℃，介質(zhì)為油氣、H2S和H2。

1.1.2 加氫處理

一般是將重質(zhì)油品轉(zhuǎn)化為較輕的餾分，以去掉油品中有害的氮及硫等雜質(zhì)，較輕的餾分再進(jìn)行二次加工，以獲得高質(zhì)量的輕質(zhì)油，提高原油的利用率，增加輕質(zhì)油產(chǎn)率。工藝反應(yīng)條件一般為：壓力為10～18 MPa，溫度360～450℃，介質(zhì)為油氣和H2。

1.1.3 加氫裂化

將蠟油裂解成輕質(zhì)油品，以獲得高質(zhì)量的石腦油、航空煤油及輕柴油，產(chǎn)品收率高，經(jīng)濟(jì)效率極好。工藝反應(yīng)條件一般為：壓力15～20MPa，溫度360～450℃，介質(zhì)為油氣、H2S和H2。

1.2 加氫反應(yīng)器基本構(gòu)造

1.2.1 冷壁與熱壁加氫反應(yīng)器

在60年代及70年代初期，由于當(dāng)時(shí)的冶金及制造工業(yè)水平所限（厚板的制造工藝技術(shù)、力學(xué)性能指標(biāo)的保證、不銹鋼堆焊技術(shù)等），為保證安全操作，從設(shè)計(jì)上多選擇冷壁結(jié)構(gòu)形式，即在反應(yīng)器殼體內(nèi)壁裝焊保溫釘，增設(shè)一定厚度的隔熱內(nèi)襯層，以保證殼體的壁溫一般不超過300℃，故稱為冷壁加氫反應(yīng)器。

熱壁加氫反應(yīng)器與冷壁加氫反應(yīng)器的不同在于，殼體設(shè)計(jì)取消了內(nèi)壁表面的隔熱內(nèi)襯層，這樣，殼體將直接與反應(yīng)器內(nèi)部介質(zhì)接觸，從而使殼體在工作條件下的壁溫升高。目前一般設(shè)計(jì)壁溫已達(dá)450℃左右，因此對(duì)殼體材料在化學(xué)成分及力學(xué)性能，尤其是高溫力學(xué)性能方面有著更高、更嚴(yán)格的要求。

70年代以來，隨著冶金、軋制、鍛造工藝技術(shù)能力的不斷發(fā)展和提高，已經(jīng)能夠生產(chǎn)嚴(yán)格控制化學(xué)成分及保證良好綜合力學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)大厚度板材及大型鍛件，在設(shè)備制造技術(shù)方面，先進(jìn)的可保證特殊技術(shù)要求的不銹鋼堆焊材料及工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，這就促使熱壁加氫反應(yīng)器的應(yīng)用日趨廣泛。

熱壁加氫反應(yīng)器相比于冷壁加氫反應(yīng)器，有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：一是在相同外形尺寸下，增大了反應(yīng)器內(nèi)部有效容積，提高了生產(chǎn)能力；二是熱壁加氫反應(yīng)器沒有內(nèi)襯隔熱層，有效避免了由于內(nèi)襯局部損壞（脫落）而造成殼體局部超溫引起的鼓泡（材料局部塑性變形—由于殼體材料高溫強(qiáng)度低，在內(nèi)部工作壓力的作用下引起的局部向外突起）；三要避免了由此而造成停產(chǎn)、開罐修復(fù)的損失。

1.2.2 單層與多層殼體結(jié)構(gòu)

從設(shè)計(jì)角度首先應(yīng)保證反應(yīng)器的安全性，同時(shí)在制造使用過程中必須能完全可靠地進(jìn)行檢驗(yàn)及監(jiān)察，這就要求反應(yīng)器殼體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此最好是單層結(jié)構(gòu)。

