加氫反應器現場組焊技術

房君安張立平孫光磊

中國石油天然氣第七建設公司山東膠州266300

加氫反應器現場組焊技術

房君安張立平孫光磊

中國石油天然氣第七建設公司山東膠州266300

介紹了石化裝置中加氫反應器的幾種類型及基本構造，并結合工程實例系統介紹了加氫反應器現場組對、焊接、熱處理等重要工序的施工方法及質量控制措施，對施工同行有一定的借鑒意義。

現場組對焊接熱處理

1 加氫反應器簡介

高溫、高壓加氫反應器是加氫裂化和加氫脫硫的核心設備，其操作條件極為苛刻，一旦發生事故將造成嚴重損失。部分加氫反應器體積重量過大，超出車倆運輸的限度，需要進行現場組焊及熱處理。

1.1 加氫反應器3種主要類型及反應條件

1.1.1 加氫精制

主要目的是對油品進行改質，以提高產品的安定性進而延長發動機等設備使用壽命，減少對環境的污染。工藝反應條件一般為：壓力4～8MPa，溫度320～400℃，介質為油氣、H2S和H2。

1.1.2 加氫處理

一般是將重質油品轉化為較輕的餾分，以去掉油品中有害的氮及硫等雜質，較輕的餾分再進行二次加工，以獲得高質量的輕質油，提高原油的利用率，增加輕質油產率。工藝反應條件一般為：壓力為10～18 MPa，溫度360～450℃，介質為油氣和H2。

1.1.3 加氫裂化

將蠟油裂解成輕質油品，以獲得高質量的石腦油、航空煤油及輕柴油，產品收率高，經濟效率極好。工藝反應條件一般為：壓力15～20MPa，溫度360～450℃，介質為油氣、H2S和H2。

1.2 加氫反應器基本構造

1.2.1 冷壁與熱壁加氫反應器

在60年代及70年代初期，由于當時的冶金及制造工業水平所限（厚板的制造工藝技術、力學性能指標的保證、不銹鋼堆焊技術等），為保證安全操作，從設計上多選擇冷壁結構形式，即在反應器殼體內壁裝焊保溫釘，增設一定厚度的隔熱內襯層，以保證殼體的壁溫一般不超過300℃，故稱為冷壁加氫反應器。

熱壁加氫反應器與冷壁加氫反應器的不同在于，殼體設計取消了內壁表面的隔熱內襯層，這樣，殼體將直接與反應器內部介質接觸，從而使殼體在工作條件下的壁溫升高。目前一般設計壁溫已達450℃左右，因此對殼體材料在化學成分及力學性能，尤其是高溫力學性能方面有著更高、更嚴格的要求。

70年代以來，隨著冶金、軋制、鍛造工藝技術能力的不斷發展和提高，已經能夠生產嚴格控制化學成分及保證良好綜合力學性能的優質大厚度板材及大型鍛件，在設備制造技術方面，先進的可保證特殊技術要求的不銹鋼堆焊材料及工藝技術已經成熟，這就促使熱壁加氫反應器的應用日趨廣泛。

熱壁加氫反應器相比于冷壁加氫反應器，有以下幾方面的優點：一是在相同外形尺寸下，增大了反應器內部有效容積，提高了生產能力；二是熱壁加氫反應器沒有內襯隔熱層，有效避免了由于內襯局部損壞（脫落）而造成殼體局部超溫引起的鼓泡（材料局部塑性變形—由于殼體材料高溫強度低，在內部工作壓力的作用下引起的局部向外突起）；三要避免了由此而造成停產、開罐修復的損失。

1.2.2 單層與多層殼體結構

從設計角度首先應保證反應器的安全性，同時在制造使用過程中必須能完全可靠地進行檢驗及監察，這就要求反應器殼體結構簡單，因此最好是單層結構。

單層結構是以板材按厚度設計要求卷制筒體或鍛件制作筒體；而多層結構是以一個一定壁厚（較薄）的內筒為基軸，在外壁采用繞帶或多層包扎而制成設計要求厚度的筒體，這種制造筒體的方法解決了沒有大厚度板材以及大功率的卷板設備而要制造高壓厚壁設備的問題，但對于加氫反應器這種使用條件苛刻，一旦發生事故將造成重大危害的關鍵設備[3]則不適用。

加氫反應器結構如圖1所示：設備主殼體包括筒體、上、下封頭、下封頭過渡段；上、下彎管、冷氫口、卸料口及熱電偶口和裙座等。設備內件由入口擴散器，頂部分配盤，積垢籃，格柵，冷氫盤、噴射盤、再分配盤及出口收集器等組成。

