未變換氣甲醇洗滌塔的制造工藝淺談

董 洋* 程 萍

（錦西化工機械集團有限公司）

0 前言

未變換氣甲醇洗滌塔是某化工企業120 萬t/a精細化學品示范項目的關鍵設備，該塔為鎳合金（09MnNiDR）低溫鋼制壓力容器。制造時既要考慮制造難點，也要考慮低溫材料的特點，因此選擇合理的制造工藝十分重要。同時塔體的直徑較大且塔體較高，整體熱處理及運輸均超限，制造公差要求嚴格，為了保證設備順利生產，編制了合理的工藝方案。

1 甲醇洗滌塔的技術參數及結構特點

1.1 主要技術參數

洗滌塔的主要技術參數如表1 所示。

表1 洗滌塔主要技術參數

設備制造公差（塔體直線度公差、橢圓度公差、長度公差、塔盤平面度公差）按NB/T 47041—2014《塔式容器》和JB/T 1205—2001《塔盤技術條件》要求執行。

1.2 結構特點

未變換氣甲醇洗滌塔為裙座自支承塔式設備，主體材料為低溫鋼09MnNiDR。設備由裙座、上下封頭、筒體、內支承及外部附件組成，塔體共有5 個人孔和37 個工藝管口及預焊件，塔體內還有88 層塔盤支承件，2 層集油箱支承件如圖1 所示。

圖1 未變換氣甲醇洗滌塔結構簡圖

2 設備制造關鍵

未變換氣甲醇洗滌塔為鎳合金低溫鋼制塔設備，筒體、封頭材料為09MnNiDR 鎳合金低溫鋼板，其主要性能要求是確保設備在使用溫度下具有足夠的韌性及抵抗脆性破壞能力。

結構低溫脆斷的起始點（裂紋源）往往是材料或制造時產生的缺陷處，結構的幾何形狀突變處或其他應力集中處。焊縫缺陷（如弧坑、未焊透、未熔合、咬邊、焊縫成形不良等）處極易產生應力集中現象，而導致設備發生低溫脆性斷裂。

焊接時焊接熱輸入過大量或層間溫度過高易造成焊縫金屬及近縫區形成粗晶組織而降低設備低溫韌性。

該設備為塔器，其制造公差（如塔體的長度公差、橢圓度公差、直線度公差、塔盤平面度公差等）要求非常嚴格，筒體、封頭的成型、組焊工藝方法對保證設備質量十分關鍵。

由于塔體的長度運輸超限，因此合理分段也是該設備制造的重點。

基于以上關鍵點，選擇合理的原材料、制造工藝、焊接工藝及焊后消除應力熱處理工藝是該設備制造時的重點。

3 制造工藝方案

針對該設備制造中存在的難點進行了分析，并制定了以下工藝措施。

3.1 原材料要求

低溫用鋼除了需滿足壓力容器對一般材料的基本要求（足夠的強度、穩定的組織、良好的加工性能和焊接性能以及其他必要的物理性能）以外，還須具有盡量低的韌脆轉變溫度和足夠的低溫韌性。雖然鋼板標準規定了沖擊試驗溫度的沖擊功指標，考慮到焊接后熱影響區的低溫沖擊功較母材降低更明顯，為確保容器各個焊接接頭均滿足要求，必須在采購時適當提高沖擊功指標。同時還需使用匹配的焊接材料。

該設備厚度較大，一般情況下厚板的軋制變形量較小，往往終扎溫度高，晶粒較粗大，鋼板內部存在偏析的可能性也較大，另外在熱處理時厚板表面與內部的冷卻速度不一，導致金相組織不均勻，因此鋼板越厚其沖擊吸收功值越低，韌性轉變溫度越高，即低溫冷脆傾向越顯著。

該設備采用09MnNiDR 板料采購技術條件時，除了要求其化學成分和力學性能除符合材料標準規定外，還應控制以下幾個條件:

（1）C ≤0.12%（質量分數，下同），P ≤0.015%，S≤0.008%，CE≤0.43%；

（2）逐張進行的-70 ℃低溫夏比（V 型缺口）沖擊試驗，試樣取樣方向為橫向；取樣位置為板厚的1/4 和1/2 處，三個試樣沖擊功平均值Akv≥90 J(取設計驗收值60 J 的1.5 倍)，單個試樣沖擊功最低值Akv≥63 J；

（3）采用正火加回火狀態處理,回火溫度不低于625 ℃；

（4）鋼板性能試樣須經模擬焊后熱處理，最大程度焊后熱處理的溫度為600±14 ℃，時間為10 h；最小程度焊后熱處理的溫度為600±14 ℃，時間為2.5 h。

材料進廠后復驗，其低溫沖擊功值的最低值為90 J，其他性能及指標均合格。

3.2 筒節、封頭的成型要求

結構低溫脆斷的起始點（裂紋源）往往是材料或制造的缺陷處，結構的幾何形狀突變處或其他應力集中處，因此要求筒體、封頭在成型過程中應避免一切刻劃、打鋼印、過量冷變形、錘擊、強力變形組裝等能夠產生殘余應力的操作方法。筒節、封頭板料號料劃線時采用記號筆，材料標記轉和焊工標記采用繪圖記錄。板料切割后預制坡口，坡口表面修磨光亮，并進行表面無損檢測，下料時嚴格控制筒節板料的兩條對角線長度差。

