5萬t/a順酐裝置反應(yīng)器制造技術(shù)

翁 宇 李安榮 左占科 夏麗麗

(云南大為化工裝備制造有限公司)

順酐裝置反應(yīng)器(以下簡稱反應(yīng)器)是某公司新建苯氧化法5萬t/a順酐裝置的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備為列管式反應(yīng)器，立式固定管板結(jié)構(gòu)，設(shè)備規(guī)格φ5 920mm×3 800mm，殼體中共排列了26 200根列管；設(shè)備總高度10.5m，凈質(zhì)量(不含熔鹽)210t，為目前國內(nèi)最大的順酐反應(yīng)器。國內(nèi)雖有1萬t/a和2萬t/a順酐反應(yīng)器制造的報(bào)道[1]。但由于此設(shè)備尺寸更大，殼程結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，設(shè)計(jì)技術(shù)要求更高，其設(shè)備管板拼接、組焊的防變形與校平、管板上的26 200個(gè)φ25.3mm的管孔加工精度與孔系精度、列管與管板焊接、管端防焊接燒損及設(shè)備質(zhì)量檢測等的控制以及設(shè)備制作過程中的支撐、起吊等，均是該設(shè)備制造的技術(shù)難題。筆者對上述制造難點(diǎn)和現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了解決方案和措施，并通過兩臺反應(yīng)器產(chǎn)品的制造和實(shí)踐，取得了良好的效果，可為我國大型順酐反應(yīng)器的開發(fā)制造提供參考。

1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在殼體外設(shè)置了環(huán)形通道，殼體中共排列了26 200根列管，列管外填充熔鹽，列管中填裝催化劑，列管與管板采用強(qiáng)度焊+貼脹的連接形式。由于列管中催化劑的價(jià)值是設(shè)備造價(jià)的3倍，一旦熔鹽滲透就會(huì)造成催化劑失效，且熔鹽滲透焊縫后很難修復(fù)，因此，對列管與管板的焊接接頭的焊接質(zhì)量要求很高，要求兩道填絲氬弧焊，每道焊后要求進(jìn)行氨滲漏試驗(yàn)。

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 反應(yīng)器管板制造技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

2.1管板的拼板焊接

2.1.1技術(shù)分析

管板是反應(yīng)器的主要受壓元件，也是加工工序最多、精度要求高的關(guān)鍵零件。管板設(shè)計(jì)要求：上、下管板厚度140mm，直徑5 920mm，材料Q345R，管板平面度允差不大于3mm。加工如此大的管板最好采用整板下料，以保證管板的平面度。但國內(nèi)外均無5 920 mm幅寬的板材供應(yīng)，只有采用3 000mm幅寬的板材進(jìn)行拼板焊接。為保證組焊后的管板能加工到設(shè)計(jì)要求，其毛坯厚度至少150mm、長度和寬度5 920mm，單重43t。

管板毛坯拼板焊接最大的難點(diǎn)就是如何防止焊接變形和如何校平。這樣大的管板，采用機(jī)械校平需要大型壓力機(jī)，國內(nèi)一般化工裝備制造企業(yè)無此設(shè)備；有采用在熱處理過程中壓配重的方式進(jìn)行管板校平的方法，對2萬t/a順酐反應(yīng)器管板毛坯進(jìn)行校平，其管板規(guī)格為φ4 936 mm×90mm,由兩塊2 500 mm×5 000 mm×110mm的鋼板拼接成形，毛坯的加工預(yù)留量20mm，經(jīng)熱校平后的不平度為24mm[2]。此方法配重多，工作量大、毛坯加工余量大，熱校平后管板毛坯的不平度較大。