單層結(jié)構(gòu)是以板材按厚度設(shè)計(jì)要求卷制筒體或鍛件制作筒體；而多層結(jié)構(gòu)是以一個(gè)一定壁厚（較?。┑膬?nèi)筒為基軸，在外壁采用繞帶或多層包扎而制成設(shè)計(jì)要求厚度的筒體，這種制造筒體的方法解決了沒有大厚度板材以及大功率的卷板設(shè)備而要制造高壓厚壁設(shè)備的問題，但對(duì)于加氫反應(yīng)器這種使用條件苛刻，一旦發(fā)生事故將造成重大危害的關(guān)鍵設(shè)備[3]則不適用。

加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示：設(shè)備主殼體包括筒體、上、下封頭、下封頭過渡段；上、下彎管、冷氫口、卸料口及熱電偶口和裙座等。設(shè)備內(nèi)件由入口擴(kuò)散器，頂部分配盤，積垢籃，格柵，冷氫盤、噴射盤、再分配盤及出口收集器等組成。

2 加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)

某石化公司柴油加氫改質(zhì)裝置加氫反應(yīng)器為單層熱壁加氫反應(yīng)器，設(shè)計(jì)壓力12.6MPa，設(shè)計(jì)溫度415～435℃，介質(zhì)為油、油氣、H2S和H2，重約430t。加氫反應(yīng)器規(guī)格φ3400×（150+6.5）×34100mm，分上段（18600mm）、下段（15500mm）兩段到貨，需在現(xiàn)場(chǎng)組焊一道環(huán)縫。為了保證加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)質(zhì)量，需要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置10×60m2的施工區(qū)域，該區(qū)域必須用碎石夯實(shí)，其中一塊8×25m2的獨(dú)立承載區(qū)域需設(shè)置鋼筋混凝土地基并安裝導(dǎo)軌（見圖2），導(dǎo)軌水平度控制在±5mm之內(nèi)。導(dǎo)軌上面放置防偏移滾輪架、環(huán)縫裝配滾輪架，加氫反應(yīng)器到貨后放置到滾輪架上，放置反應(yīng)器時(shí)要注意法蘭、接管的保護(hù)。

環(huán)縫組對(duì)前坡口打磨清理干凈，出廠標(biāo)記中心線必須對(duì)齊，檢查外部管口方位是否符合圖紙要求、設(shè)備內(nèi)支撐板是否在同一軸線上。組裝過程中嚴(yán)格控制焊縫間隙、對(duì)口錯(cuò)邊量及設(shè)備直線度，錯(cuò)邊量≤6mm，且對(duì)口錯(cuò)邊量周圈均勻一致，對(duì)超差部位打磨過渡時(shí)保證筒體最小厚度（δmin148）要求。最后通過滾輪架調(diào)整設(shè)備整體直線度，設(shè)備直線度≤20mm。

3 加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)焊接

3.1 焊接方法及設(shè)備

根據(jù)反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)焊接的實(shí)際情況，基層正面選用埋弧自動(dòng)焊，基層背面碳弧氣刨后采用手工電弧焊，過渡層及復(fù)層采用手工電弧焊。焊接設(shè)備選用龍門架窄間隙埋弧焊機(jī)、500A逆變焊機(jī)。

3.2 焊接材料的選用

加氫反應(yīng)器筒體為復(fù)合鋼板（鉻鉬鋼堆焊雙層不銹鋼），基層材質(zhì)為12Cr2Mo1R(H)，過渡層材質(zhì)為TP309L，復(fù)層材質(zhì)為TP347。基層外側(cè)焊絲選用US521S、焊劑選用PF200，基層內(nèi)側(cè)焊條選用CM-106N；過渡層焊條選用E309L；復(fù)層焊條選用E347L。

