新建100萬(wàn)T/年大型煉化裝置工程焊接施工技術(shù)

田彥來(lái)，張洪濤，王榮青，王 吉

（中國(guó)石油天然第七建設(shè)公司，山東 青島 266061）

0 前言

中國(guó)石油烏魯木齊石化分公司新建100萬(wàn)t/年對(duì)二甲苯（PX）芳烴聯(lián)合裝置采用了目前世界上同類裝置中單系列規(guī)模最大、最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝流程，項(xiàng)目建設(shè)總投資39.2億元，裝置生產(chǎn)工藝包采用了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)。該裝置鋼結(jié)構(gòu)安裝量約6 110 t；以吸附塔、二甲苯塔為主的8臺(tái)大型非標(biāo)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分片組焊，共計(jì)約2 856 t；加熱爐11座；工藝管道約為106 km，折合焊接當(dāng)量超過(guò)348 000寸，材質(zhì)包括碳鋼、不銹鋼、鉻鉬鋼等。

該裝置焊接工程量大，材質(zhì)多，質(zhì)量要求高。通過(guò)建立健全質(zhì)量體系，采取有效、適用的焊接技術(shù)，是保證和提高焊接質(zhì)量，保障煉化工程的實(shí)體質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率的前提。

1 焊接質(zhì)量控制

1.1 建立質(zhì)量保證體系

按照特種設(shè)備安裝規(guī)定和公司質(zhì)量體系要求，對(duì)國(guó)家強(qiáng)制監(jiān)檢的施工內(nèi)容建立了專項(xiàng)壓力容器、壓力管道安裝的質(zhì)量保證體系。進(jìn)一步完善了各項(xiàng)管理規(guī)章制度，編制了管理性文件、過(guò)程管理性文件、技術(shù)質(zhì)量管理文件。完善了包括崗位職責(zé)、管理流程、焊工培訓(xùn)教育、質(zhì)量檢驗(yàn)檢查、質(zhì)量獎(jiǎng)懲辦法等內(nèi)容的管理制度。

1.2 相關(guān)管理要求

（1）焊工管理。

施工前編制了《焊工資格管理程序》，焊接作業(yè)人員必須持有質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門頒發(fā)的有效的合格證書，并具有與之相應(yīng)的合格項(xiàng)目方可進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)后按其有效項(xiàng)目報(bào)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)業(yè)主及監(jiān)檢單位組織的入場(chǎng)焊接考核，取得上崗證后方可參加與其考核合格項(xiàng)目匹配的焊接施工。

（2）焊接材料。

現(xiàn)場(chǎng)組焊使用的焊材同時(shí)滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)單位的特殊要求。焊材的管理嚴(yán)格執(zhí)行項(xiàng)目《焊材管理規(guī)定》，保證從源頭、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、發(fā)放及回收等各種環(huán)節(jié)對(duì)焊材進(jìn)行控制，從而保證焊材質(zhì)量。

焊接材料必須具有質(zhì)量證明書，焊材設(shè)專人負(fù)責(zé)保管、烘干和發(fā)放工作。存放焊接材料的庫(kù)房設(shè)置祛濕機(jī)等保質(zhì)設(shè)施（見(jiàn)圖1），通風(fēng)條件良好，嚴(yán)防潮濕。室內(nèi)濕度在60%以下，溫度不低于5℃。施工中焊材按其使用說(shuō)明書進(jìn)行烘干和保溫，若焊條說(shuō)明書無(wú)烘干要求，則應(yīng)滿足JB/T4709-2000（新標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》）。

（3）焊接設(shè)備。

投入現(xiàn)場(chǎng)使用的焊機(jī)和焊接電源都應(yīng)處于完好狀態(tài)。設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后，按要求報(bào)驗(yàn)，檢查合格后投入使用。

焊接設(shè)備的安置靠近于施焊地點(diǎn)，并有防護(hù)設(shè)施和可靠的接地。焊接時(shí)，專人每天對(duì)在用焊接設(shè)備進(jìn)行巡檢，每周定期對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，以保證其處于完好狀態(tài)。用于焊材烘干保溫的焊材烘干箱與焊接設(shè)備一樣，定期進(jìn)行檢查維護(hù)，保證其完好和正常工作。

圖1 焊接材料的儲(chǔ)存

（4）檢試驗(yàn)用設(shè)備。

檢試驗(yàn)用設(shè)備（器具）均經(jīng)國(guó)家法定的計(jì)量鑒定部門鑒定合格，且在規(guī)定的有效期內(nèi)使用。

（5）嚴(yán)把關(guān)鍵物資到貨質(zhì)量。

關(guān)鍵到貨物資，如低合金鋼管、管件、爐管等材料進(jìn)行聯(lián)合檢查驗(yàn)收，簽字確認(rèn)，嚴(yán)把材料的檢查驗(yàn)收關(guān)。

