大型甲醇合成塔封頭研制

王筱磊，銀潤邦，高 潔

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川德陽 618000）

大型蒸汽上升式徑向流甲醇合成塔有兩個(gè)球缺封頭，材質(zhì)為SA-387GR22CL2，成型后規(guī)格為SR2218，δ=80。根據(jù)封頭規(guī)格，板寬超限無法整板壓制，可以采用分瓣冷壓后組焊，也可以拼接坯料后熱壓成型[1]。若采用分瓣冷壓再組焊的制造方式，需要分4瓣壓制組焊，不僅瓜瓣成型尺寸精度控制難度高，而且焊接工作量巨大，制造成本和風(fēng)險(xiǎn)較高。

而拼接坯料后熱壓成型同樣存在難度，由于SA-387GR22CL2 屬于2.25Cr-1Mo臨氫鋼，符合API-934A標(biāo)準(zhǔn)，有步冷試驗(yàn)的要求，對其性能要求很高，而熱沖壓和正火溫度超過材料的上轉(zhuǎn)變溫度AC3，容易產(chǎn)生回火脆化，降低材料韌性，拼縫 經(jīng)歷正火沖壓、正火（水冷）+回火處理、焊后熱處理后容易出現(xiàn)強(qiáng)度和沖擊不穩(wěn)定的問題，在對材料性能要求較高的高溫 高壓臨氫容器上這種焊縫不能直接應(yīng)用。經(jīng)了解，國內(nèi)外該類產(chǎn)品熱壓成型的封頭，恢復(fù)母材力學(xué)性能熱處理之后均采用挑除后重新焊接拼縫，再進(jìn)行焊后熱處理以保證拼縫性能。

綜上所述，我公司經(jīng)過研究確定了封頭的制造工藝路線：下料—加工坡口—焊接拼縫—正火沖壓成型—母材恢復(fù)性能熱處理—機(jī)加去除原焊縫并重新加工坡口—重新焊接拼縫—封頭開孔并焊接接管—封頭組件焊后熱處理。

1 封頭拼接工藝

根據(jù)成形公式計(jì)算，每個(gè)封頭的坯料須采用兩張δ95× 6 270×3 150鋼板拼接。封頭坯料的拼接采用雙面V形坡口，按圖1加工，拼縫焊接采用雙面埋弧自動(dòng)焊，由于2.25Cr-1Mo鋼淬硬傾向大，為了防止冷裂紋，要采取焊前預(yù)熱、控制層間溫度、降低接頭的冷卻速度等措施來防止產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，焊接規(guī)范必須采用較小的焊接線能量，具體參數(shù)如表1。焊后打磨焊縫并進(jìn)行100%UT+MT探傷。

圖1 封頭拼接坡口

表1 SA-387GR22CL2對接焊接規(guī)范

2 封頭熱壓及恢復(fù)性能熱處理工藝

甲醇合成塔封頭的材質(zhì)為SA-387GR22Cl2，化學(xué)成分要求 如 表2所 示，J系 數(shù)=（Si+Mn）×（P+Sn）×104≤100。在API-934A中規(guī)定其供貨和使用狀態(tài)為正火+回火或淬火+回火，按標(biāo)準(zhǔn)要求，熱壓后必須進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理。

表2 SA-387GR22CL2化學(xué)成分要求（%）

正火+回火狀態(tài)SA-387GR22CL2的臨界溫度點(diǎn)Ac3為870~880℃，正火溫度為900~940℃，根據(jù)封頭母材的化學(xué)成分和性能分析，確定熱沖壓加熱溫度為（930±10）℃（圖2），終壓溫度≥850℃，保溫時(shí)間根據(jù)壁厚計(jì)算：t=（1.2~1.3）δ，因壓機(jī)能力和模具限制，沖壓須分多次進(jìn)行，但不得超過2次，以控制總的加熱時(shí)間。坯料和試板在爐內(nèi)墊高不得低于350mm，火焰不得直接沖刷工件。每爐最多裝2張封頭胚料，胚料之間間隔不低于350mm，第二次成型時(shí)，加熱溫度以爐膛溫度為準(zhǔn)，恒溫溫度為920~940℃，恒溫時(shí)間不得超過30min。封頭熱沖壓情況見圖3。

圖2 胚料熱壓加熱規(guī)范

圖3 封頭熱沖壓成型

為了恢復(fù)母材的力學(xué)性能，正火沖壓之后，需要對封頭進(jìn)行正火+回火處理，曲線如圖4所示。正火前，封頭中心接管位置預(yù)開一個(gè)φ100的孔，以便快冷入水時(shí)迅速排出氣化的冷卻液，避免出現(xiàn)蒸汽隔膜，使封頭達(dá)到要求的冷卻速度。其中正火（快冷）時(shí)，不允許超過2件/爐；回火時(shí)，允許在符合熱處理曲線要求的情況下多個(gè)封頭合爐進(jìn)行熱處理，所有封頭必須位于熱處理爐有效加熱區(qū)內(nèi)，封頭不允許重疊裝爐。

