第50卷第6期化工設(shè)舀與道VoL 50 No 62013年12月PROCESS EQUIPMENT PIPINGDec.2013大型甲醇合成塔的制造技術(shù)王文全,王風(fēng)友,岳偉,符治,楊文(中核集團(tuán)西安核設(shè)備有限公司,西安71001)摘要從材料、成形、加工、焊接、熱處理和無損檢測等方面介紹了250kta甲醇合成塔的關(guān)鍵制造技術(shù)特點。關(guān)鍵詞甲醇合成塔;成形;加工;焊接;熱處理;無損檢測中圖分類號:TQ050.6;TH16文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3281(2013)06-0019-006為某單位制造的250kta甲醇合成塔按結(jié)構(gòu)形表1技術(shù)特性式屬固定床式換熱反應(yīng)容器,是目前國內(nèi)同類合Table 1 Technique parameter table成塔中單體規(guī)模最大的。設(shè)備規(guī)格φ4014mm技術(shù)參數(shù)管程13881mm×66mm;殼體材質(zhì)20 MeMoN55;封設(shè)計壓力MPa設(shè)計溫度/℃C270頭材質(zhì)15 ArMoR;換熱管材質(zhì)S31803,數(shù)量4309工作壓力MPa根,規(guī)格中44mm×2mm×7000m;管板材質(zhì)工作溫度(進(jìn)/出)/℃220-250225~25520 MnMoNi55堆焊308L,規(guī)格124+7mm;換熱面作介質(zhì)鍋爐給水合成氣、觸媒積3997m2;設(shè)備總質(zhì)量203120kg水壓試驗壓力MPa6875(臥試)113(臥試)氣密性試驗MPa甲醇合成塔結(jié)構(gòu)簡圖見圖1,技術(shù)特性見表1腐蝕裕量/mm設(shè)備主要材料化學(xué)成分見表2,力學(xué)性能見表3。該換熱面積m23997設(shè)備自投入使用后運(yùn)行一直良好,下面筆者就從主要零部件材料性能、成形加工、焊接、熱處理和無損檢11甲辭合成塔制造工藝測等方面介紹以下250ka甲醇合成塔的關(guān)鍵制造技由圖1結(jié)構(gòu)圖可見,此設(shè)備結(jié)構(gòu)較為特殊。術(shù)特點,希望對同行有所幫助。(1)設(shè)備的上、下管板是鑲嵌在加強(qiáng)段筒體內(nèi)部且均為雙面全焊透結(jié)構(gòu),焊肉較厚,因而易使管板產(chǎn)生焊接變形;(2)設(shè)備的支持板為整圓,決定了筒體的最終合攏焊縫必須在筒體的中間部位,且此條焊縫只能進(jìn)行局部熱處理;(3)設(shè)備的上、下封頭只有在換熱管與管板組焊完畢,殼程壓力試驗合格后,才能與筒體組焊,且兩道環(huán)焊縫也只能做局部熱處理(4)換熱管必須在組裝前逐根進(jìn)行水壓試驗,合格后才能用于組裝;(5)換熱管與管板連接方式采用強(qiáng)度焊加貼脹,管箱筒體內(nèi)壁需進(jìn)行帶極堆焊。中國煤化工收稿日期:2013-0圖↑甲醇合成塔結(jié)構(gòu)作者簡介:王文CNMHG以口又八,工程師。從事Fig. 1 The sketch of the equipment structure壓力容器的制造工作化工設(shè)備與曾道第50卷第6期表2主要材料化學(xué)成分Table 2 The chemical composition table of Main