哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特煉油廠大型非標設備催化分餾塔復合板組焊技術

張 東，吳 俊，王 超，常紅雷，高永杰

中國石油天然氣第七建設有限公司，山東青島266061

哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特煉油廠位于古絲綢之路交匯點的南哈州首府奇姆肯特市，是哈國三大煉油企業之一，該廠為上世紀80年代所建，由于工藝落后逐漸不適合發展需要，鑒于此，在中哈兩國政府的支持和石油公司的努力下，決定對其進行升級改造。以恢復產能600萬t/a、提高加工深度、改善環保標準為目標，既是哈國人民改善和提高石油產品的自身需要，也可為周邊國家提供一定的產品供給。

該改造項目共涉及13套裝置，由中國石油工程建設有限公司進行EPCC總承包，為中國石油在海外承攬的最大煉油工程，合同總額為16億美元，施工高峰期人員達到3700余人，該工程既是哈國重點項目，中國石油海外重點工程，同時也是我國現階段倡議的“一帶一路”的重要組成部分。

新建的200萬t/a重油催化裝置為改造裝置中最大的核心裝置，該裝置中核心設備分餾塔采用復合金屬材料設計，材質特殊，焊接工藝復雜，質量要求高，為整個工程中焊接難度之最，通過精心論證、籌劃和組織實施，最終確定分餾塔采用分片運輸、到現場后在托輥上進行臥式組焊的施工工藝，并取得了良好結果。

1 分餾塔基本參數

分餾塔外形見圖1，直徑為5400 mm，長度為51374 mm，塔體下部選用S11306+14Cr1MoR復合板，厚度為（48＋3）mm，上部選用Q345R鋼板，厚度為18 mm，塔體下部復合板部分需進行焊后熱處理。

圖1 分餾塔外形示意

2 組焊特點

（1）分餾塔外形尺寸大，壁厚大，重量大。需要的大型吊車、托輥等施工設備要從國內調遣到哈國，因此需提前確定組焊方案、運輸方案；焊接人員需提前完成考試并持有效證件，焊接工藝評定需提前完成，大量準備工作需仔細籌備，這增加了組織、技術和管理難度。

（2）主體材質為復合金屬材料（14Cr1MoR+S11306），由珠光體耐熱鋼及鐵素體不銹鋼組成，兩者鋼材都有淬硬傾向，焊接性較差，隨著板厚的增加，焊后冷裂紋傾向增大，需制訂合理的焊接工藝且需嚴格進行施工過程的各工序管控。

（3）設備組焊的工序復雜，預熱、焊接、過程無損檢測、焊后熱處理、最終無損檢測等工序交叉進行，施工組織的銜接難度大。

（4）焊接工藝、熱處理工藝等需當地相關部門同意，哈國標準和語言與國內不一致之處需提前溝通，達成共識。

3 施工準備

施工方案為：國內采購并完成板片下料，坡口加工并分片包裝發運，在施工現場采用在托輥上進行臥式組焊，后進入爐內整體熱處理，試壓后采用1000 t履帶吊主吊就位。由于該整體方案涉及面廣、控制要素多，現場組焊需掌握以下幾個關鍵步驟：

（1）提前5個月提出現場組焊所需的托輥、焊機、溫控等輔助設備的采購，在分餾塔到貨前將組焊設備就位安裝完畢，以保證組焊時間。焊接人員提前完成中國和哈國共同認可的取證和考試工作。

（2）提前4個月開始進行焊接工藝評定（注意國內做焊評時需請當地監理等人員到國內進行確認），根據合格的焊接工藝評定完成現場焊接方案和焊接工藝卡的編制和報驗，并進行詳細的安全技術交底。

（3）派遣人員在國內制造廠進行全過程的監造，重點保證板材的預組裝質量和坡口形式的正確性。指定現場負責人對接解決中國和哈國質量監督部門的過程質量監檢事宜[1]。

（4）由于本次所用焊材為不同的供應商提供，其中還有國外供應商的焊材，因此至少提前4個月提出焊材需用計劃，綜合考慮采購、復驗、運輸、清關等各個環節的合理安排，保證采辦部門能夠在設備組焊前完成焊材供應。

（5）提前5個月開始進行現場熱處理爐的招標工作，給采購、運輸、清關等預留足夠的時間；提前2個月開始熱處理爐的現場建造、調試等工作，以保證設備組焊完成后整體進爐進行熱處理。