從金屬焊接變形機(jī)理可知，兩塊鋼板的拼板焊接，其變形的主要因素是橫向應(yīng)力，它由焊縫及其附近的塑性變形區(qū)的縱向收縮應(yīng)力和橫向收縮應(yīng)力組成。對接接頭的橫向收縮比較復(fù)雜，其變形量的大小與焊接線能量、焊接坡口形式、焊縫截面積和焊接工藝有關(guān)[3]。從焊接方式來講，窄間隙焊接具有金屬填充量少，焊接線能量低，減少焊縫的殘余拉應(yīng)力(寬度方向和最大值)，焊縫變形小，焊件變形易控制的優(yōu)勢。而窄間隙埋弧自動(dòng)焊的焊絲比窄間隙氣體保護(hù)焊的焊絲粗，電弧相對較大，對跟蹤控制系統(tǒng)的精度要求比窄間隙氣體保護(hù)焊低，不易產(chǎn)生未焊透及夾渣等缺陷。由于管板較厚，筆者提出了采取對拼接焊縫進(jìn)行正反交替焊接，正面焊接的應(yīng)力，通過反面焊接來消除一部分，反復(fù)正反交替焊接，以減少管板毛坯焊接變形的方法。

2.1.2技術(shù)方案

焊接技術(shù)方案編制如下：

a.焊接方式采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊；

b.管板毛坯對接焊縫的正反面采用窄間隙坡口(圖2)；

c.焊前應(yīng)對焊縫周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱溫度視板厚和母材的碳當(dāng)量而定；

d.按圖2的焊接順序，反復(fù)正反交替焊接；

e.在每道焊縫(除第一層及最后一層)冷卻過程中，用風(fēng)鏟錘擊焊縫，使焊縫金屬減薄并向四周延展，補(bǔ)償焊縫的一部分收縮，從而減小焊接應(yīng)力與變形量；

f.焊縫消氫處理；

g.打磨焊縫使其與母材平齊，進(jìn)行100%UT(超聲波)檢測；

h.按圖紙尺寸要求切割成圓形；

i.整體進(jìn)熱處理爐進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

圖2 焊接坡口及焊接順序示意圖

2.1.3管板拼接焊接實(shí)施

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的幾何尺寸，采用幅寬3 000mm，長6 000 mm，厚度150 mm的Q345R(正火)板材下料，預(yù)留加工余量10mm。

按照2.1.2節(jié)技術(shù)方案進(jìn)行施工，對每件板材采用輥板機(jī)校平，機(jī)加工坡口；坡口面進(jìn)行100%MT(磁粉)檢測合格后，打磨清理坡口和兩側(cè)；將板材吊裝至平臺工裝上，在坡口兩側(cè)邊緣采用千斤頂調(diào)整位置平面及根部間隙；在坡口背面以兩端起始均布5件焊接拉板，防止焊接第一、二道焊縫受焊接應(yīng)力過大拉裂；在焊件上、下面的坡口兩側(cè)50～100mm范圍內(nèi)同時(shí)采用煤氣加熱工裝進(jìn)行加熱，該區(qū)域均溫加熱至160℃左右，按焊接順序焊接；第一道采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行封底焊接，繼續(xù)填充3層保證10～12mm焊縫厚度，避免埋弧焊焊接時(shí)燒穿，再按焊接順序反復(fù)正反交替焊接。焊接過程中，當(dāng)焊接焊縫填充金屬至20mm左右后，進(jìn)行工件翻轉(zhuǎn)，去除焊接拉板、清根、打磨清理干凈，并采用煤氣加熱工裝進(jìn)行加熱，保持下側(cè)坡口兩側(cè)50～100mm范圍內(nèi)熱量均衡，防止局部冷卻速度不一致造成局部變形。施焊時(shí)要隨時(shí)觀察其角變形情況，注意隨時(shí)準(zhǔn)備翻身焊接，使每面焊接控制角變形在1°范圍內(nèi)。焊接完成后，進(jìn)行焊縫的消氫處理，打磨焊縫與母材平齊，進(jìn)行100%UT(超聲波)檢測，Ⅰ級合格；按圖紙尺寸要求切割成圓形。

熱處理前用3條墊鐵置于熱處理爐平臺上，找平；將拼接組焊后的管板吊裝在此平臺上，使管板的凸面向上，在管板變形最大部位配置壓鐵，在熱處理釋放和消除焊接應(yīng)力的同時(shí)，由于管板在退火溫度下強(qiáng)度下降，壓鐵自重使管板校平，并穩(wěn)定其形狀和尺寸。

