煉化反應(yīng)器環(huán)縫焊接變形對(duì)運(yùn)行的影響及對(duì)策

劉 恒，陳孫藝

(茂名重力石化裝備股份公司，廣東 茂名 525024)

近幾年，國內(nèi)煉油化工重大反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，制造要求不斷提高，例如煉油方面的焦化反應(yīng)器、重整反應(yīng)器以及化工方面的氣相反應(yīng)器、脫氫反應(yīng)器，在設(shè)計(jì)上均對(duì)筒體內(nèi)徑尺寸偏差和橢圓度提出了要求，其中新疆獨(dú)山子石化最大內(nèi)徑φ5 140 mm的焦化反應(yīng)器、浙江石化最大內(nèi)徑φ5 100 mm的脫氫反應(yīng)器和茂名石化最大內(nèi)徑φ3 200 mm的重整反應(yīng)器均要求筒體的橢圓度≤0.5%×內(nèi)徑；惠州煉化最大內(nèi)徑φ3 800 mm的氣相反應(yīng)器則要求最外側(cè)分布板與筒體的間隙<1 mm；另外上述反應(yīng)器均要求將筒體焊縫磨平。

環(huán)焊縫變形分為徑向收縮變形、軸向收縮變形以及不均勻形變導(dǎo)致的非圓變形3種。這3種變形如果過大，會(huì)使得煉油化工重大反應(yīng)器運(yùn)行效率、反應(yīng)效果等受到影響，嚴(yán)重時(shí)還有可能危及設(shè)備安全【1】，但是目前在這方面的研究還不多見。本文即對(duì)此進(jìn)行探討，以期為應(yīng)對(duì)環(huán)縫焊接變形提供參考。

1 運(yùn)行質(zhì)量影響分析

針對(duì)前文中的焦化反應(yīng)器、重整反應(yīng)器以及氣相反應(yīng)器、脫氫反應(yīng)器，歸納總結(jié)了環(huán)焊縫變形對(duì)其運(yùn)行的影響，具體如表1所示。

在制造過程中，環(huán)焊縫變形有多種影響因素，歸納總結(jié)如表2所示。

另外，對(duì)于某聚丙烯裝置臥式反應(yīng)器攪拌器驅(qū)動(dòng)軸的斷裂分析，文獻(xiàn)【2】認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)軸鍵與鍵槽互相干涉產(chǎn)生了裂紋源，同時(shí)變更生產(chǎn)牌號(hào)時(shí)驅(qū)動(dòng)軸的扭矩發(fā)生了變化，最終使驅(qū)動(dòng)軸在不斷變化的扭矩下產(chǎn)生了疲勞斷裂。筆者認(rèn)為上述分析尚不全面，如果設(shè)備的環(huán)縫產(chǎn)生了非圓變形，對(duì)沿圓周布置的刮壁葉片運(yùn)行時(shí)的反饋力度不同，則會(huì)形成新的交變載荷，加速驅(qū)動(dòng)軸的疲勞斷裂。但這僅僅是針對(duì)制造過程而言，更重要的是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行改進(jìn)，以預(yù)防疲勞斷裂的發(fā)生。本文主要論述制造中環(huán)縫焊接變形對(duì)其運(yùn)行質(zhì)量的影響和技術(shù)對(duì)策，關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方面的內(nèi)容不再展開。

為了控制煉油化工重大反應(yīng)器制造中環(huán)縫焊接變形，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，進(jìn)而采取技術(shù)對(duì)策。傳統(tǒng)的方式是通過實(shí)驗(yàn)來獲得這些數(shù)據(jù)，但是實(shí)驗(yàn)過程容易受到影響而且消耗的時(shí)間較長，成本較高，而運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬，已成為一種模擬焊接過程的有效方法【3】。該方法可以模擬整個(gè)焊接過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和變形，不僅可得到結(jié)構(gòu)的焊接變形，而且可以分析焊接殘余應(yīng)力。

表1 環(huán)焊縫變形對(duì)運(yùn)行的影響分析

表2 環(huán)焊縫變形的各種影響因素分析

例如上海交通大學(xué)陳建波等人運(yùn)用有限元軟件ANSYS，成功對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)多道焊進(jìn)行了熱彈塑性有限元分析，預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)的焊接變形【6】。筆者針對(duì)一具體筒體環(huán)縫和焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并通過焊接實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 環(huán)縫焊接變形模擬計(jì)算

某筒體材質(zhì)為Q345R，環(huán)縫坡口和尺寸如圖1 所示。

圖1 坡口和焊縫尺寸示意

焊接采用埋弧自動(dòng)焊，焊絲焊劑為H10Mn2/CHF101。焊接過程如下：1)打底焊，共1層1道；2)焊正面，共11層21道；3)清根，深度約8 mm，寬度約10 mm；4)焊背面，共1層1道。焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

該筒節(jié)為圓筒形，屬于軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此建立二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，用焊縫單元的生死來實(shí)現(xiàn)多層多道焊的模擬，在焊縫上施加1 500 ℃的熱載荷，然后自然冷卻。開始時(shí)，將正面坡口處(第1～22道)的單元全部殺死，然后逐層激活，熱載荷加在正在進(jìn)行焊接的焊縫上。正面焊接完畢再殺死背面(即管道內(nèi)壁)第1道和第23道的單元，然后再激活該處單元進(jìn)行焊接計(jì)算。

劃分網(wǎng)格時(shí)將焊縫處進(jìn)行細(xì)化，得到如圖2所示網(wǎng)格。分析時(shí)所用的單元是CAX4RT(四邊形單元)和CAX3T(三角形單元)，為軸對(duì)稱、線性減縮積分、溫度結(jié)構(gòu)耦合單元。共劃分了7 439個(gè)單元。