2 焊接技術(shù)探索

2.1 運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，優(yōu)化方案，提高大口徑合金鋼管焊接的效率及質(zhì)量

針對(duì)這種情況，運(yùn)用高端計(jì)算機(jī)軟件，優(yōu)化技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)地面最大深度組焊預(yù)制，大幅度減少高空作業(yè)，提高了焊接、熱處理生產(chǎn)效率，保證了焊接及熱處理的質(zhì)量。利用PDMS三維管道軟件對(duì)“四合一爐區(qū)”工藝管線進(jìn)行模擬預(yù)制安裝如圖2所示。

2.2 采用先進(jìn)的加熱爐爐管施工方法，降低焊工的操作難度，保證合格率

在爐管施工前，制作爐管預(yù)制胎具（見(jiàn)圖3）。搭設(shè)爐管焊接防風(fēng)棚，加大預(yù)制深度，無(wú)損檢測(cè)、熱處理及硬度測(cè)試均在地面上進(jìn)行。方法進(jìn)行安裝，如圖4所示。這種方法減少了固定口和障礙焊口的焊接，提高了焊接質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度。

四合一爐爐管焊材由國(guó)外進(jìn)口，隨爐管配對(duì)進(jìn)貨，針對(duì)這種焊材進(jìn)行焊接工藝評(píng)定工作，優(yōu)化了焊接工藝，滿足焊接質(zhì)量要求。制作焊接工藝評(píng)定兩項(xiàng)分別為：P9材質(zhì)——焊絲ER80S-B8，焊條E8016-B8）；1Cr與P9材質(zhì)對(duì)焊——焊絲ER80S-B2，焊條E8016-B2。

2.3 防厚壁容器焊接變形的新措施

該工程塔器多為厚壁容器，其中吸附塔最厚處

四合一輻射室爐管為正“U”型，跨度3 050 mm，爐管管排多，跨度大，安裝難度高。為解決以上難題，采取在地面預(yù)制成“U”型管型式，兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)配合吊裝的方法進(jìn)行安裝，大大提高了工作效率；四合一對(duì)流式爐管長(zhǎng)達(dá)38 m，對(duì)安裝又帶來(lái)了困難，采用預(yù)制U型彎從一側(cè)穿管、另一側(cè)焊接固定口的施工方法，施工效果良好；另一側(cè)焊接固定口時(shí)，采用從上到下、從右到左的施工順序，把間隙小、操作困難的地方留給右手操作、平焊位置。

圓筒爐爐管輻射室采用分片預(yù)制、分片吊裝的達(dá)104 mm。在以往容器組焊施工過(guò)程中，容器坡口多為X型坡口，焊接方法為外坡口處焊到剩余兩遍焊縫不焊，將內(nèi)部氣刨清根，焊接內(nèi)坡口，待內(nèi)坡口焊接好再完成外坡口的焊接。在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用這種傳統(tǒng)方法焊接完成的塔器存在較大的棱角度偏差，而且調(diào)校過(guò)程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且成型差，在經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)和一系列驗(yàn)證性試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在外坡口側(cè)焊接25～30 mm后將內(nèi)側(cè)坡口焊接完，再焊接外側(cè)坡口，達(dá)到的效果最好。壓力容器的焊接主要采用埋弧自動(dòng)焊和氬電聯(lián)焊的焊接工藝，此方法大大提高了焊接效率，如圖5所示。

圖2 優(yōu)化技術(shù)方案

圖3 制作爐管預(yù)制胎具、熱處理

圖5 防厚壁容器焊接變形的新措施

圖4 分片預(yù)制、分片吊裝

厚壁塔器組焊過(guò)程中防止焊接變形極為重要。當(dāng)一切條件具備后，壓力容器的成型質(zhì)量主要取決于如何防止焊接變形。主要有如下幾種措施：

a.用卡具、弧形板、“米”字型支撐等進(jìn)行控制（見(jiàn)圖6）；b.根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先估計(jì)正面焊接變形的方向和大小，然后在背面焊接時(shí)給予一個(gè)方向相反、大小相等的預(yù)置變形，以抵消正面焊后產(chǎn)生的變形；c.根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在焊件備料及加工時(shí)預(yù)先考慮收縮余量，以便焊后筒節(jié)達(dá)到所要求的形狀、尺寸。

圖6 “米”字型支撐

最初的施工中，采用第一種與第三種方法相結(jié)合的辦法，每個(gè)筒節(jié)預(yù)組裝時(shí)，考慮縱縫收縮余量，將周長(zhǎng)放大約12 mm，然后內(nèi)部使用卡具、支撐等固定，進(jìn)行預(yù)熱、焊接。這種方法可以滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，但缺點(diǎn)是施工周期較長(zhǎng)，手段用料用量大，且后續(xù)處理工作較繁瑣。