2.1.4焊接效果

經(jīng)檢測，在整體熱處理前，管板毛坯左側(cè)端部變形為18.3mm(變形角0.35°)，右側(cè)端部變形15.7mm(變形角0.30°)。整體熱處理后，兩端面變形5.0～7.0mm，整個(gè)工件平面度在2mm之內(nèi)，加上原預(yù)留10mm的加工余量，可保證機(jī)加工要求。最后，采用8m立車進(jìn)行精加工，保證了管板的尺寸和平面度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2管板上列管孔的加工及孔系精度控制

2.2.1技術(shù)分析

圖4 管口坡口示意圖

管板上列管孔加工的技術(shù)難點(diǎn)之二：每個(gè)管板上緊密排列著26 200個(gè)φ25.3mm的管孔，板厚140mm，兩塊管板就要加工52 360個(gè)管孔，工作量很大，采用單臺鉆孔設(shè)備顯然難以在規(guī)定的時(shí)間完成，因此采用幾臺設(shè)備同時(shí)加工的方法，來解決此問題。

2.2.2加工方案及實(shí)施

利用工裝將要鉆孔的管板垂直裝夾在TX6916數(shù)控鏜銑床的工作臺上，啟動(dòng)數(shù)控鏜銑床，輸入按圖樣要求編制的鉆孔程序，數(shù)控鏜銑床便按程序，在預(yù)定的位置，鉆所有φ25.3mm、深25mm的引孔。

將鉆好引孔的管板平放于工裝上，孔面向上，將兩臺Z 80型和一臺Z 100型搖臂鉆置于管板的圓周外側(cè)，使其每一臺剛好加工管板120°范圍內(nèi)的孔，這樣不僅減少了管板的移轉(zhuǎn)次數(shù)，有利于保證鉆孔質(zhì)量，而且大大加快了施工進(jìn)度。為了保證鉆孔質(zhì)量，磨出了與坡口形狀相同的鉆頭，采用先鉆后絞的鉆孔工藝，即先用24.8mm的鉆頭進(jìn)行粗鉆，再選用25.2mm的絞刀精加工。

經(jīng)檢測，按上述工藝加工的管板，其孔的精度和孔橋精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 反應(yīng)器組裝技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.1技術(shù)難點(diǎn)分析

反應(yīng)器最大直徑6 840mm(上、下通道外徑)，而筒體高度只有3 800mm，呈短粗狀。反應(yīng)器殼程的介質(zhì)進(jìn)出口采用整圈大通道，通道內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，通道接口為“天圓地方”，筒體中緊密排列26 200根列管，對筒體、管板和折流板組裝要求很高。

反應(yīng)器上管板即浮動(dòng)管板與下管板和26 200根列管的組裝難度大。

反應(yīng)器總重205t，作為主要支撐的殼體內(nèi)直徑為5 900mm，厚度只有20mm，殼體上用于支撐的位置有限，只能在上下通道之間2 000mm長的范圍內(nèi)及上下兩管板處，支撐、翻轉(zhuǎn)、移位及吊轉(zhuǎn)等都成了難題。

該反應(yīng)器列管與管板管頭焊接坡口為2mm×45°(圖4)，管端伸出長度僅4mm，管子壁厚2mm，焊接難度大，焊接質(zhì)量要求高，由于殼程介質(zhì)為滲透性極強(qiáng)的熔鹽，要求焊接一遍進(jìn)行一次氨滲漏試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)合格后還須進(jìn)行氨滲漏試驗(yàn)，并且在反應(yīng)器安裝后做370℃的高溫熔鹽滲漏檢驗(yàn)，不能有任何泄漏。焊接過程中如何減少管板的變形。焊接工作量大，26 200根管子就有52 360個(gè)焊口，而且每個(gè)管頭必須焊接兩遍，就有104 720個(gè)焊口。

筒體組對后，為保證列管管頭與管板的焊接質(zhì)量，焊接過程中需要對筒體繞中心線旋轉(zhuǎn)一定的角度，筒體的起吊、翻轉(zhuǎn)需要增加輔助起吊裝置。