圖2網(wǎng)格劃分示意

圖1中的測(cè)量點(diǎn)在不同時(shí)刻的徑向位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示，小圖為大圖中綠色區(qū)域的放大圖，該區(qū)域包括第2道～第22道。第1道冷卻以后，測(cè)量點(diǎn)的位移是-0.59 mm，負(fù)號(hào)代表發(fā)生收縮變形；第22道冷卻后，測(cè)量點(diǎn)的位移是-1.80 mm；第23道冷卻以后，測(cè)量點(diǎn)的位移是-0.37 mm。由于剛開始焊接時(shí)，筒體剛度小，因此第1道焊接的變形較大。在筒體外焊了第22道以后，在筒體內(nèi)再焊第23道，焊接位置突然發(fā)生了改變，產(chǎn)生了與之前的22道方向相反的焊接變形，抵消了前22道的一部分焊接變形，減小了最終變形量。

圖3 測(cè)量點(diǎn)隨時(shí)間變化的徑向位移

3 實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果及對(duì)比

在筒體實(shí)際焊接過程中，測(cè)量圖1中測(cè)量點(diǎn)所在的橫截面內(nèi)圓的周長，根據(jù)各段圓弧的長度，計(jì)算出相應(yīng)半徑，在焊接前、第1道焊接完成后、第22道焊接完成后、第23道焊接完成后各測(cè)量1次，每次測(cè)量1圈，1圈分為16段，測(cè)量結(jié)果見表4。將圖3所示測(cè)量點(diǎn)有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)記錄結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。由于位移變化量在2 mm以內(nèi)，相對(duì)于550 mm的半徑較小，因此為了防止所有的線重合，將位移變化量放大了40倍顯示。從圖4可以看出，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分相近。

表4 測(cè)量點(diǎn)徑向位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄 單位：mm

圖4 結(jié)果對(duì)比示意

4 技術(shù)對(duì)策

在對(duì)實(shí)際產(chǎn)品建立模型進(jìn)行環(huán)縫焊接變形預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出反應(yīng)器制造中可以采取的一些措施來預(yù)防和減少變形。

4.1 采用米字形支撐

對(duì)于內(nèi)徑很大、壁很薄以及容易產(chǎn)生變形的不銹鋼等材料制造的反應(yīng)器，例如焦化反應(yīng)器和重整反應(yīng)器，筒體焊接時(shí)，應(yīng)在環(huán)縫附近部位進(jìn)行米字形支撐，如圖5所示。支撐結(jié)構(gòu)與筒體內(nèi)壁手工點(diǎn)焊，應(yīng)注意點(diǎn)焊時(shí)的線能量輸入，防止筒體產(chǎn)生變形。環(huán)縫焊接完成后割除支撐結(jié)構(gòu)。

4.2 環(huán)焊縫內(nèi)、外表面磨平

對(duì)于環(huán)焊縫與物料、催化劑相接觸的反應(yīng)器，例如焦化反應(yīng)器、重整反應(yīng)器和聚丙烯臥式反應(yīng)器，在環(huán)縫焊接完成后，應(yīng)將環(huán)焊縫內(nèi)、外表面磨平，如圖6所示。

圖5 米字形支撐

圖6 焊縫內(nèi)表面磨平

4.3 筒體采用鍛件并機(jī)加工

對(duì)于筒體內(nèi)徑尺寸和橢圓度要求高的反應(yīng)器，例如聚丙烯氣相反應(yīng)器，可以將與最外圈分布板相連接的筒體材料由板材改為鍛件，并在環(huán)縫焊接后采用機(jī)加工的方式確保筒體內(nèi)徑尺寸和橢圓度，如圖7所示。

圖7 聚丙烯氣相反應(yīng)器機(jī)加工

4.4 預(yù)留變形收縮量

對(duì)于內(nèi)件裝配尺寸要求高的反應(yīng)器，例如苯乙烯脫氫反應(yīng)器，可以在筒體環(huán)縫焊接前先模擬計(jì)算軸向收縮量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)留筒體收縮余量，以達(dá)到筒體環(huán)縫焊接后孔與篩網(wǎng)相匹配的目的，避免環(huán)形支撐圈擋住筒體上的孔。

4.5 采用水淋等加速冷卻方式

對(duì)于筒體采用奧氏體不銹鋼材料制造的反應(yīng)器，例如苯乙烯脫氫反應(yīng)器，在焊接過程中每層焊道焊完后，可采用水淋的方式加快冷卻，以減少變形的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

1) 隨著國內(nèi)煉油化工重大反應(yīng)器的制造要求日益提高，環(huán)焊縫變形對(duì)其運(yùn)行質(zhì)量有著重大影響，其中焊接變形是一個(gè)重要因素，應(yīng)在制造中采取對(duì)策，減少或者消除變形。

2) 針對(duì)環(huán)縫焊接產(chǎn)生的變形，有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分相近，可以在制造中有效預(yù)測(cè)變形量。

3) 可以采用米字形支撐，環(huán)焊縫內(nèi)、外表面磨平，筒體用鍛件制造并機(jī)加工，預(yù)留變形收縮量和采用水淋等加速冷卻方式來減少或者消除變形，達(dá)到控制筒體環(huán)縫焊接后尺寸的目的。

4) 以上研究只是從一個(gè)制造廠的角度基于制造過程而言，有些結(jié)論已經(jīng)驗(yàn)證，有些結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證，還需要更加深入的研究。