急冷器建造中的質(zhì)量保證

鄧香中 關(guān)慶賀 張 光 中國石油遼陽石油化纖公司機械廠

乙烯是石油化工的上游產(chǎn)品，蒸汽裂解是乙烯的龍頭裝置，而裂解氣急冷器則是裂解裝置的關(guān)鍵設(shè)備。在百萬噸乙烯的工程中，筆者單位先后承接了13臺急冷器的制造。鑒于急冷器操作工況苛刻，入口設(shè)計溫度高達560℃，并且采用急冷油直接冷卻裂解氣方式，使得裂解氣與急冷油入口的特殊結(jié)構(gòu)不僅對材料及焊接要求嚴(yán)格，而且對裝配精度也要求高?，F(xiàn)對質(zhì)量計劃中幾個重要項目的質(zhì)量控制從設(shè)計角度進行解讀，為的是加深理解并總結(jié)壓力容器建造質(zhì)量保證體系的有效運行。

壓力容器建造質(zhì)量保證體系（以下簡稱質(zhì)保體系）是由18個基本要素構(gòu)成，并將18個要素中較為重要的過程分為9個質(zhì)量控制系統(tǒng)，再對9個質(zhì)量控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)和控制點提煉成質(zhì)量計劃，以達到質(zhì)保體系“自上而下層層展開，自下而上環(huán)環(huán)保證”的有效運行機制，實現(xiàn)以質(zhì)量計劃規(guī)范過程控制生產(chǎn)合格產(chǎn)品的目的。

1 設(shè)計文件審查

正確理解壓力容器設(shè)計文件是編制質(zhì)量計劃制造合格產(chǎn)品的前提。外來設(shè)計文件審查不僅要注重其合法性、有效性及符合性，而且更應(yīng)在掌握設(shè)計意圖和結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求的前提下注重工藝性審查。質(zhì)保體系及技術(shù)裝備能否滿足承制容器的質(zhì)量要求，涉及冷熱加工工藝、焊接工藝評定與焊接工藝及焊工、無損檢測工藝及檢測手段、熱處理等控制能力，所以《外來設(shè)計文件審查記錄》應(yīng)能體現(xiàn)外來設(shè)計文件控制環(huán)節(jié)與其他相關(guān)控制系統(tǒng)責(zé)任工程師間的接口關(guān)系，既要有審圖人及設(shè)計責(zé)任工程師的審簽，也應(yīng)有工藝、焊接、無損檢測及熱處理等責(zé)任工程師的會簽，以做好制造過程各環(huán)節(jié)的工藝控制。

急冷器是用急冷油直接冷卻裂解氣，其設(shè)計壓力為0.35/-0.05MPa，設(shè)計溫度：入口560℃/出口410℃，屬于Ⅱ類壓力容器。

1.1 結(jié)構(gòu)特點

總體結(jié)構(gòu)(如圖1所示)由錐體、圓筒及連接法蘭組成，可分為上、中、下三部分，其中上段為裂解氣與急冷油入口的分布器，中段為裂解氣與急冷油混合器，而下段則是與下游設(shè)備連接的過渡段。如此可見，上段分布器和中段混合器是急冷器的設(shè)計重點和制造難點，工藝控制應(yīng)注重分布器與混合器的制作和組裝要求。

圖1 急冷器

如分布器系由φ600mm×10mm內(nèi)圓筒用倒錐體焊在外殼的錐體上，并在內(nèi)圓筒的外側(cè)套入φ650mm×10mm外套筒。外套筒的上端用倒錐體焊在外殼的圓筒上，一方面倒錐體起到固定外套筒的作用，另一方面作為吹掃蒸汽入口分布；而外套筒的下端外側(cè)與殼體間以3塊沿圓周均布的定位板限定，外套筒的下端內(nèi)收口30°并以6段沿圓周均布的φ5mm×30mm擋塊與內(nèi)圓筒形成均勻間隙；外套筒與內(nèi)筒間的環(huán)隙通道作為吹掃蒸汽用，同時外套筒也對急冷油入口處的內(nèi)筒起到防沖作用。據(jù)此設(shè)計要求殼體圓筒、內(nèi)圓筒和外套筒的圓度允差不大于1mm，三者的同軸度允差不大于1mm。

