140萬 t/a延遲焦化裝置焦炭塔的制造及質量控制

張峰斌

(洛陽隆惠石化工程有限公司 ,河南洛陽 471012)

1 前言

某煉油廠 140萬 t/a延遲焦化裝置焦炭塔按照《壓力容器安全技術監察規程》(98版)、鋼制塔式容器 (JB4710-2005)、鋼制壓力容器 (GB150-1998)、設計文件及 70BJ206-2005(中國石化集團洛陽石油化工工程公司標準)制造、檢驗和驗收。本文根據該焦炭塔的結構特點,提出并分析了該設備在制造過程中的關鍵及難點,介紹了該設備的組裝焊接工藝及其焊接質量控制過程。

2 技術特性及結構型式

2.1 設備技術特性 (見表1)

表1 焦炭塔技術參數

2.2 設備結構特點及材料

焦炭塔外形結構見圖1。該焦炭塔泡沫層以下部分主體材料采用了具有高溫持久強度的低合金耐熱鋼15CrMoR鋼板,泡沫層以上部分主體材料選用復合板15CrMoR+0Cr13;筒體內徑9000 mm,筒體長度2 4000 mm,根據筒體厚度和材料的不同,筒體共分六大段。筒體下部通過一球形過渡段與錐形封頭相連,上部直接與球封頭連接。筒體上除了有 9個中子料位計專用螺母和 3個熱電偶管嘴外,沒有設計任何其它構件。整臺焦炭塔的接管都位于球封頭上。主體與裙座靠大角焊縫連接。主體材料見表2。

圖1 設備結構簡圖

表2 焦炭塔主體材料表

3 制造特點和難點

3.1 制造特點

焦炭塔直徑大、噸位重,無法整體制造;只能分段預制,現場安裝。根據焦炭塔的制造要求和結構特點,將其預制成 10個分段,然后運至現場拼裝和組焊。10個分段分別為:3個下部小錐體,1個球形過渡段與裙座的組合段,6個筒節和 1個上部球封頭與所有封頭接管的組合段。

3.2 制造難點

①焦炭塔承受的主載荷為疲勞應力,是一臺疲勞設備。為了減小因應力集中引起的疲勞破壞,設備本體所有對接焊縫余高需打磨與母材齊平,所有不連續處需打磨成圓角過渡。

②焦炭塔選用耐熱 Cr-Mo鋼板和 Cr-Mo鍛件,焊接時容易產生冷裂紋、馬氏體和延遲裂紋,且限于塔結構上的原因,焊接后的各分段需要擱置較長時間才能進行焊后熱處理,為此,需制定并嚴格執行焊接預熱和后熱工藝規范。

③焦炭塔本體與裙座采用大角焊縫連接,焊接量 (約需 4.2 t焊條)特別大,不連續處圓滑過渡打磨質量要求特別高,且本體與裙座連接處位置狹小,給焊縫焊接及打磨造成較大難度。

④復合板組焊要求的各項質量控制指標較高,給制造帶來較大難度。

⑤法蘭堆焊時,法蘭變形方向和法蘭口收縮量較難控制,且法蘭與接管組焊要求的各項質量控制指標較高,需制定并嚴格執行法蘭堆焊工藝及法蘭堆焊后機加工工藝。

4 組焊安裝及質量控制監督要點

由于焦炭塔外形尺寸較大,部件的現場組裝、焊接至關重要。因此,在現場預制與安裝過程中,要嚴格執行組裝、焊接、焊接預熱和后熱、無損檢測、熱處理和水壓試驗等工藝規范,要嚴格監控現場組焊的質量。

4.1 筒體組焊質量控制

4.1.1 焊接規范

①母材鋼號:15C rMoR;手工電弧焊焊接使用焊條:R307B,手工電弧焊焊接規范見表3(以壁厚 36 mm為例)。

表3 15C rMoR板材手工電弧焊焊接規范

②母材鋼號:15C rMoR+0Cr13;手工電弧焊焊接使用焊條:基層 R307B,復層 ENiCrFe-3,手工電弧焊焊接規范見表4(以壁厚 22 mm+3 mm為例)。

表4 15C rMoR+0Cr13板材手工電弧焊焊接規范

4.1.2 焊接坡口

為了控制焊接接頭的焊接質量和棱角度,15C rMoR合金板采用外側稍大,內側稍小的 X型坡口,以 36 mm板厚為例,簡圖見下頁圖2;15C rMoR+0Cr13復合板也采用外側稍大,內側稍小的 X型坡口,且坡口復層剝皮 10 mm,以 (22+3)板厚為例,坡口簡圖見圖3。