經(jīng)過(guò)研究決定，采用第二種與第三種方法相結(jié)合的辦法。利用反向變形措施（見(jiàn)圖7），具體方法為：a.大坡口側(cè)焊27 mm厚度，轉(zhuǎn)至小坡口側(cè)焊接，若小坡口側(cè)厚度小于27 mm，則全部焊完，否則焊27 mm；b.在轉(zhuǎn)到焊小坡口側(cè)時(shí)，先氣刨清根，刨深約10 mm。c.焊接過(guò)程中，盡可能使用跳焊，防止因熱量過(guò)于集中發(fā)生變形。

圖7 反向變形措施

事實(shí)證明，該方法施工周期比最初的方法大大縮短，且只需要少量的卡具，壁板打磨量也減少了，筒體成型美觀。

2.4 采用新技術(shù)作為支撐

運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)作支撐，采用內(nèi)置燃燒器“旋轉(zhuǎn)增壓反射法”解決了大型現(xiàn)場(chǎng)組焊壓力容器焊后整體消應(yīng)力退火的難題，確保設(shè)備熱處理一次成功。

二甲苯塔受現(xiàn)場(chǎng)條件制約，只能組裝完成后進(jìn)行整體熱處理。其高度與直徑之比超過(guò)5∶1（筒體高度55.6 m，最大直徑8.9 m）。為了確保熱處理滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求、在熱處理過(guò)程中塔體的穩(wěn)定性良好且受熱均勻，與專業(yè)熱處理公司反復(fù)討論方案，并與SEI、中國(guó)通用機(jī)械研究院有限公司緊密聯(lián)系，經(jīng)過(guò)應(yīng)力核算和SEI書面批復(fù)后，采取兩臺(tái)燃燒器同時(shí)加熱的整體熱處理方法。塔器整體制作完成后，燃燒器做如下布置：第一臺(tái)燃燒器安裝于塔體下部，從裙座開(kāi)口部分與下封頭底部LO接管進(jìn)入，進(jìn)行燃燒加熱；第二臺(tái)燃燒器將通過(guò)塔體中部偏上的人孔（FM）進(jìn)入塔體，進(jìn)行燃燒加熱，以減少熱處理過(guò)程的上下溫差。二甲苯塔現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理系統(tǒng)布置如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理系統(tǒng)布置

為了保證測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，在二甲苯塔體布置了64個(gè)熱電耦。熱電耦采用國(guó)際先進(jìn)的儲(chǔ)能式點(diǎn)焊機(jī)焊接在塔壁，盡可能減小因熱量傳遞問(wèn)題引起的誤差，此方法已在多臺(tái)設(shè)備熱處理中得到應(yīng)用，效果明顯優(yōu)于接觸法。

為保證熱處理效果，保證設(shè)備在熱處理過(guò)程中不失穩(wěn)，對(duì)二甲苯塔進(jìn)行熱處理過(guò)程溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力有限元分析計(jì)算，保溫時(shí)塔內(nèi)煙氣溫度660℃，內(nèi)壁煙氣熱交換系數(shù)123.4 W/（m2·℃），環(huán)境空氣溫度為15℃，保溫層外表（外壁）空氣熱交換系數(shù)為15.6 W/（m2·℃），裙座封閉處考慮熱輻射的影響，金屬一側(cè)黑度0.8，保溫材料一側(cè)黑度0.93。對(duì)二甲苯塔進(jìn)行熱處理過(guò)程溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力有限元分析計(jì)算，有限元分析模型如圖9~圖11所示。

2.5 焊接方法

大型H型鋼采用焊條電弧焊與CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊相結(jié)合的焊接工藝，管道焊接采用氬弧焊、氬電聯(lián)焊的焊接工藝，提高了焊接效率，保證了穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，焊縫成形美觀，降低了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

圖9 二甲苯塔熱處理保溫過(guò)程溫度場(chǎng)有限元分析模型

圖10 二甲苯塔熱處理保溫過(guò)程溫度場(chǎng)分布

圖11 二甲苯塔熱處理保溫過(guò)程熱應(yīng)力

通過(guò)建立健全質(zhì)量體系、完善管理制度、樹(shù)立全面的質(zhì)量概念、加強(qiáng)全過(guò)程的質(zhì)量管理、樹(shù)立全員參加的管理理念，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五大環(huán)節(jié)加以控制，提高技術(shù)指導(dǎo)，優(yōu)化施工方案，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，在施工過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)質(zhì)量、安全、進(jìn)度全面受控。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)組焊設(shè)備焊接一次合格率99.2%、工藝管道焊接一次合格率98.2%、爐管焊接一次合格率99.3%、焊接工序報(bào)驗(yàn)一次合格率100%，按期優(yōu)質(zhì)圓滿完成了芳烴聯(lián)合裝置焊接工程施工任務(wù) 并榮獲“全國(guó)優(yōu)秀焊接工程”。