1.2 材料要求

鑒于各段的工況溫度不同，所用的材料也不同。有關(guān)材料的特殊要求是為滿足急冷器高溫使用性能的需要，如上、中段設(shè)計選用的耐高溫不銹鋼板304H要求符合ASME SA-240/240M，且進行525℃高溫屈服試驗，試驗值不低于108MPa，晶粒度尺寸不小于ASTM的N0.7級，并要求制造廠復(fù)驗化學(xué)成分和力學(xué)性能。所以不僅要在材料采購及驗收中應(yīng)予控制，而且在焊接工藝中更應(yīng)控制。

1.3 制造與檢驗

急冷器按GB150－1998制造、檢驗與驗收，并接受TSG R0004－2009的監(jiān)督；焊接材料與焊接規(guī)程按NB/T47015－2011的規(guī)定；無損檢測按JB/T4730－2005進行，A、B接頭100%RT-Ⅱ，C、D接頭100%PT-Ⅰ；水壓試驗壓力臥試0.65MPa，要求控制水中氯離子含量不超過25mg/L，水壓試驗合格后以0.35MPa進行氣密性試驗，并考慮上下段的入/出口圓筒的封口及預(yù)留長度，這些相應(yīng)控制環(huán)節(jié)的工藝規(guī)程進行考慮。

2 材料控制

材料質(zhì)量控制應(yīng)關(guān)注采購、驗收、保管、代用、發(fā)放和使用等6個環(huán)節(jié)。其中保管應(yīng)做到材料狀態(tài)完好無損，不受污染和腐蝕；而代用、發(fā)放和使用則要做到正確使用滿足設(shè)計要求的材料，防止錯用；可見用好材料的關(guān)鍵是采購和驗收，只有采購滿足設(shè)計要求并經(jīng)復(fù)驗驗收合格的材料，才能保證材料的正確使用。

《容規(guī)》以化學(xué)、力學(xué)、物理、工藝等4項性能界定壓力容器用材，其中化學(xué)性能不僅決定力學(xué)、物理及工藝性能，而且也決定材料的使用范圍。例如根據(jù)含碳量的不同，將不銹鋼分為耐腐蝕不銹鋼和耐高溫不銹鋼，所以，GB150－4.1.6規(guī)定“奧氏體鋼的使用溫度高于525℃時,鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%”，這就是急冷器上、中段材料選擇304H的原因所在。

《容規(guī)》的2.9對境外牌號材料的使用做出明確規(guī)定：境外牌號材料的技術(shù)要求不得低于境內(nèi)相近牌號材料的技術(shù)要求，其使用范圍應(yīng)符合引用標(biāo)準(zhǔn)中相近牌號材料的規(guī)定，并要求容器制造廠對境外牌號材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能進行驗證性復(fù)驗，首次使用的尚應(yīng)進行焊接工藝評定；境內(nèi)制造的境外牌號材料除應(yīng)符合境外制造的材料標(biāo)準(zhǔn)要求外，尚應(yīng)通過《容規(guī)》1.9規(guī)定的技術(shù)評審。如此可見，境內(nèi)制造的ASME SA-240/240M不銹鋼板304H是允許選用的。值得提示的是，采購時應(yīng)按設(shè)計要求注明“525℃高溫屈服試驗，試驗值不低于108MPa”。表1和表2分別列出了304H鋼板化學(xué)成分和力學(xué)性能的ASME、GB與實物的對照。由表看出，對于304H鋼板GB可以代替ASME；實物和復(fù)驗值也都符合ASME及GB要求。需要說明的是，GB24511是GB150壓力容器所引用的專用材料標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)要求較ASME明確，并符合國情更便于設(shè)計者選用，這就是《容規(guī)》主張優(yōu)先選用國家標(biāo)準(zhǔn)材料的原因。

