5萬t/a順酐裝置反應器制造技術

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)

順酐裝置反應器(以下簡稱反應器)是某公司新建苯氧化法5萬t/a順酐裝置的關鍵設備。該設備為列管式反應器，立式固定管板結構，設備規格φ5 920mm×3 800mm，殼體中共排列了26 200根列管；設備總高度10.5m，凈質量(不含熔鹽)210t，為目前國內最大的順酐反應器。國內雖有1萬t/a和2萬t/a順酐反應器制造的報道[1]。但由于此設備尺寸更大，殼程結構更復雜，設計技術要求更高，其設備管板拼接、組焊的防變形與校平、管板上的26 200個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備質量檢測等的控制以及設備制作過程中的支撐、起吊等，均是該設備制造的技術難題。筆者對上述制造難點和現有技術進行了分析，提出了解決方案和措施，并通過兩臺反應器產品的制造和實踐，取得了良好的效果，可為我國大型順酐反應器的開發制造提供參考。

1 反應器結構

反應器的結構如圖1所示。在殼體外設置了環形通道，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，列管與管板采用強度焊+貼脹的連接形式。由于列管中催化劑的價值是設備造價的3倍，一旦熔鹽滲透就會造成催化劑失效，且熔鹽滲透焊縫后很難修復，因此，對列管與管板的焊接接頭的焊接質量要求很高，要求兩道填絲氬弧焊，每道焊后要求進行氨滲漏試驗。

圖1 反應器結構示意圖

2 反應器管板制造技術難點及解決措施

2.1管板的拼板焊接

2.1.1技術分析

管板是反應器的主要受壓元件，也是加工工序最多、精度要求高的關鍵零件。管板設計要求：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。但國內外均無5 920 mm幅寬的板材供應，只有采用3 000mm幅寬的板材進行拼板焊接。為保證組焊后的管板能加工到設計要求，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就是如何防止焊接變形和如何校平。這樣大的管板，采用機械校平需要大型壓力機，國內一般化工裝備制造企業無此設備；有采用在熱處理過程中壓配重的方式進行管板校平的方法，對2萬t/a順酐反應器管板毛坯進行校平，其管板規格為φ4 936 mm×90mm,由兩塊2 500 mm×5 000 mm×110mm的鋼板拼接成形，毛坯的加工預留量20mm，經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。

從金屬焊接變形機理可知，兩塊鋼板的拼板焊接，其變形的主要因素是橫向應力，它由焊縫及其附近的塑性變形區的縱向收縮應力和橫向收縮應力組成。對接接頭的橫向收縮比較復雜，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[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力(寬度方向和最大值)，焊縫變形小，焊件變形易控制的優勢。而窄間隙埋弧自動焊的焊絲比窄間隙氣體保護焊的焊絲粗，電弧相對較大，對跟蹤控制系統的精度要求比窄間隙氣體保護焊低，不易產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行正反交替焊接，正面焊接的應力，通過反面焊接來消除一部分，反復正反交替焊接，以減少管板毛坯焊接變形的方法。

2.1.2技術方案

焊接技術方案編制如下：

a.焊接方式采用窄間隙埋弧自動焊；

b.管板毛坯對接焊縫的正反面采用窄間隙坡口(圖2)；

c.焊前應對焊縫周邊一定范圍內進行加熱，加熱溫度視板厚和母材的碳當量而定；

d.按圖2的焊接順序，反復正反交替焊接；

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

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.整體進熱處理爐進行消應力熱處理。

圖2 焊接坡口及焊接順序示意圖

2.1.3管板拼接焊接實施

根據設計要求的幾何尺寸，采用幅寬3 000mm，長6 000 mm，厚度150 mm的Q345R(正火)板材下料，預留加工余量10mm。

按照2.1.2節技術方案進行施工，對每件板材采用輥板機校平，機加工坡口；坡口面進行100%MT(磁粉)檢測合格后，打磨清理坡口和兩側；將板材吊裝至平臺工裝上，在坡口兩側邊緣采用千斤頂調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、二道焊縫受焊接應力過大拉裂；在焊件上、下面的坡口兩側50～100mm范圍內同時采用煤氣加熱工裝進行加熱，該區域均溫加熱至160℃左右，按焊接順序焊接；第一道采用CO2氣體保護焊進行封底焊接，繼續填充3層保證10～12mm焊縫厚度，避免埋弧焊焊接時燒穿，再按焊接順序反復正反交替焊接。焊接過程中，當焊接焊縫填充金屬至20mm左右后，進行工件翻轉，去除焊接拉板、清根、打磨清理干凈，并采用煤氣加熱工裝進行加熱，保持下側坡口兩側50～100mm范圍內熱量均衡，防止局部冷卻速度不一致造成局部變形。施焊時要隨時觀察其角變形情況，注意隨時準備翻身焊接，使每面焊接控制角變形在1°范圍內。焊接完成后，進行焊縫的消氫處理，打磨焊縫與母材平齊，進行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力的同時，由于管板在退火溫度下強度下降，壓鐵自重使管板校平，并穩定其形狀和尺寸。