圖2 合金板縱、環縫坡口圖

圖3 復合板縱、環縫坡口圖

4.1.3 焊接順序

縱縫焊接順序:縱縫焊接時,根據筒節縱縫的數量安排同等數量的焊工,每名焊工負責焊接一條縱縫,每條縱縫內 (外)第一層自下而上相隔 400 mm左右進行分段跳躍退步立焊。第二層自上而下分兩段進行退步焊,其余各層自下而上連續施焊。

環縫的焊接順序:環縫焊接時,將每條環縫按每段 4 m左右進行等分,然后每段安排一名焊工沿圓周均布,同時同向進行分段退步橫焊,焊縫的層道數排列順序應嚴格執行焊接工藝規程。

不論是縱縫還是環縫,原則上要求每條焊縫一次焊完,當遇特殊情況必須中斷焊接時,必須保持預熱不停或立即進行后熱,再次進行施焊前,仍按原工藝進行預熱。

4.1.4 監督檢驗內容

①嚴格檢查筒節板的下料及成形質量,實時將下料尺寸、坡口尺寸、滾圓弧度和滾圓后筒節板的實際尺寸控制在允許的最小公差之內;②嚴格檢查筒體的組對質量,實時將筒節的組對間隙、對口錯變量、直線度、橢圓度及外圓周長控制在允許的最小公差之內;③嚴格控制焊接質量,檢查焊接工藝評定和焊工的焊接資格證并實時對焊接材料、焊接環境(主要指預熱和后熱溫度)、焊接工藝執行情況和施焊過程中的無損檢測 (主要指焊前坡口,焊中清根后及堆焊前的磁粉檢查)等進行監控。

4.2 封頭組焊質量控制

4.2.1 封頭結構與一般措施

焦炭塔球形封頭由1 4塊球形瓜瓣和一個Φ3 642 mm的球形頂圓拼接而成。預熱、消氫處理及焊接工藝與 15C rMoR+0Cr13復合鋼板筒節相同。錐形封頭由一個球形過渡段和一個錐段組成。現場預制時,球形過渡段由 14塊球形瓜瓣拼接而成,錐段由三個分別有 6塊扇形瓜瓣拼接而成的小錐體組焊而成。預熱、消氫處理及焊接工藝與15C rMoR筒節的要求相同。

4.2.2 影響封頭成形質量的關鍵點

焦炭塔封頭縱縫的組焊方法與筒體縱縫的組焊方法基本相同,其成形質量高低的關鍵點在于組成封頭瓜瓣預制成形質量的高低和環縫組焊質量的控制。

封頭瓜瓣預制成形質量是影響封頭整體成形質量的主要因素。瓜瓣弧度是否預制到位是影響封頭組焊棱角度、錯變量及外觀的主要因素,瓜瓣尺寸是否預制到位是影響封頭組對間隙、外圓周長及錯變量的又一重要因素。因此在封頭瓣片預制成形時一定要實時嚴加控制瓣片的弧度成形和尺寸公差,使其控制在最小公差范圍之內;同時在封頭瓣片驗收時要進行預組裝,以觀察封頭瓣片成形的整體效果。

封頭環縫的組焊質量是影響封頭成形質量的又一重要因素。封頭的外圓周長和組對間隙的大小將直接影響到環縫的錯變量。因此在進行縱縫組焊時一定要將封頭的外圓周長公差控制在最小范圍之內,同時在進行環縫組焊時要按要求控制環縫的組對間隙。

4.2.3 監督檢驗內容

①嚴格檢查封頭瓣片的成形質量,實時將封頭的尺寸公差、形狀公差和坡口尺寸控制在允許的最小公差之內;②嚴格檢查封頭的組對質量,實時將封頭的組對間隙、對口錯變量、直線度、橢圓度及外圓周長控制在允許的最小公差之內;③嚴格控制焊接質量,檢查焊接工藝評定和焊工的焊接資格證并實時對焊接材料、焊接環境 (主要指預熱和后熱溫度)、焊接工藝執行情況和施焊過程中的無損檢測(主要指焊前坡口,焊中清根后及堆焊前的磁粉檢查)等進行監控。

4.3 裙座與本體連接角焊縫的組焊質量控制

4.3.1 焊縫特點

焦炭塔筒體與裙座之間的連接角焊縫 (結構見圖4),不僅要承受自身和物料質量,還要經受溫差引起的疲勞載荷,是焦炭塔的薄弱部位。但是由于該焊縫堆焊量 (約需 4.2 t焊條)特別大,不連續處圓滑過渡打磨質量要求特別高,且本體與裙座連接處位置狹小,施工人員無法容身,給焊縫焊接及打磨造成較大難度,也是焦炭塔制造的一個難點。

