大型塔器的薄壁塔體制造變形的控制

呂延茂

（中石化集團南京化工機械有限公司）

0 引言

塔器是石油化工、煤化工裝置中重要的壓力容器，隨著化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型塔器的使用日益增加。在大型塔器中，薄壁塔器尤為常見。不同功效的塔器內(nèi)裝有不同用途的內(nèi)件，這是塔器結構的基本特點。

通常，塔體內(nèi)徑D≥3 600 mm的塔器，稱為大型塔器；塔體厚度t與塔體內(nèi)徑D之比值t/D≤1%的塔體，稱為薄壁塔體。因此，塔體內(nèi)徑D≥3 600 mm，塔體厚度t與塔體內(nèi)徑D之比值t/D≤1%的塔體，稱為大型塔器的薄壁塔體，亦稱大型薄壁塔體。

大型薄壁塔體的特點為塔體直徑愈大、壁厚愈薄，塔體抵抗變形的能力愈弱。因此，大型薄壁塔器在制造過程中更容易產(chǎn)生較大程度的變形。

過大的塔體變形，既不符合塔器制造標準的要求，也會妨礙塔盤類內(nèi)件的順利安裝，甚至會有塔體報廢的風險。

塔體變形的主要形式如下：

（1）塔體橫斷面整體性的圓度變形；

（2）塔體橫斷面局部性的內(nèi)凹變形；

（3）塔體環(huán)向的束腰變形；

（4）影響塔體直線度的變形。

為了確保塔盤類內(nèi)件的順利安裝，建議塔體制造時有關尺寸公差按下述要求進行控制：

（1）塔體筒節(jié)的周長按標準周長再加10 mm進行控制；

（2）塔盤類部件的外徑按照內(nèi)件標準外徑的最大負偏差進行控制。

1 圓度變形

1.1 圓度變形產(chǎn)生原因

殼體同一斷面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差值e，稱為殼體的圓度。殼體存在圓度，亦稱殼體存在圓度變形。

1.1.1 自重變形

常溫下，臥置狀態(tài)的筒節(jié)在其自重作用下，克服了筒節(jié)的抗彎剛度而形成了彈性變形的圓度，稱為自重圓度，也用e表示。

在常溫狀態(tài)下制造的臥置筒節(jié)其自重圓度近似公式[1]為：

式中 γ——鋼材的密度，為7.85 g/cm3；

E——鋼材彈性模量，為2.1×104kg/mm2；

D——塔體內(nèi)徑，mm；

t——塔體壁厚，mm。

因此，由碳鋼、低合金鋼材料卷制的筒節(jié)其自重圓度近似公式為：

例如：塔體內(nèi)徑D為3 600 mm，塔體壁厚t為30 mm，可計算得到其自重圓度e約為47 mm。

依據(jù)自重變形理論和圓度變形公式，大型薄壁筒體臥置于平臺或者轉胎 （滾輪架）上時，在自重的作用下，筒體必定會發(fā)生類似于橢圓形的圓度變形。

1.1.2 熱變形

部分大型薄壁塔體在臥置狀態(tài)進行消應力熱處理。由于熱處理過程中材料的屈服強度及彈性模量顯著降低，塔體的抗彎能力顯著減弱，因此在熱應力和自重等因素共同作用下，塔體會產(chǎn)生一定的熱變形。而當熱處理結束、塔體冷卻至常溫后，部分熱變形仍存在，造成了塔體的圓度變形。

大型薄壁塔體的抗彎剛度較低，且筒節(jié)常采取臥式施工，因此圓度變形是大型薄壁塔體制造時最易產(chǎn)生的變形形式。

1.2 預防措施

筒體圓度既是控制塔體直線度的基礎因素，也是確保塔盤等內(nèi)件順利組裝的關鍵因素。

（1）單節(jié)薄壁筒節(jié)臥置時，僅僅受到自重的作用。而筒節(jié)相互組焊后，筒節(jié)中還存在環(huán)焊縫拘束應力的作用。也就是說，單節(jié)筒節(jié)比已經(jīng)組焊的分段筒體更容易進行圓度的調(diào)整。為此，必須適時進行單節(jié)筒節(jié)圓度的調(diào)整。

為保證筒節(jié)之間的順利組對，塔內(nèi)側的支持圈、塔外側的接管和加強圈等與塔體組焊時，必須先對薄壁筒體增設有效工裝。同時從嚴控制圓度，建議單節(jié)筒節(jié)圓度≤10 mm。

經(jīng)過組對焊接的塔體應滿足圓度要求，其最小內(nèi)徑Dmin必須大于塔盤類內(nèi)件的最大外徑再加上內(nèi)件支持圈與塔體實際角焊縫寬度的2.5倍。