4 施工方案

4.1 整體組裝程序

分餾塔整體組裝程序見圖2。

4.2 組對措施

4.2.1 封頭組焊

（1）在現場預制場搭設鋼平臺，根據每圈板片數和封頭端部實際周長放出焊接收縮量，在鋼平臺上劃出筒體基準圓，在基準圓內側每隔1000～1500mm焊一塊定位板，將板片按順序吊至基準圓處，每塊板片設置一根立式支撐，用工卡具連接組對。

圖2 分餾塔整體組裝程序示意

（2）瓣片組對成型后安裝頂蓋，利用工卡具固定，調整間隙。

（3）采用焊條電弧焊焊接，先焊接基層，翻轉后氣刨清根，然后焊接復層。

4.2.2 殼體縱縫組對

（1）筒體板到貨檢驗合格后,按照筒節的編號在預制場進行組對，按照設備尺寸在組對平臺上放樣劃線，利用吊車或行車配合進行組對。

（2）筒節直立放置，處于自由狀態時用弦長等于1/4設備內徑且不小于1000 mm的內、外樣板檢查，其間隙不得大于3 mm。

（3）組對前將坡口及邊緣50 mm以內的油漆、鐵銹及其他雜物打磨干凈，調整好尺寸后在筒體外側點焊固定，每隔300～400 mm點焊一處，點焊長度不小于50 mm。

（4）筒節縱縫采用無間隙組對，利用組裝夾具、千斤頂、倒鏈及斜鐵等手段調整間隙和錯邊量。

（5）筒節組對完成后，內部加設十字或米字支撐，避免在吊裝過程中變形，注意與復層焊接時必須加設隔離板。如運輸或焊接時造成筒節焊道兩側存在變形，單筒節焊接完畢后，用滾板機回圓校形，并用樣板進行檢查。

4.2.3 殼體環縫組對

復合板筒體采用立式組對，由于本設備共有10節復合板筒節，全部組對后太高，因此確定組對成兩大段，首先單筒節焊接完成后在平臺上分開擺放，每段的最上第1筒節焊接臨時吊耳，筒節采用吊車進行立式倒裝組對，在筒節外側用夾具調節間隙及錯邊量，然后在筒體外側點焊固定，每隔300～400 mm點焊一處，點焊長度不小于150 mm。

4.2.4 殼體合并成整體

立式組對完成的兩段筒體分別放在托輥上進行臥式組對，具體步驟為：將第1段筒節放在100 t可行走托輥上，將第2段筒節放在100 t可頂升托輥上，利用可行走托輥調節環縫間隙，利用可頂升托輥調節錯邊量，調整好周圈間隙和錯邊量后在筒體外側點焊，每隔100～300 mm點焊一處，點焊長度不小于50 mm，完成整個復合段的筒體組對。

4.2.5 組對質量要求

組對時重點控制錯邊量，應符合表1的規定。

表1 分餾塔組對錯邊量要求

4.3 主要焊接工藝

4.3.1 焊接流程

復合板焊接工藝較復雜，為保證各工序的銜接順暢和組焊質量，現場制訂了詳細的焊接工藝流程，如圖3如示。

圖3 分餾塔復合板焊接流程

4.3.2 焊前坡口確認

焊接坡口應在排版圖確定的同時給予確定，由國內預制板片時制作完畢，并經監造人員確認合格后才允許出廠。本設備采用的排版圖和坡口見圖4、圖5。

4.3.3 焊接方法及材料選用

各部位的焊接方法和材料選用見表2，焊材的儲存、烘干及發放等管理嚴格按相關規定執行。

4.3.4 焊接施工工藝

4.3.4.1 焊接原則

分餾塔除封頭和分段處焊縫采用手工焊外，筒體和裙座均采用埋弧焊和氣保焊完成，組對完成后，按照先縱縫、后環縫，先基層、后過渡層和復層的原則進行焊接；接管焊接按照先小接管、后大接管，最后與介質接觸面焊接的方法，按照圖樣要求焊接。

焊接成段后，復合段加上一節碳鋼筒節和鉻鉬鋼裙座組成一個整體段，進行爐內整體焊后熱處理，待整體熱處理完畢后再與其他段組成整體。

4.3.4.2 焊接預熱

復合板焊前需要進行預熱，由于本設備焊接時溫度較低，鋼板表面存在積雪或積冰，因此采用火焰進行預熱，即從煉廠內埋地連接一根燃料氣管道以保證現場的預熱需要。預熱范圍為焊縫兩側各不小于焊件厚度的3倍，且不小于150 mm，預熱溫度≥200℃，但不超過250℃。整個焊接過程分兩次預熱，時機見焊接流程，現場預熱如圖6所示。