materials化學(xué)成分,%名稱材料規(guī)格數(shù)據(jù)源C球形15CrMoR供應(yīng)值0150.25封頭=80mm復(fù)驗值0.170.270.650.0170.0020.03加強(qiáng)段OMnMoNiS5供應(yīng)值0.1660.2551.350.0080.001100440.4940.5416=110mm復(fù)驗值0.251.330.0090.0040.5220MnMoNi5供應(yīng)值0.221.380.0100.18管板0.736=140mm復(fù)驗值0.240.241.440.0090.0100.200.480.53筒體20MnMoNi55供應(yīng)值0.1811810.2321.320.4920.5196=66mm復(fù)驗值0.0100.0050.06供應(yīng)值0.0200.511.130.025000122.33.225250.171換熱管S31803復(fù)驗值00240.531.110.023000122.753.105.350.18表3主要材料力學(xué)性能Table 3The mechanical property table of Main materials沖擊試驗(V型缺口)300℃抗拉屈服斷面名稱材料規(guī)格數(shù)據(jù)源強(qiáng)度/強(qiáng)度/延伸率伸縮率溫度MPa MPa A,%沖擊功/180曲抗拉屈度延伸率備注UTD=4sz,%℃強(qiáng)度/強(qiáng)度/MPa MPaA,%球形15cMoR供應(yīng)值48029530封頭-80mm復(fù)驗值49035375D=3S加強(qiáng)段20 MnMoNi55供應(yīng)值60949524602022,185.219D=3.5s412合格6=110mm復(fù)驗值6205102465.50160,204,199D=35s59043020.5管板20 SiMoniS5供應(yīng)值60043523730140.164.104=3.5a合格140mm復(fù)驗值6755152050D=3.5S57537022.5筒體20 MnMoNi55供應(yīng)值6505342160.6207,206,254D=3.5S合格6=66mm復(fù)驗值630515240240,211,194D=3.5560435Ⅱl供應(yīng)值6184962245880191,176,223D=3.5S413換熱管S31803復(fù)驗值62550525.56650197,187,197D=3.5s57042020.5為此,在甲醇合成塔的制造中,根據(jù)工廠已有性能的焊后消除應(yīng)力熱處理等熱加工,封頭毛坯厚度起重、倒運(yùn)、焊接工裝系統(tǒng)能力和工藝特點,綜合考尺寸增加10%-14%。封頭始壓溫度控制在950~980℃,慮筒體的成形、坡口加工、帶極堆焊、焊后熱處理、終壓溫度不低于800℃,熱壓過程中母材試板同封工序倒排和科學(xué)銜接等工藝難點,將甲醇合成塔按結(jié)頭毛坯采用相同的熱循環(huán)過程,熱壓后做恢復(fù)性能構(gòu)分為4個工藝部分熱處理。在立式車床上加工封頭端口坡口:組焊接(1)上封頭及其附件;管、法蘭等件后整體進(jìn)行中間消除應(yīng)力熱處理。(2)下封頭及附件、裙座12筒體成形(3)上加強(qiáng)段、上管板、筒體上段由于設(shè)備的管板鑲嵌在加強(qiáng)段筒體內(nèi)部,要保(4)下加強(qiáng)段、下管板、筒體下段。證管板能順利地裝入加強(qiáng)段筒體內(nèi),應(yīng)對上、下加對毎個工藝部分單獨進(jìn)行制造、焊接及整體爐強(qiáng)段筒體的內(nèi)徑偏差和橢圓度嚴(yán)格控制。按GB150內(nèi)消除應(yīng)力熱處理。對各工藝部分相互組焊的環(huán)焊縫對直徑3800m、壁厚107mm加強(qiáng)段圓筒的橢圓進(jìn)行爐外局部消除應(yīng)力熱處理。