3.3 坡口

坡口形式的設(shè)計(jì)對(duì)焊接質(zhì)量起到很重要的作用，加氫反應(yīng)器選用坡口（見圖3）。

正面采用U型坡口，坡口寬度在24～32mm之間，埋弧焊在這個(gè)坡口寬度區(qū)間內(nèi)脫渣性能最好，有效地節(jié)省了清渣時(shí)間，提高了焊接效率，更防止了氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生。過渡層與基層接觸部分，車削進(jìn)母材深度2mm、寬度10mm，這種坡口形式能非常好的保證過渡層的焊接質(zhì)量，防止過渡層與基層的剝離?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際無損檢測(cè)結(jié)果顯示，過渡層與基層100%結(jié)合，沒有出現(xiàn)類似裂紋及未融合的缺陷。

3.4 焊前預(yù)熱

由于12Cr2Mo1R(H)鋼淬硬傾向大，在焊縫及焊縫兩邊各200mm范圍內(nèi)采用電加熱帶進(jìn)行預(yù)熱，通過降低焊縫的冷卻速度來控制冷裂紋的產(chǎn)生。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在反應(yīng)器正下方做一個(gè)弧度與反應(yīng)器相同、弧長為反應(yīng)器1/3弧長的鞍座，電加熱帶平鋪在鞍座上，電加熱帶距離反應(yīng)器筒體10mm，依此來保證焊縫的降溫速度及層間溫度。加氫反應(yīng)器基層、過渡層的焊接前需要預(yù)熱，基層預(yù)熱溫度200～250℃，過渡層預(yù)熱溫度選用120～160℃。

3.5 焊接工藝

12Cr2Mo1R(H)焊接過程中，焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)的組織及性能有很大的影響。在低輸入熱焊接時(shí)，熱影響區(qū)變窄，但是冷速太快容易得到淬硬的馬氏體組織。在較高的輸入熱情況下，可得貝氏體組織。如果輸入熱很大，甚至可得到粗大鐵素體+珠光體組織[5]。對(duì)Cr-Mo調(diào)質(zhì)鋼處于高溫回火區(qū)的部位，由于飽和固溶體的分解還會(huì)形成軟化區(qū)，從而使接頭強(qiáng)度降低。為了防止母材熱影響區(qū)晶粒增大，從而降低缺口韌性，限制焊接熱輸入是很重要的。調(diào)質(zhì)鋼的軟化行為受焊接熱影響也較明顯，因此焊接規(guī)范的選擇就更為嚴(yán)格。Cr-Mo鋼淬硬傾向大，為了防止冷裂，焊接區(qū)的冷速可以通過預(yù)熱的辦法來降低。因此焊接規(guī)范的考慮應(yīng)著眼于減小熱影響區(qū)，降低軟化區(qū)，采用較小的焊接線能量[6]。加氫反應(yīng)器用焊接工藝規(guī)范（見表1）。

除焊接熱輸入量外，控制多層焊的層間溫度，亦是影響熱影響區(qū)組織性能的重要因素。表2是焊接規(guī)范相同而層間溫度不同的12Cr2Mo1R(H)鋼接頭性能，可以看到很高的層間溫度使焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性都有所降低。因此在控制焊接規(guī)范的同時(shí)，對(duì)層間溫度也要給以限制，一般層間溫度不要超過預(yù)熱溫度的上限[7]。

3.6 熱處理

Cr-Mo鋼制反應(yīng)器淬硬傾向大，焊后熱影響區(qū)組織一般為貝氏體，硬度高、韌性低[5]。為了改善組織和性能，同時(shí)消除焊接應(yīng)力，焊后必須進(jìn)行熱處理。由于Cr-Mo鋼有很好的高溫強(qiáng)度，因此規(guī)范都推薦采用比較高的熱處理溫度。焊接接頭的性能在很大程度上取決于焊后熱處理規(guī)范，當(dāng)回火溫度較低或保溫時(shí)間不足時(shí)，焊縫及近縫區(qū)金屬具有較高的強(qiáng)度，而塑性、韌性偏低；反之，提高回火溫度時(shí)，焊縫及近縫區(qū)強(qiáng)度有所下降，而塑、韌性則隨之提高。制造反應(yīng)器常用的幾種鋼材的熱處理溫度（見表3）。