表1 304H鋼板化學(xué)成分 %

表2 304H鋼板力學(xué)性能對照

其它材料也都按程序進行采購并驗收合格后使用。

3 焊接控制

焊接是繼設(shè)計質(zhì)量控制系統(tǒng)（9個控制環(huán)節(jié)20個控制點）和材料與零部件質(zhì)量控制系統(tǒng)（6個控制環(huán)節(jié)17個控制點）后的第三個質(zhì)量控制系統(tǒng)（8個控制環(huán)節(jié)28個控制點）。通過對焊接過程的8個控制環(huán)節(jié)28個控制點的監(jiān)控，尤其是對焊材、焊接工藝評定、焊接工藝及施焊記錄和檢驗等的控制與見證，有效提高了焊接接頭的質(zhì)量。

對于304H的焊接，鑒于奧氏體耐熱不銹鋼的焊縫性能對熔敷金屬中化學(xué)成分敏感，為防止焊接材料中易氧化的合金元素如Cr在焊接時燒損，保證熔敷金屬中化學(xué)成分的穩(wěn)定，焊接工藝專門提出了焊接注意事項：焊接時必須盡可能短弧焊，并不做過度橫向擺動，保持焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定；多層焊時，每層焊縫的接頭處要錯開，避免層溫過高，控制層溫≤120℃。并分別給出了A、B類和D類等焊接接頭的焊接規(guī)程。

對于304H圓筒A、B接頭，焊接工藝采用如圖2所示的V形外坡口，先用氬弧焊打底層，再用手弧焊施焊二、三層，最后用埋弧焊施焊其余層，并明確規(guī)定了所用的相應(yīng)焊材及焊接參數(shù)。焊接后外觀檢查，再進行100%RT-Ⅱ合格。

圖2 A、B類接頭

接管與圓筒的D類焊接接頭如圖3所示。焊接采用手弧焊，先里面施焊，再背面清根全焊透，焊接后外觀檢查，再進行100%PT-Ⅰ合格。

圖3 D類接頭

4 外觀和結(jié)構(gòu)尺寸

外觀質(zhì)量直接反映制造廠的門面和底蘊，而結(jié)構(gòu)尺寸則是實現(xiàn)容器的技術(shù)特性和安全使用功能的關(guān)鍵。這既要在制造工藝文件中要求，更要在質(zhì)量計劃中控制。根據(jù)特性尺寸容器直徑和管口尺寸及方位等，合理排版下料，使容器的焊接接頭布局合理，并對容器結(jié)構(gòu)的尺寸偏差及形位公差提出控制，以保證容器的安全使用性能達到要求。

重點控制分布器與混合器的制作與組裝應(yīng)符合設(shè)計要求。首先控制殼體圓筒、分布器的內(nèi)圓筒和外套筒的圓度允差不大于1mm，同時通過對內(nèi)圓筒的倒錐體和外圓筒的倒錐體的成形控制，以及兩錐體分別與殼體組焊的控制來保證殼體圓筒與分布器的內(nèi)圓筒及外套筒三者的同軸度允差不大于1mm。二要控制混合器圓筒與殼體圓筒的圓度允差不大于1mm，并保證殼體圓筒與混合器圓筒及碟形盤的同軸度允差不大于1mm。三要控制混合器圓筒的上端外擴口30°與分布器的外套筒下端內(nèi)收口30°之間形成的20mm通道符合設(shè)計要求。

5 無損檢測控制

根據(jù)304H的焊接特點及容器的重要性，設(shè)計要求對容器的A、B接頭100%RT-Ⅱ，C、D接頭100%PT-Ⅰ。

制造要達到設(shè)計要求，關(guān)鍵在于對無損檢測質(zhì)量的控制。首先，無損檢測部門接受并審查由容器車間技術(shù)人員按焊接工藝的檢測時機、部位與要求提出的無損檢測委托；再據(jù)此按程序文件組織相關(guān)資格持證人員檢查委托件的外觀和現(xiàn)場條件、制定檢測方案、編制檢測工藝、做好檢測儀器等檢測前的準(zhǔn)備；按專用檢測工藝和通用工藝規(guī)程實施檢測，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行復(fù)探和擴探，正確評定報告檢測結(jié)果，為產(chǎn)品的合格或返修及質(zhì)量考核提供依據(jù)。