度的要求為≤25mm,而筆者公司對該設(shè)備加強(qiáng)段1.1上、下封頭成形圓筒橢圓度中國煤化工雖段筒體內(nèi)徑要根據(jù)設(shè)備封頭厚度72mm,采用整體熱壓成形。求為DN38CNMH《形質(zhì)量和橢圓考慮熱壓封頭的減薄量、加熱時燒損量和之后的恢復(fù)度及棱角度要求,來用下料、切割、加工坡口,加熱2013年12月王文全,等大型甲醇合成塔的制造技術(shù)21后用壓力機(jī)預(yù)彎壓頭,在卷板機(jī)上溫卷成形,經(jīng)焊接、板超差形變進(jìn)行點壓校正后熱、焊縫磨平、校圓及焊縫檢驗后進(jìn)行中間熱處理。1.5換熱管與管板脹接考慮溫?zé)岢尚尾牧系难诱剐约肮馨屙樌M對等因素為保證液壓脹管時的脹接質(zhì)量,管板孔的加工在筒體下料過程中應(yīng)嚴(yán)格控制下料展開對角線尺寸垂直度、管間距和孔的公差尺寸至關(guān)重要,應(yīng)在數(shù)誤差<2mm。筒節(jié)寬度按排板圖的尺寸,兩側(cè)各留控鉆床上完成管板孔的加工工序,管孔粗糙度不大15mm的環(huán)焊縫坡口車削余量。于3.2μm13坡口加工脹接前先計算脹接壓力進(jìn)行試脹并確定合理的筒體縱、環(huán)焊縫均采用窄間隙坡口,筒節(jié)拼接脹管率,換熱管伸出長度、脹接長度和位置應(yīng)符合工焊縫采用對稱雙U窄間隙坡口,合攏焊縫采用U+藝要求。V坡口形式,刨邊機(jī)上完成坡口加工。合攏焊縫采用1.6無損檢測V十U坡口形式,筒體削薄及環(huán)焊縫坡口在大型立對鉻鉬鋼焊接接頭,需在消氫后經(jīng)24h間隔做式車床上加工完成,對坡口進(jìn)行磁粉檢測(MT)。RT或UT檢驗。1.4管板堆焊及加工對殼體A、B類焊接接頭進(jìn)行100%RT+20%由于管板直徑(3800mm)較大,相對厚度(124UT,RT-Ⅱ級合格+UTI級合格;對殼體C、D類mm)較小,在帶極堆焊時易產(chǎn)生較大的變形。為最焊接接頭,100%MT-I級合格;對DN≥250mm大限度消除管板焊后變形,堆焊工藝采取以下措施接管與長頸對焊法蘭、接管與接管連接的對接接頭進(jìn)1)確定合理的焊接工藝和焊接次序;行100%RTⅡ級合格;DN<250mm時100%MT2)板材粗加工時對非堆焊面留量,堆焊后與I級合格。管板與殼體焊接接頭100%UT-I級合格。堆焊面同時加工到圖樣尺寸;對管板與換熱管角接接頭進(jìn)行100%PTI級合格。3)將兩塊管板背靠背貼緊,剛性固定,在完除管板與換熱管角接接頭外,殼體上所有焊接接頭在成過渡層堆焊、消氫處理,面層堆焊并消除應(yīng)力熱處熱處理和水壓試驗后均需進(jìn)行100%MT-I級合格。理后解除鋼性連接固定;1.7總裝4)采用帶極堆焊,交叉堆焊兩塊管板,即從根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及熱處理工序的設(shè)置,確定設(shè)備中心起焊,相鄰兩層堆焊方向相互垂直組焊、總體組裝順序(見圖2)。(5)在壓力機(jī)上對采用以上措施難以消除的管焊接、無損檢測下封頭+裙座+接管下封頭組件熱處理焊接、無損檢測上封頭+接管上封頭組件熱處理焊接、無損檢測下管板+加強(qiáng)段+下筒體+接管下管板組件熱處理焊接、無損檢測拉桿、支撐板熱處理上管板+加強(qiáng)段焊接、無損檢測上管板組件+上筒體+接管程減壓試[樓(第以后氣密性試】[接殼程泄漏試驗焊接、無損檢測和熱處理管程液壓試驗程泄漏試驗循環(huán)凵環(huán)管接中國煤化工圖2組焊組裝工藝CNMHGFig. 2 The artwork of the welding-assemble化工設(shè)與豐道第50卷第6期2焊接工藝5裂紋。消除應(yīng)力熱處理時,接頭再次處于高溫,易產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計選材較為特殊:生再熱裂紋。