2 加氫反應器現場組對

某石化公司柴油加氫改質裝置加氫反應器為單層熱壁加氫反應器，設計壓力12.6MPa，設計溫度415～435℃，介質為油、油氣、H2S和H2，重約430t。加氫反應器規格φ3400×（150+6.5）×34100mm，分上段（18600mm）、下段（15500mm）兩段到貨，需在現場組焊一道環縫。為了保證加氫反應器現場組對質量，需要在現場設置10×60m2的施工區域，該區域必須用碎石夯實，其中一塊8×25m2的獨立承載區域需設置鋼筋混凝土地基并安裝導軌（見圖2），導軌水平度控制在±5mm之內。導軌上面放置防偏移滾輪架、環縫裝配滾輪架，加氫反應器到貨后放置到滾輪架上，放置反應器時要注意法蘭、接管的保護。

環縫組對前坡口打磨清理干凈，出廠標記中心線必須對齊，檢查外部管口方位是否符合圖紙要求、設備內支撐板是否在同一軸線上。組裝過程中嚴格控制焊縫間隙、對口錯邊量及設備直線度，錯邊量≤6mm，且對口錯邊量周圈均勻一致，對超差部位打磨過渡時保證筒體最小厚度（δmin148）要求。最后通過滾輪架調整設備整體直線度，設備直線度≤20mm。

3 加氫反應器現場焊接

3.1 焊接方法及設備

根據反應器現場焊接的實際情況，基層正面選用埋弧自動焊，基層背面碳弧氣刨后采用手工電弧焊，過渡層及復層采用手工電弧焊。焊接設備選用龍門架窄間隙埋弧焊機、500A逆變焊機。

3.2 焊接材料的選用

加氫反應器筒體為復合鋼板（鉻鉬鋼堆焊雙層不銹鋼），基層材質為12Cr2Mo1R(H)，過渡層材質為TP309L，復層材質為TP347。基層外側焊絲選用US521S、焊劑選用PF200，基層內側焊條選用CM-106N；過渡層焊條選用E309L；復層焊條選用E347L。

3.3 坡口

坡口形式的設計對焊接質量起到很重要的作用，加氫反應器選用坡口（見圖3）。

正面采用U型坡口，坡口寬度在24～32mm之間，埋弧焊在這個坡口寬度區間內脫渣性能最好，有效地節省了清渣時間，提高了焊接效率，更防止了氣孔、夾渣等缺陷的產生。過渡層與基層接觸部分，車削進母材深度2mm、寬度10mm，這種坡口形式能非常好的保證過渡層的焊接質量，防止過渡層與基層的剝離。現場實際無損檢測結果顯示，過渡層與基層100%結合，沒有出現類似裂紋及未融合的缺陷。

3.4 焊前預熱

由于12Cr2Mo1R(H)鋼淬硬傾向大，在焊縫及焊縫兩邊各200mm范圍內采用電加熱帶進行預熱，通過降低焊縫的冷卻速度來控制冷裂紋的產生。根據現場實際情況，在反應器正下方做一個弧度與反應器相同、弧長為反應器1/3弧長的鞍座，電加熱帶平鋪在鞍座上，電加熱帶距離反應器筒體10mm，依此來保證焊縫的降溫速度及層間溫度。加氫反應器基層、過渡層的焊接前需要預熱，基層預熱溫度200～250℃，過渡層預熱溫度選用120～160℃。

3.5 焊接工藝

12Cr2Mo1R(H)焊接過程中，焊接線能量對熱影響區的組織及性能有很大的影響。在低輸入熱焊接時，熱影響區變窄，但是冷速太快容易得到淬硬的馬氏體組織。在較高的輸入熱情況下，可得貝氏體組織。如果輸入熱很大，甚至可得到粗大鐵素體+珠光體組織[5]。對Cr-Mo調質鋼處于高溫回火區的部位，由于飽和固溶體的分解還會形成軟化區，從而使接頭強度降低。為了防止母材熱影響區晶粒增大，從而降低缺口韌性，限制焊接熱輸入是很重要的。調質鋼的軟化行為受焊接熱影響也較明顯，因此焊接規范的選擇就更為嚴格。Cr-Mo鋼淬硬傾向大，為了防止冷裂，焊接區的冷速可以通過預熱的辦法來降低。因此焊接規范的考慮應著眼于減小熱影響區，降低軟化區，采用較小的焊接線能量[6]。加氫反應器用焊接工藝規范（見表1）。