6 耐壓試驗與泄漏試驗

檢驗質(zhì)量控制系統(tǒng)通過對檢驗準(zhǔn)備、制造過程檢驗、耐壓試驗和泄漏試驗、最終檢驗與試驗、檢驗與試驗記錄和報告等5個環(huán)節(jié)的控制來實施質(zhì)量計劃，體現(xiàn)與見證質(zhì)保體系的正常運行。而耐壓試驗與泄漏試驗則是檢驗質(zhì)量控制系統(tǒng)的重要控制環(huán)節(jié)，下設(shè)試驗工藝的編制與審核、試驗設(shè)備與場地、耐壓試驗、總體檢驗、泄漏試驗、試驗報告等6個控制點，以保證此環(huán)節(jié)的有效進行。

按試驗?zāi)康姆譃槟蛪涸囼炁c泄漏試驗，耐壓試驗主要是考察容器的整體強度、剛度和穩(wěn)定性，檢查焊接接頭的致密性，驗證密封結(jié)構(gòu)的密封性能，它包括液壓試驗、氣壓試驗和氣液組合試驗，本設(shè)計圖樣注明為水壓試驗，試驗壓力為臥試0.65MPa，并要求控制水中氯離子含量不超過25mg/L。而泄漏試驗則主要是考察焊接接頭的致密性和密封結(jié)構(gòu)的密封性能，確定容器是否存在不允許的泄漏，它包括氣密性試驗、氨檢漏試驗、鹵素檢漏試驗和氦檢漏試驗等方法，本設(shè)計考慮裂解氣含苯，不允許有微量泄漏，提出水壓試驗合格后以設(shè)計壓力0.35MPa進行氣密性試驗。

為此，檢驗責(zé)任工程師應(yīng)在試驗前，組織編制試驗工藝，根據(jù)鉚工工藝設(shè)計的試驗工裝，檢查上下段的入/出口圓筒的封口及預(yù)留長度符合要求。并對容器外觀質(zhì)量（標(biāo)記、焊接接頭布局與質(zhì)量、管口方位、尺寸偏差及形位公差、內(nèi)表面、無損檢測部位等）復(fù)查無誤，同時審查容器的安全質(zhì)量技術(shù)資料（材料及外購/協(xié)件質(zhì)量證書與入廠檢驗報告、下料與加工檢驗記錄、焊接記錄與外觀檢驗、無損檢測報告、產(chǎn)品試件報告、返修及不合格處理、主要受壓元件工序過程卡等）是否齊全、正確并有相關(guān)責(zé)任人的簽字?？梢姡丝刂骗h(huán)節(jié)既是對前期制造過程的總結(jié)驗收，又是以超設(shè)計壓力試驗對容器制造的內(nèi)在質(zhì)量進行考核。所以，此環(huán)節(jié)不僅應(yīng)得到監(jiān)檢人員的同意并到現(xiàn)場見證，而且試驗場地的安全防護措施更應(yīng)得到安全部門的認(rèn)可。耐壓試驗與泄漏試驗合格后并作出報告，方能進行下序的容器表面的酸洗鈍化處理等竣工出廠工作。

7 結(jié)束語

綜上剖析急冷器質(zhì)量計劃中重要項目的控制，清楚了質(zhì)保體系運行的基本要務(wù)，強調(diào)質(zhì)量計劃的執(zhí)行既是質(zhì)保體系有效運行的見證，更是以建造過程控制達到不產(chǎn)生不合格進而實現(xiàn)壓力容器本質(zhì)安全的根本保證。

1 費偉.關(guān)注與推進壓力容器設(shè)計體制進入國際化[J] 壓力容器,2011,28(1):44-46.