低合金耐熱鋼具有比較明顯的淬硬性和(1)換熱管選用進(jìn)口的S31803雙相不銹鋼無縫冷裂傾向,焊接時可采用提高預(yù)熱溫度及焊接熱輸人鋼管,要求滿足 ASME SA-789M中的相關(guān)要求量的方法來避免此問題,但過高的預(yù)熱溫度和焊接熱輸入量會造成熱影響區(qū)過熱區(qū)的組織脆化。(2)設(shè)備筒體選用進(jìn)口20 MnMoNi55,屬于技根據(jù)上述特點,要消除材料焊后延遲裂紋傾向、術(shù)要求高的鋼材;再熱裂紋、熱影響區(qū)過熱區(qū)的組織脆化及回火脆性,(3)管板選用6124的20 MaMoN55板材堆焊就必須在熱切割前及焊前進(jìn)行(200±5)℃預(yù)熱,焊87厚的不銹鋼。對設(shè)備的筒體及換熱管所選的材料,后立即進(jìn)行(300±5)℃×24h的消氫處理或者立均為本公司過去未曾使用過的,需要做各種焊接工藝即進(jìn)行(625±15)℃×3h的消除應(yīng)力熱處理。評定。管程、管板為低合金鋼堆焊304L型不銹鋼,堆21焊接性分析焊方法為手工電弧堆焊及帶極電渣堆焊;堆焊采用碳當(dāng)量能粗略反應(yīng)材料的焊接性,依據(jù)國309型焊材堆焊過渡層,釆用308型焊材堆焊耐蝕層際焊接學(xué)會推薦的計算公式CE=C%+Mn%6+以達(dá)到復(fù)合層304型不銹鋼的耐蝕要求(Ni%+Cu%)/15+(Cr%+Mo%V%)/5,由表1中22焊接工藝評定各主要材料的化學(xué)成分分別計算出20 MnMoni55根據(jù)設(shè)備選用的材料和擬采用的焊接方法,按l5 ArMoR的CE分別為05312%和0.532%。由此可照J(rèn)B4708《鋼制壓力容器焊接工藝評定》以及設(shè)備知,20 MnMoN55、5 CrMoR焊接時冷裂紋傾向嚴(yán)制造專用技術(shù)條件,在編制產(chǎn)品焊接工藝規(guī)程前進(jìn)行重;同時20 MnMoN55為低合金高強(qiáng)鋼,封頭材料相應(yīng)的焊接工藝評定,焊接工藝評定項目見表415CMoR為低合金耐熱鋼,焊接過程中極易產(chǎn)生淬23產(chǎn)品的焊接工藝硬的顯微組織,在焊縫區(qū)富擴(kuò)散氫濃度和一定的焊接殘余應(yīng)力共同作用使焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲(冷)23.1設(shè)備焊接工藝規(guī)程(見表5)表4焊接工藝評定項目Table 4 The assess items of welding procedure材料評定規(guī)格坡口形式焊接方法焊接材料焊絲:Hl0 Mn2NIMoAOMnMoNi55埋弧焊焊劑:CHF603焊絲:H10Mn2NMoA手弧焊20MnMoNi55焊劑:CHF603埋弧焊焊條:J607Ni焊絲: HIICrMo45B15CrMoR埋弧焊焊劑:CHF603焊絲:H10Mn2NiMo20MnMoN155手弧焊+15CrMoR埋弧焊焊劑:CHF603焊條:J607Ni氬弧焊焊絲:TGS-CM15CrMoR16 mm+手弧焊焊條:R307BS3l803換熱管:中44mm×2mm氬弧焊焊絲:ER2209+20 MnMoNi55/304管板:24mmTH中國煤化工308L20 MaMoN55堆焊42 mmCNMHG3O8L2013年12月王文全,等大型甲醇合成塔的制造技術(shù)23表5焊接工藝規(guī)程Table 5 The welding procedure焊接部件焊接方法焊接材料規(guī)格/mm焊接電流/A電壓V速度(cmmi管殼程縱環(huán)焊縫埋弧焊焊絲:H1OMn2 