圖4 封頭正火+回火曲線

熱電偶布置要求：封頭坯料加熱時(shí)，每片坯料上靠近邊緣200mm范圍內(nèi)四象限位置上均勻布置4支測溫?zé)犭娕?，胚料中心位置布置一支測溫?zé)犭娕迹嚢迳喜贾靡恢y溫?zé)犭娕迹?支。封頭正火（快冷）和回火時(shí)，每個(gè)封頭開口邊緣的四象限位置上均勻布置4 支測溫?zé)犭娕?，球形封頭頂部中心位置布置一支測溫?zé)犭娕迹嚢迳喜贾靡恢y溫?zé)犭娕?，?支。

封頭坯料加熱及恢復(fù)性能熱處理時(shí)試板同爐，按以上工序熱處理以后，試板經(jīng)檢驗(yàn)，常溫力學(xué)性能、-29℃沖擊試驗(yàn)、步冷試驗(yàn)結(jié)果符合ASME Ⅷ 和API-934A規(guī)范要求，330℃高溫拉伸數(shù)據(jù)如表3所示，符合該工程技術(shù)要求。

表3 封頭母材性能

3 封頭拼縫的去除及重新焊接

封頭熱壓恢復(fù)性能熱處理后，需要去除原拼接焊縫重新焊接，以保證焊縫性能。通常封頭拼縫的挑除重焊，采用手工焊焊接，厚壁手工焊坡口大填充金屬多，封頭的焊接變形和焊接質(zhì)量難以控制。為了減小工作量，提高焊接質(zhì)量，控制焊接變形，采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊重新焊接拼縫。表4對比了手工焊和埋弧焊的工作量，圖5為兩種坡口形式。

表4 埋弧焊和手工焊的對比

圖5 自動(dòng)焊和手工焊坡口對比

手工焊坡口可以采用碳弧氣刨去除焊縫+氣割坡口，窄間隙埋弧焊對坡口加工要求較高，必須采用機(jī)加方式加工。加工采用上下封頭對扣組成球體，車床去除焊縫，并按圖6加工坡口。

圖6 埋弧焊坡口加工

封頭拼縫挑除后，在變位器上采用埋弧焊焊接，將封頭拼裝好后扣在變位器回轉(zhuǎn)平臺上，底部與平臺工裝連接。焊接時(shí)，十字壁焊機(jī)與變位器配合，使封頭在45°~90°之間來回轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍根據(jù)坡口落差變化聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)半球拼縫的自動(dòng)焊。封頭焊接的預(yù)熱采用特制工裝從內(nèi)壁火焰加熱，外壁用電加熱片輔助加熱，到溫后加熱片斷電用保溫棉保溫。焊接情況如圖7。

圖7 封頭焊接情況

實(shí)施結(jié)果：采用這種工藝焊接的封頭拼縫，100%TOFD+ UT+MT探傷一次合格，熱處理后，送檢焊縫試板性能也符合技術(shù)要求。性能如表5所示。

表5 封頭焊縫性能

4 拼縫焊接工藝改進(jìn)

由于目前機(jī)頭跟蹤的適用范圍有限，對于這種落差較大的焊接結(jié)構(gòu)還不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊，需要根據(jù)坡口高度的變化手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)頭的升降。為了提高焊接質(zhì)量，減小人為因素影響，同時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，減少對變位器的占用，進(jìn)一步優(yōu)化了焊接方式，在后續(xù)項(xiàng)目中采用兩封頭對扣形成回轉(zhuǎn)體，配合輔助筒節(jié)在滾輪架上焊接環(huán)縫的方案。

封頭環(huán)縫外壁側(cè)窄間隙坡口加工完后，將兩封頭對扣，用拉筋連接固定，形成一個(gè)球體，封頭球體端部固定輔助筒節(jié)。形成一個(gè)可以在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)體，待焊的封頭拼縫可以完整轉(zhuǎn)動(dòng)360°，外壁實(shí)現(xiàn)埋弧自動(dòng)焊焊接，外壁焊妥后，內(nèi)壁去除原焊縫并清除焊根，內(nèi)壁手工焊焊妥。焊后進(jìn)行100%TOFD+UT+MT探傷合格，熱處理后送檢焊縫試板性能合格。

5 結(jié)論

1）2.2 5Cr-1Mo封頭熱壓成型后，經(jīng)正火（水冷）+回火熱處理，母材力學(xué)性能和抗回火催化敏感性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）2.2 5Cr-1Mo封頭熱壓成型后，原拼縫可以采用機(jī)械化去除和坡口加工，封頭焊縫可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，保證了焊縫合格率。焊縫熱處理后力學(xué)性能和抗回火催化敏感性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）2.2 5Cr-1Mo封頭采用熱壓成型，恢復(fù)母材性能熱處理后，去除原焊縫重新焊接的工藝方案在工程應(yīng)用中是可行的。