筒節卷板時應采用多次成型的方法盡量減小其中的殘余應力，滾制成型后組焊。為了確保塔體的直線度要求，應嚴格控制筒節橢圓度，同時還須進行二次劃基準線。

封頭分六瓣冷點壓成型，然后經過預組、配研等步驟將6 塊溫帶板和1 塊極帶板拼焊成型，同時帶焊接性能檢測試板，如圖2 所示。

圖2 封頭成型圖（單位：mm）

3.3 塔體分段要求

未變換氣甲醇洗滌塔可分6 段進行制造、熱處理，各段的長度/質量分別為11 m/95 t，9.3 m/81 t，11 m/95 t，9.6 m/83 t，12.2 m/105 t，9.8 m/85 t。每段的所有件均組焊并檢測合格后分段整體熱處理，同時將各分段口用工裝支撐圈固定，防止其在熱處理時變形。各分段口處應作好四心位置的對應標記，便于現場組對焊接。

3.4 各段塔體的制造要求

為了確保每段塔體的直線度、長度公差，每2 節筒體組對時都應檢測直線度、橢圓度公差合格后，再進行焊接。然后按6 段進行組焊，并將每段的接管法蘭組件及內、外附件（除分段口附近的內、外附件）均組焊好。塔盤支承件應以筒節端口基準線來劃線并組對，確保其塔盤的平面度公差要求。降液板、受液盤連接板利用工裝固定板組對，確保各連接尺寸的準確性。為了減小局部高應力，避免結構形狀突然變化，使塔體的對接接頭圓滑過渡，接管端部焊后應打磨成內凹圓角。

3.5 塔體的焊接要求

低溫用鋼的焊接關鍵是要避免焊縫金屬及熱影響區形成粗晶組織而導致其韌性降低，因此要求嚴格控制焊接線能量，采用較小的焊接線能量、多層多道施焊來避免焊道過熱，且多道焊時要控制道間溫度。該塔體組對檢測合格后按焊接工藝要求進行施焊，焊前預熱溫度為50 ℃。焊條電弧焊采用短弧焊，直焊道不擺動，減小焊接線能量，保證焊接接頭的低溫韌性，焊接時嚴格控制層間溫度不超過100 ℃，可利用遠紅外線測溫儀進行控溫，具體可見表2。

焊接時不得在母材的非焊縫區內引弧，焊接接頭應嚴格避免焊接缺陷，如弧坑或焊縫成形不良等，不得有未焊透、未熔合、裂紋、氣孔、咬邊等缺陷，焊接接頭符合施工圖應要求無損檢測，要求縱、環對接接頭焊后表面應磨平，角接接頭表面修磨成內凹形狀，以減小局部應力。

3.6 塔體消除應力熱處理

焊后消除應力熱處理可以減小接頭區域內的焊接殘余應力，從而降低材料在低溫條件下的脆斷傾向。未變換氣甲醇洗滌塔分6 段入爐熱處理，有5 道環縫需用履帶加熱進行局部熱處理，熱處理溫度為600±14 ℃，保溫2.5 h，400 ℃以上時升溫速度不得大于55～80 ℃/h，降溫速度不得大于55～100 ℃/h。熱處理時每段入爐前用工裝支撐圈撐好后立置入爐，減小塔體在熱處理受熱過程中的變形量，進而滿足其直線度及橢圓度公差要求。

表2 09MnNiDR封頭、筒體的焊接規范詳

3.7 塔體的涂漆包裝

因筒體直徑大、長度長，故設備進行現場立置水壓試驗，在打壓前所有焊縫處均不得涂漆，以便于現場水壓試驗時對焊接接頭進行檢測。

4 現場組焊

各段塔體運輸到現場后，進行現場組焊。塔段臥置組對前，檢查確保筒體分段處坡口尺寸及表面質量符合圖樣要求。塔段臥置組對時，嚴格按四心位置組對，并采用水平、垂直方向掛鉤線監測塔體直線度，用鋼尺檢查塔體頭、尾及對口部位，組對時確保對口錯邊均勻，間隙均勻，避免出現一邊倒現象。環縫對口錯邊量不大于5 mm，同一斷面最大最小直徑差應小于8 mm，塔體整體直線度不大于30 mm。檢查合格后組焊筒體，焊接過程中鋼線不得拆除，以便隨時進行檢測。焊接時應將設備敞口處封閉，并搭設防風暖棚，以保證焊接質量。

5 總結

在塔器的制造過程中，直線度和橢圓是最令制造廠家頭痛的，尤其是特別高的塔器。該塔制造完成后，三方監檢及用戶非常滿意，設備至今運行良好。