2.1.4焊接效果

經檢測，在整體熱處理前，管板毛坯左側端部變形為18.3mm(變形角0.35°)，右側端部變形15.7mm(變形角0.30°)。整體熱處理后，兩端面變形5.0～7.0mm，整個工件平面度在2mm之內，加上原預留10mm的加工余量，可保證機加工要求。最后，采用8m立車進行精加工，保證了管板的尺寸和平面度達到設計要求。

2.2管板上列管孔的加工及孔系精度控制

2.2.1技術分析

圖4 管口坡口示意圖

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

2.2.2加工方案及實施

利用工裝將要鉆孔的管板垂直裝夾在TX6916數控鏜銑床的工作臺上，啟動數控鏜銑床，輸入按圖樣要求編制的鉆孔程序，數控鏜銑床便按程序，在預定的位置，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，使其每一臺剛好加工管板120°范圍內的孔，這樣不僅減少了管板的移轉次數，有利于保證鉆孔質量，而且大大加快了施工進度。為了保證鉆孔質量，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的鉆頭進行粗鉆，再選用25.2mm的絞刀精加工。

經檢測，按上述工藝加工的管板，其孔的精度和孔橋精度達到設計要求。

3 反應器組裝技術難點及解決措施

3.1技術難點分析

反應器最大直徑6 840mm(上、下通道外徑)，而筒體高度只有3 800mm，呈短粗狀。反應器殼程的介質進出口采用整圈大通道，通道內部構造復雜，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。

反應器上管板即浮動管板與下管板和26 200根列管的組裝難度大。

反應器總重205t，作為主要支撐的殼體內直徑為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長的范圍內及上下兩管板處，支撐、翻轉、移位及吊轉等都成了難題。

該反應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，焊接質量要求高，由于殼程介質為滲透性極強的熔鹽，要求焊接一遍進行一次氨滲漏試驗，水壓試驗合格后還須進行氨滲漏試驗，并且在反應器安裝后做370℃的高溫熔鹽滲漏檢驗，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個焊口，而且每個管頭必須焊接兩遍，就有104 720個焊口。

筒體組對后，為保證列管管頭與管板的焊接質量，焊接過程中需要對筒體繞中心線旋轉一定的角度，筒體的起吊、翻轉需要增加輔助起吊裝置。

3.2技術方案及實施

筒體的支承工裝(圖5)包括：加強環、鞍式支座、滾輪胎和輔助起吊裝置(吊耳)。由于筒體壁薄，在筒體上增加加強環，加強環厚50mm，寬度約1 200mm，加強環與筒體配制貼實，以保證筒體的剛度；輔助起吊裝置焊接在管板外側的中心位置。在列管管頭與管板焊接時，將反應器筒體臥式置于100t滾輪胎上，在加強環下部用一個鞍式支座支承，防止筒體局部變形，兩端(管板處)用滾胎支承。當筒體需要起吊或翻轉時，應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 支撐工裝設置示意圖

列管頭與管板焊接方案及實施：

a.筒體放置時應將反應器臥置于支撐工裝的鞍座上，在筒體上增加加強環，調整滾輪胎的位置和筒體的水平。

b.管頭施焊前必須先進行定位焊[4]，防止管板焊接后的變形。

c.進行管頭的除油、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，筒體翻轉使起弧點相錯180°，進行兩遍填絲焊接。焊接時，兩側管板分區域、呈放射狀，由多名焊工同時對稱施焊，且不宜在一個區域連續焊接150個管頭，根據焊接試驗數據，調整好焊接參數施焊，防止熔穿管壁。經實踐，管板自動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量。

e.管頭焊接完成后進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.反應器管頭焊接完成后，根據設計要求對殼體應進行0.1MPa ，30%的氨滲漏試驗。

g.對出現滲漏的焊接管頭應進行補焊或換管重新焊接，焊接完成后，再次進行氨滲漏試驗，直至氨滲漏試驗合格為止。

h.液壓試驗。反應器制造完成殼程和管程分別以0.52MPa壓力進行液壓試驗。

3.3其他部件的制作

反應器其他部件的制作按設計要求和相關標準進行，無特殊技術難題。

4 結論

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

4.2采用在TX6916數控鏜銑床，按圖樣要求編制的鉆孔程序，先鉆反應器管板所有列管基準引孔，再用多臺搖臂鉆進行孔加工的方法，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，采用管板自動脈沖氬弧焊比手工氬弧焊效率高，焊接質量好。

[1] 孫晉坡.淺談大型苯酐順酐裝置反應器包國產化[J].化工設計,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.

[3] 曾樂.現代焊接技術手冊[M].上海：上海科學技術出版社,1996:885～888.

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

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