3.2技術(shù)方案及實(shí)施

筒體的支承工裝(圖5)包括：加強(qiáng)環(huán)、鞍式支座、滾輪胎和輔助起吊裝置(吊耳)。由于筒體壁薄，在筒體上增加加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)厚50mm，寬度約1 200mm，加強(qiáng)環(huán)與筒體配制貼實(shí)，以保證筒體的剛度；輔助起吊裝置焊接在管板外側(cè)的中心位置。在列管管頭與管板焊接時(shí)，將反應(yīng)器筒體臥式置于100t滾輪胎上，在加強(qiáng)環(huán)下部用一個(gè)鞍式支座支承，防止筒體局部變形，兩端(管板處)用滾胎支承。當(dāng)筒體需要起吊或翻轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)注意在吊繩之間加一限位桿，使吊繩不與筒體管板接觸，以免造成筒體的變形。

圖5 支撐工裝設(shè)置示意圖

列管頭與管板焊接方案及實(shí)施：

a.筒體放置時(shí)應(yīng)將反應(yīng)器臥置于支撐工裝的鞍座上，在筒體上增加加強(qiáng)環(huán)，調(diào)整滾輪胎的位置和筒體的水平。

b.管頭施焊前必須先進(jìn)行定位焊[4]，防止管板焊接后的變形。

c.進(jìn)行管頭的除油、除銹處理[5]。

d.采用熱輸入量較小的管板全自動(dòng)脈沖氬弧焊(俗稱懸弧焊)，選用小直徑(0.8mm)氬弧焊絲，筒體翻轉(zhuǎn)使起弧點(diǎn)相錯(cuò)180°，進(jìn)行兩遍填絲焊接。焊接時(shí)，兩側(cè)管板分區(qū)域、呈放射狀，由多名焊工同時(shí)對稱施焊，且不宜在一個(gè)區(qū)域連續(xù)焊接150個(gè)管頭，根據(jù)焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整好焊接參數(shù)施焊，防止熔穿管壁。經(jīng)實(shí)踐，管板自動(dòng)脈沖氬弧焊比手工氬弧焊效率高，且有效地提高了列管和管板焊接接頭的質(zhì)量。

e.管頭焊接完成后進(jìn)行貼脹以消除管口和管壁之間的縫隙，提高焊縫的抗疲勞能力和接頭的拉脫力。

f.反應(yīng)器管頭焊接完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對殼體應(yīng)進(jìn)行0.1MPa ，30%的氨滲漏試驗(yàn)。

g.對出現(xiàn)滲漏的焊接管頭應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊或換管重新焊接，焊接完成后，再次進(jìn)行氨滲漏試驗(yàn)，直至氨滲漏試驗(yàn)合格為止。

h.液壓試驗(yàn)。反應(yīng)器制造完成殼程和管程分別以0.52MPa壓力進(jìn)行液壓試驗(yàn)。

3.3其他部件的制作

反應(yīng)器其他部件的制作按設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，無特殊技術(shù)難題。

4 結(jié)論

4.1大型管板的拼板焊接采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊，雙面開窄間隙坡口，正反面反復(fù)交替焊接，可減少焊接變形，提高管板的平面度，因而可減少毛坯的預(yù)留加工余量，降低制造成本。

4.2采用在TX6916數(shù)控鏜銑床，按圖樣要求編制的鉆孔程序，先鉆反應(yīng)器管板所有列管基準(zhǔn)引孔，再用多臺搖臂鉆進(jìn)行孔加工的方法，可提高管孔的加工精度和管孔孔系精度及工作效率。

4.3列管頭與管板焊接，采用管板自動(dòng)脈沖氬弧焊比手工氬弧焊效率高，焊接質(zhì)量好。

[1] 孫晉坡.淺談大型苯酐順酐裝置反應(yīng)器包國產(chǎn)化[J].化工設(shè)計(jì),2007,7(5):18～20.

[2] 羅曉軍,薛洲,張勇,等.超大型管板熱校平方法 [P].中國：CN101279335，2010.

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[4] 胡克寧,楊紅忠.大型順酐反應(yīng)器制造技術(shù)[J].甘肅科技，2005,21(12):56～58.

[5] 胡克寧,趙金芝，陳福貴，等.順酐反應(yīng)器管接頭焊接工藝[J].石油工程建設(shè)，2006,32(6):59～60.