除焊接熱輸入量外，控制多層焊的層間溫度，亦是影響熱影響區組織性能的重要因素。表2是焊接規范相同而層間溫度不同的12Cr2Mo1R(H)鋼接頭性能，可以看到很高的層間溫度使焊縫和熱影響區的沖擊韌性都有所降低。因此在控制焊接規范的同時，對層間溫度也要給以限制，一般層間溫度不要超過預熱溫度的上限[7]。

3.6 熱處理

Cr-Mo鋼制反應器淬硬傾向大，焊后熱影響區組織一般為貝氏體，硬度高、韌性低[5]。為了改善組織和性能，同時消除焊接應力，焊后必須進行熱處理。由于Cr-Mo鋼有很好的高溫強度，因此規范都推薦采用比較高的熱處理溫度。焊接接頭的性能在很大程度上取決于焊后熱處理規范，當回火溫度較低或保溫時間不足時，焊縫及近縫區金屬具有較高的強度，而塑性、韌性偏低；反之，提高回火溫度時，焊縫及近縫區強度有所下降，而塑、韌性則隨之提高。制造反應器常用的幾種鋼材的熱處理溫度（見表3）。

表1 焊接工藝規范

此外，反應器每條環縫焊完后，為了消除應力和氫，還要進行中間退火處理。這樣，一臺設備往往要經過多次熱處理，長時間熱處理會使焊接接頭強度降低，而且多次進爐勢必延長生產周期，增加制造成本。為了克服上述問題，許多試驗研究表明[ 8，9]，采用較低的溫度進行后熱消氫，可有效代替中間退火。后熱的溫度一般為300～350℃，保溫2～6h，使焊縫的擴散氫充分逸出，從而避免裂縫產生。

表2 層間溫度對性能的影響

表3 Cr—Mo鋼焊后熱處理溫度

根據現場實際情況，加氫反應器環縫進行后熱、焊后熱處理。外側焊縫焊接過程中如果出現中斷焊接的情況，則進行一次后熱；內側焊縫及堆焊層焊接完成后各進行一次后熱，后熱溫度為300～350℃，保溫3h，后熱使用電加熱片，用溫控柜進行控制。焊后熱處理在所有焊接完成并檢測合格后進行，熱處理采用公司自制的簡易組裝型熱處理爐（燃油式卡式爐），熱處理工藝規范（見表4）。

4 質量控制

（1）參加施焊的焊工必須持有國家技術質量監督部門頒發的焊工合格證并在有效期內，焊工合格證必須與施焊項目相符合。

（2）焊接及熱處理使用的設備必須正常運轉且能滿足焊接及熱處理的施工要求。

（3）焊材、焊劑必須經過嚴格的烘干，隨用隨取。

（4）嚴格執行公司檢驗制度，每道工序檢驗合格后才能進入下一道工序的施工。工序檢驗程序及內容（見表5）。

表4 熱處理工藝規范

表5 工序檢驗程序及內容

（5）搭設有效可靠的防風防雨棚，并設專人對焊接環境進行檢測。

5 結語

了解加氫反應器幾種類型及基本構造，分析12Cr2Mo1R (H)的力學性能、組織變化及焊接特點，通過控制組對質量、焊接工藝、預熱、后熱、焊后熱處理規范來達到控制焊縫質量的目的。某石化公司加氫反應器現場組焊及熱處理取得了非常滿意的效果，焊縫的各項指標都符合規范及設計要求，從而證明了加氫反應器現場組焊及熱處理方案有效可行，對施工同行有一定的借鑒意義。

1《國家重大技術裝備“八.五技術鑒定資料》國家重大技術裝備司

P.6-8.

2《石油化工工藝學》李淑培中國石化出版社P.126.

3《熱壁加氫反應器制造技術》楊光起P.26-28.

4《復合鋼的推薦坡口》GB/T985.4-2008P.3.

5 Zeke,j/British Welding Journal.May 1966,pp.258-268.1998

6 Naganathan,,S.et al,Welding journal,Ressarch Supplement, Vol.52,No.1.1996

7《蘭石科技》李曉耀P22-26.1988.2.

8《21/4Cr-1Mo在厚壁壓力容器中的應用》P16-18.1988.

9日本住友.2 1/4Cr-1Mo鋼用高韌性埋弧自動焊熔接材料的開發P20.1996.

TE682

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1672-9323（2012）03-0064-03

2012-03-23)