圖4 分餾塔排版示意

4.3.4.3 定位焊

組對完畢后進行定位焊接，復合鋼板組對時卡具應焊在基層板上（在筒體外側定位），定位焊與正式焊接工藝相同，須按要求對點焊部位進行預熱，對復合板加熱部分為基層板，坡口表面的溫度達到200℃以上時進行點焊，焊縫長度≥60 mm，焊縫厚度≥6 mm，相臨定位焊點間距≤400 mm。

圖5 焊縫坡口

4.3.4.4 焊接工藝要求

（1）為防止飛濺，在焊前應對焊條電弧焊和氣體保護焊的復層坡口兩側各150 mm范圍涂涮防護劑。

（2）焊接順序如圖7所示。

（3）復層焊接時由于坡口面較寬，應采用小電流、多層多道焊，每層焊接寬度不應大于7 mm，每道焊縫需壓實，焊完后盡可能與復層表面保持平整、光滑，余高不大于1.5 mm。

表2 焊接方法和焊材選用

圖6 焊前預熱

（4）后熱要求。每道焊縫的整個焊接過程應做兩次后熱，后熱時機見焊接流程，現場后熱采用電加熱進行，應在焊接后立即進行1 h的300～350℃后熱。

（5）焊接工藝參數。焊接工藝參數根據焊接工藝評定及現場相關條件編制，以焊接工藝卡的形式發放至作業班組，在現場顯著位置進行張貼，指導現場焊接作業。

圖7 復合板焊接順序

（6）復合板復層修復。如果復層受到損傷需要修復，按下述方法進行：去掉復層后將基層去掉1.0～2.0 mm，然后堆焊過渡層及復層，焊后磨平修光堆焊表面，如圖8所示。

4.4 無損檢測和焊后熱處理

4.4.1 焊后外觀質量要求

（1）焊接完畢后焊縫與母材應圓滑過渡，成形良好；焊縫表面不得低于鋼板表面；焊接接頭表面不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、飛濺等缺陷存在；母材上不應有電弧擦傷；復合鋼的復層不得有咬邊缺陷。

圖8 焊縫基層、復層示意

（2）焊縫余高除上述條款有要求外，A、B類焊接接頭的余高還應滿足圖9及表3要求。

圖9 單、雙面坡口要求

表3 A、B類焊接接頭的余高要求

4.4.2 無損檢測

無損檢測按焊接流程圖所示執行，主要有坡口表面檢測、清根后檢測、后熱完畢后射線檢測及熱處理后超聲檢測。

4.4.3 焊后熱處理

（1）焊后熱處理在射線檢測合格后，所有與熱處理殼體接觸的部件全部焊接完畢后，在現場進行爐內整體熱處理，如圖10所示。

圖10 分餾塔整體熱處理后效果

（2）熱處理后的質量檢查。現場組焊設備熱處理后按要求對A、B、D焊縫進行硬度檢測，每條焊縫檢測一處，每處按5點進行，即焊縫區、兩側熱影響區、兩側母材區各測一點，硬度值應≤220 HBW。熱處理完畢后按規定對A、B類焊接接頭進行UT檢測，合格級別為Ⅰ級。

4.5 質量控制重點

（1）焊接過程嚴格控制各工序施工順序，特別是無損檢測在焊接前、中、后不停交叉需特別注意。

（2）過渡層應同時熔合基層焊縫、基層母材和復層母材，且應蓋滿基層焊縫，并高出基層復層交界線約1 mm。

（3）在焊接整個過程中，復層需用不銹鋼板隔離，不得與碳鋼材料直接接觸，復層和過渡層焊接所使用的磨光機砂輪片須用不銹鋼專用砂輪片。

（4）所有不銹鋼焊接接頭表面，焊接完畢后應進行酸洗、鈍化處理，不銹鋼的酸洗鈍化采用涂刷酸洗膏進行100%的鈍化處理，表面處理后，應用清水沖洗，并用酚酞試紙檢查沖凈的程度。

5 結束語

分餾塔組焊施工為整個工程焊接難度之最，經過精心籌劃、提前準備，并通過嚴格的全過程控制和管理，在保證工程進度的情況下，熱處理一次合格；焊接總檢測片數為1937張，一次合格1936張，合格率為99.99%，為同類焊接工程的精品。

該工程項目所處地區位于我國倡導的核心路線“一帶一路”交匯之處，工程建設受到兩國政府和人民的高度關注，在克服國外運輸條件受限、當地資源貧乏的情況下，較好地保證了工程的質量、安全和進度，受到了哈薩克斯坦業主的贊揚，體現出中國石油公司的實力，也為海外的大型非標設備核心工序施工提供了寶貴的經驗。