表1 焊接工藝規(guī)范

此外，反應(yīng)器每條環(huán)縫焊完后，為了消除應(yīng)力和氫，還要進(jìn)行中間退火處理。這樣，一臺(tái)設(shè)備往往要經(jīng)過多次熱處理，長時(shí)間熱處理會(huì)使焊接接頭強(qiáng)度降低，而且多次進(jìn)爐勢(shì)必延長生產(chǎn)周期，增加制造成本。為了克服上述問題，許多試驗(yàn)研究表明[ 8，9]，采用較低的溫度進(jìn)行后熱消氫，可有效代替中間退火。后熱的溫度一般為300～350℃，保溫2～6h，使焊縫的擴(kuò)散氫充分逸出，從而避免裂縫產(chǎn)生。

表2 層間溫度對(duì)性能的影響

表3 Cr—Mo鋼焊后熱處理溫度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，加氫反應(yīng)器環(huán)縫進(jìn)行后熱、焊后熱處理。外側(cè)焊縫焊接過程中如果出現(xiàn)中斷焊接的情況，則進(jìn)行一次后熱；內(nèi)側(cè)焊縫及堆焊層焊接完成后各進(jìn)行一次后熱，后熱溫度為300～350℃，保溫3h，后熱使用電加熱片，用溫控柜進(jìn)行控制。焊后熱處理在所有焊接完成并檢測(cè)合格后進(jìn)行，熱處理采用公司自制的簡(jiǎn)易組裝型熱處理爐（燃油式卡式爐），熱處理工藝規(guī)范（見表4）。

4 質(zhì)量控制

（1）參加施焊的焊工必須持有國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門頒發(fā)的焊工合格證并在有效期內(nèi)，焊工合格證必須與施焊項(xiàng)目相符合。

（2）焊接及熱處理使用的設(shè)備必須正常運(yùn)轉(zhuǎn)且能滿足焊接及熱處理的施工要求。

（3）焊材、焊劑必須經(jīng)過嚴(yán)格的烘干，隨用隨取。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行公司檢驗(yàn)制度，每道工序檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)入下一道工序的施工。工序檢驗(yàn)程序及內(nèi)容（見表5）。

表4 熱處理工藝規(guī)范

表5 工序檢驗(yàn)程序及內(nèi)容

（5）搭設(shè)有效可靠的防風(fēng)防雨棚，并設(shè)專人對(duì)焊接環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)語

了解加氫反應(yīng)器幾種類型及基本構(gòu)造，分析12Cr2Mo1R (H)的力學(xué)性能、組織變化及焊接特點(diǎn)，通過控制組對(duì)質(zhì)量、焊接工藝、預(yù)熱、后熱、焊后熱處理規(guī)范來達(dá)到控制焊縫質(zhì)量的目的。某石化公司加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組焊及熱處理取得了非常滿意的效果，焊縫的各項(xiàng)指標(biāo)都符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，從而證明了加氫反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)組焊及熱處理方案有效可行，對(duì)施工同行有一定的借鑒意義。

1《國家重大技術(shù)裝備“八.五技術(shù)鑒定資料》國家重大技術(shù)裝備司

P.6-8.

2《石油化工工藝學(xué)》李淑培中國石化出版社P.126.

3《熱壁加氫反應(yīng)器制造技術(shù)》楊光起P.26-28.

4《復(fù)合鋼的推薦坡口》GB/T985.4-2008P.3.

5 Zeke,j/British Welding Journal.May 1966,pp.258-268.1998

6 Naganathan,,S.et al,Welding journal,Ressarch Supplement, Vol.52,No.1.1996

7《蘭石科技》李曉耀P22-26.1988.2.

8《21/4Cr-1Mo在厚壁壓力容器中的應(yīng)用》P16-18.1988.

9日本住友.2 1/4Cr-1Mo鋼用高韌性埋弧自動(dòng)焊熔接材料的開發(fā)P20.1996.

TE682

B

1672-9323（2012）03-0064-03

2012-03-23)