（2）通常大型塔器筒節(jié)的節(jié)數(shù)較多，其撐圓工裝應能在同一臺塔體的筒節(jié)之間互換，供其它筒節(jié)撐圓，輪流交替使用。如果每一個筒節(jié)均一次性地使用一個工裝，那么所需的工裝數(shù)量較多，工裝的總成本較高。如果一次性裝上工裝的筒節(jié)數(shù)量太少，不但會耽誤施工的進度，而且會影響組對筒節(jié)的質量。因此，在保證筒節(jié)組裝質量的前提下，既要保證施工的進度，又要控制工裝的成本。

通常，工裝數(shù)量與訂貨合同、施工進度相關聯(lián)。建議如下：

① 整體出廠的大型塔器，撐圓工裝數(shù)量至少要滿足一半以上的筒節(jié)進行一次性調(diào)整筒節(jié)圓度的需要。

② 以分段塔體出廠的大型塔器，撐圓工裝的數(shù)量必須多于分段塔體中最多的筒節(jié)數(shù)。

③ 撐圓工裝形式以圓環(huán)型撐圓工裝為佳，且撐圓工裝要有足夠的抗彎剛度。

（3）臥置狀態(tài)的筒體其重力方向應與軸線垂直，而豎置狀態(tài)的筒體其重力方向應與軸線平行。單節(jié)筒體在豎置狀態(tài)更易校圓，豎置狀態(tài)組對筒節(jié)時環(huán)向錯邊量更易調(diào)整。

實踐表明，單節(jié)筒節(jié)應取豎置狀態(tài)進行圓度的調(diào)整，分段筒體制造時筒節(jié)也應取豎置狀態(tài)進行組對。這樣可以減少自重的影響，操作較為便利，圓度較易控制。

（4）薄壁筒體分段出廠時，宜在兩端口的內(nèi)側或外側保留工裝。

（5）需要在臥置狀態(tài)進行消應力熱處理的薄壁塔體，其支撐結構應有相應的剛度和合理的支撐位置，通常依據(jù)制造經(jīng)驗來確定。

圓度合格的塔體以臥置狀態(tài)進爐熱處理時，應在塔體周向的最高點和最低點做出標記。倘若因缺少熱處理經(jīng)驗或偶然失誤，致使圓度合格的塔體在熱處理后圓度變大，難以進行塔盤類內(nèi)件的組裝，這時可把該塔體轉動90°，即把熱處理前塔體環(huán)向的最高點和最低點轉到水平位置，再進行一次相同工藝的熱處理，就能夠基本恢復塔體的圓度，滿足塔盤類內(nèi)件的組裝。

2 內(nèi)凹變形

2.1 產(chǎn)生原因

（1）較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在進行起吊移位、重新擺放時，若移動下降的速度較快，則在筒體接觸轉胎 （或支承件）的瞬間，筒體的支承處較易產(chǎn)生沖擊性的內(nèi)凹變形。

（2）較長的大型薄壁塔體進行水壓試驗時，若支承結構或支承位置不合理，支承處的筒體單位面積承受過大的壓力，就可能發(fā)生內(nèi)凹變形。

2.2 預防措施

（1）較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在進行吊移時，下降的速度必須盡量緩慢，使之輕放在轉胎 （或支承件）上。

（2）較重的塔器或分段制造的薄壁筒體在吊移前，應在合適的位置增加墊板保護圈，以預防筒體內(nèi)凹變形。

（3）大型薄壁塔體進行水壓試驗時，應選用合適的支承結構和合理的支承位置。

3 束腰變形

環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形、環(huán)向內(nèi)凹焊接角變形等環(huán)向內(nèi)凹變形，統(tǒng)稱為束腰變形，亦稱 “O”形收縮。

3.1 產(chǎn)生原因

（1）在環(huán)縫的施焊過程中，較重的薄壁塔體與轉胎支承相接觸的部位，受轉胎的反作用力較大。若轉胎的反作用力大于塔體材料的屈服強度，則隨著塔體轉動的圈數(shù)增加，塔體上會產(chǎn)生碾壓痕跡，且由較淺到較深，嚴重時塔體會發(fā)生整圈的環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形。薄壁塔體轉動的圈數(shù)越多，其產(chǎn)生整圈的環(huán)向內(nèi)凹變形越顯著。

（2）環(huán)向的焊接殘余應力產(chǎn)生的殘余變形也是造成塔體周長縮短的一個因素，即環(huán)向焊接殘余應力也會促使筒體發(fā)生整體性環(huán)向內(nèi)凹變形。

當筒體環(huán)縫坡口的型式不合適、焊接工藝欠合理時，有可能產(chǎn)生相當大的環(huán)向內(nèi)凹焊接角變形。筒壁越薄、直徑越大，環(huán)向內(nèi)凹變形產(chǎn)生的可能性越大。