4.3.2 焊接順序

由于該角焊縫內側位置狹小,焊工無法接近焊縫進行施焊,給焊縫內側施焊造成了非常大的難度。為了降低工作難度,施焊時采取了如圖5所示的施焊順序 (焊接時先焊部位 1,再組對裙座,然后焊接部位 2,清除墊板,最后焊接部位 3完成角焊縫的堆焊)。采取此施焊順序,既保證了焊縫的焊接質量,同時也在一定程度上減小了施工的難度。

圖4 本體與裙座連接結構示意圖

圖5 大角縫施焊順序示意圖

4.3.3 監督檢查內容

嚴格檢查焊縫的焊接質量,檢查焊角高度并實時監控焊縫施焊過程中的分層磁粉或滲透檢測。

4.4 法蘭堆焊質量控制

4.4.1 焊接順序的探討

法蘭的堆焊有主要兩種焊接順序:①沿法蘭軸向分段對稱平焊周向成形;②沿法蘭周向分段平焊軸向成形。通過實踐證明,同規格法蘭采用第一種堆焊方法進行堆焊,成形后法蘭橢圓度較大,采用第二種堆焊方法進行堆焊,經焊后尺寸檢查法蘭橢圓度幾乎為零,法蘭口整體收縮量 1mm左右。因此推薦使用第二種方法對法蘭進行堆焊。

4.4.2 法蘭堆焊過程中應注意的問題

在焦炭塔法蘭堆焊過程中,法蘭受熱面積大且受熱變形方向和焊接收縮量較難控制,可能導致的質量問題有:①法蘭口橢圓度大,導致法蘭機加工后堆焊層厚度和法蘭口壁厚不均勻;②法蘭口整體收縮,無法保證法蘭與接管的對口錯變量。

4.4.3 解決問題的辦法探討

實踐證明,雖然制定了合理的法蘭堆焊工藝和采用了較好的法蘭堆焊焊接順序,但是在實際操作中,仍會出現堆焊后法蘭口橢圓度和整體收縮較大的問題。

為了解決此類問題,建議:①法蘭堆焊毛坯來料內徑尺寸為正偏差,偏差值根據法蘭內徑的不同建議取:1～2 mm;②制作專用卡具,在法蘭堆焊時,對法蘭口進行加固,以減小法蘭口焊后的橢圓度;③法蘭接管采用鋼板卷制時,可以在預制接管前完成法蘭的堆焊工作,預制接管時,根據法蘭口的實際尺寸卷制接管;④對于接管和法蘭組對后仍可以堆焊且機加工方便的,可以先進行接管和法蘭的組焊,然后再進行法蘭堆焊和機加工。

4.5 無損檢測質量控制

4.5.1 無損檢測項目

按表5的要求進行無損檢測,其評定指標按JB4730-2005。此外在焊后熱處理后還要對每條組焊焊縫進行硬度檢查,要求硬度值不得大于 HB225。同時還要對對接接頭進行現場光譜分析,鑒定焊縫的 Cr、Mo、Ni的含量 。

4.5.2 監督檢查內容

嚴格控制無損檢測的質量,檢查無損檢測人員的資格證、無損檢測工藝和無損檢測報告并實時監控無損檢測工藝的執行情況,抽查射線底片質量和評定情況。

4.6 熱處理質量控制

4.6.1 技術措施

為了控制焦炭塔法蘭的密封性能,該焦炭塔的焊后熱處理分為兩部分:①球封頭上的所有接管和最下部的小錐體與所對應的法蘭組焊完畢后,進行整體爐內焊后熱處理,然后進行密封面加工和現場組裝,焊縫組焊完成經無損檢測合格后,進行局部熱處理。②除球封頭上所有接管和最下部的小錐體采用塔器內部燃油法進行現場整體焊后熱處理,具體方法:以焦炭塔內部為爐膛,焦炭塔外部用保溫材料進行絕熱保溫,選用 0#輕柴油 (隨氣溫選用標號)為燃料,通過噴嘴將燃料油噴入并霧化點燃,通過風機送風助燃,隨著燃油不斷燃燒產生的高溫氣流在塔體內壁對流傳導和火焰熱輻射作用,使塔體升溫到熱處理所需的溫度。

表5 無損檢測比例及要求

4.6.2 熱處理工藝

嚴格執行壓力容器制造技術法規、標準及設計技術條件要求的有關規定,焊后熱處理工藝參數見表6。

表6 焊后熱處理工藝參數

4.6.3 監督檢查內容

檢查熱處理工藝、熱處理環境、保溫材料質量、熱處理工藝執行情況、熱處理報告和熱處理曲線等

5 建議

在焦炭塔筒體與裙座的連接處采用 Y形整體鍛件作為過渡段,將焦炭塔筒體與裙座之間連接的角焊縫改為對接環焊縫。這可以明顯地改善該處的應力分布,提高該處的焊接質量,同時也能大大降低焦炭塔的施工難度和工人的勞動強度。