3.2 預防措施

（1）當組焊的薄壁塔體較重時，應在筒體上與轉胎接觸的部位增加整圈的墊板保護圈，從而防止產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形。

（2）當筒壁較薄時，環(huán)縫宜采用內(nèi)坡口，且應控制焊接線能量。

從預防變形考慮，設計單位、用戶和安裝單位應注意以下幾點。

（1）為預防大型薄壁塔體在水壓試驗時因自重增加而導致支承處產(chǎn)生內(nèi)凹變形，可采用氣壓試驗。設計壓力低于1 MPa的大直徑薄壁塔器，盡可能采用A、B類焊接接頭并進行100%射線探傷。

（2）為預防大型薄壁塔體在轉動過程中產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)凹碾壓變形，塔體外側增加的整圈墊板保護圈應隨同塔體一同出廠，后續(xù)工作由安裝單位進行完善。

4 塔體直線度

4.1 產(chǎn)生原因

（1）單節(jié)筒節(jié)的端面與軸線的垂直度偏差較大。

（2）筒節(jié)圓度較大。

（3）分段塔體的環(huán)縫焊接后，各個方位軸向收縮的不均勻性造成分段塔體的兩個端面與軸線的垂直度偏差較大。

4.2 預防措施

（1）從嚴控制垂直度和圓度

按筒節(jié)端面的垂直度≤1 mm和圓度e≤10 mm進行控制。

（2）降低環(huán)縫焊接軸向收縮的不均勻性

① 筒節(jié)環(huán)縫坡口型式以內(nèi)坡口為主，鈍邊為2 mm。

② 環(huán)向組對時原則上為無間隙組焊。方法為按等分法進行組對，并控制定位焊的長度、間距。

③ 提高里口封底焊的質量，減小外口清焊根的深度。精心操作，提高焊縫拍片合格率。

④ 記錄塔體最大直線度的方位、最大凹 （凸）值及其位置。

（3）分段塔體

塔體方位線和基準圓的標記必須清晰。必須從嚴控制筒體端面垂直度，必要時可進行分段塔體端面的修理。

分段塔體長度約為20 m時，與下封頭相連的第一節(jié)筒體在距下端口100 mm處劃出整圈的環(huán)線，即為環(huán)向第一基準線，亦稱基準圓。各個分段塔體在距下端口100 mm處也劃出整圈的環(huán)線，作為輔助基準線。四個基本方位的單側端口處至環(huán)向基準線的長度差值≤3 mm，且須從嚴控制。

分段塔體按直線度≤15 mm進行控制。若大型塔器為分段塔體出廠，那么分段塔體之間必須進行預組裝，其塔體的直線度達到要求后方可出廠。

（4）塔器安裝

塔盤支持圈的間距和水平度是影響塔器功效的關鍵因素。塔盤類塔器在制造時，塔盤支持圈的水平度與塔體的直線度相關聯(lián)。塔體的直徑越大，塔體安裝的垂直度對塔盤支持圈的水平度影響越大。因此，控制塔器安裝垂直度方位與制造直線度方位的同一性，有利于保證塔盤支持圈的水平度。筆者建議：① 制造單位應把塔器最大直線度及其方位作為單項資料以書面形式隨同塔器實物一同交給用戶，用戶應把塔器直線度的資料及時轉交給安裝單位。② 安裝單位應參照制造廠提供的塔器最大直線度及其方位等資料，進行塔器的安裝及其垂直度的調(diào)整。

5 結束語

（1）大型薄壁塔體的特點是塔體抵抗變形的能力弱，即在塔器的制造過程中容易產(chǎn)生較大程度的變形。為此，在大型薄壁塔體的制造過程中，必須集思廣益，采取有效的工裝和合理的工藝。

（2）圓度變形是薄壁塔體最容易產(chǎn)生、最常見的制造變形。大型塔體的自重圓度越大，調(diào)整圓度的工裝剛度也應越大。因此，根據(jù)塔體的設計參數(shù)和自重圓度計算公式，可以確定筒節(jié)制造時可能產(chǎn)生的自重圓度變形，同時還可以估算大型薄壁塔器工裝的成本費用，及時準備相應的工裝材料，有利于保證大型薄壁塔器的制造和安裝質量。

（3）參照文中相關預防制造變形的措施，可以有效控制大型薄壁塔體的變形程度，有利于塔器內(nèi)件的順利安裝，提高大型薄壁塔器的制造質量。

[1] 呂延茂.薄壁筒體臥置狀態(tài)圓度的測量和計算 [J].壓力容器，2004，21（8）：16－21.