NIMo中4550~60029-3246-50焊劑CHF603封頭縱焊縫埋弧焊焊絲: HIICrMo45B550-62030~3246-56焊劑CHF603焊絲:H10Mn2 NiMA中4550-60029-3246-50焊劑:CHF603殼程合攏焊縫手弧焊+埋弧焊140-180焊條:J607Ni殼程與管板焊接中3.290-120手弧焊焊條:J607Ni中4140-180管程基層與管板焊接180-220焊絲H0Mn2 NiMA中4550-60029-3246-50封頭與加強(qiáng)段焊接手弧焊+埋弧焊焊劑:CHF603焊條:J607Ni中4140~180焊帶:D309LSHD202850-90018.3~20管板、管程堆焊帶極堆焊60×0.5焊劑:D308LSHD202850-9005~27管子與管板焊接手工鎢極氬弧焊焊絲:ER2209成分Ar+2%N流量:10~15Lmin2.3.2堆焊工藝道焊口。管板材質(zhì)為20 MeMoN55堆焊309L+308L在管程筒體、管板堆焊中,選用焊帶規(guī)格均為換熱管與管板焊接材料選用 Sandyκ2.8.3J,做到焊60mm×0.5mm,以便于加入的合金元素焊接時通過接提前送氣和焊后滯后停氣,以達(dá)到良好的氬氣保護(hù)焊劑過渡到堆焊層中。過渡層的堆焊過程中若電流效果,同時在焊接過程中要求焊接第1遍時不加送或過大、熔深加大,則稀釋率也增大,勢必影響堆焊層少加絲來保證換熱管與管板根部熔合好。的化學(xué)成分。若電流過小則易造成電弧燃燒不穩(wěn)定邊緣不均勻甚至未焊透,因此應(yīng)嚴(yán)格控制過渡層的焊接電流和電壓,盡量偏下限值。管板的堆焊采取從中心向外同心圓周逐步堆焊。隨堆焊軌跡半徑的增加相應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)胎的轉(zhuǎn)速,使每圈堆焊線速度一致,厚度控制在3~5.5mm,為得到平滑的焊縫,焊縫的搭接量必須控制在5~8mm,焊帶的伸出長度為3040mm。2.33筒體焊接圖3對接焊縫坡口形式窄間隙埋弧焊是近年發(fā)展起來的一種高效、省Fig 3 The slope form of the welding-joint時和節(jié)能的厚板焊接方法,可以縮短焊接時間、減少焊后熱處理焊接材料消耗或費用。此外還有焊接熱輸人小、改善接頭韌性和減少焊接變形的特點。該方法對坡口質(zhì)量甲醇合成塔各部分熱處理工藝曲線見圖4~7。要求非常嚴(yán)格,筒體對接坡口形式見圖3。采用冷加工方法進(jìn)行刨削。內(nèi)側(cè)10mm坡口深度采用埋弧焊,665-690℃由于折流板及定位管要先進(jìn)入筒體定位,故最后一道100℃l50℃/h對接環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)只能釆用焊條電弧焊焊接,外側(cè)焊縫爐冷至300℃后空冷全部采用窄間隙埋弧焊。23.4換熱管-管板焊接中國煤化工換熱管為S31803,數(shù)量為4309根,共計有8618Fig 4 TheCNMHGe head-unit化工設(shè)萏與道第50卷第6期根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及材料性能要求,將甲醇610-640℃合成塔各部分分別進(jìn)行熱處理,各部分按順序組裝,00℃h<150℃h最后對接的環(huán)焊縫采用局部熱處理,管程筒體和管板2.25h爐冷至300℃后空冷過渡層堆焊后進(jìn)行熱處理。時間h在甲醇合成塔制造過程中,材料必須經(jīng)過多次圖5加強(qiáng)板、管板及筒體熱處理過程中間焊后熱處理。因此,熱處理是最重要的工序之一,Fig. 5 The process of heat treatment for the stiffening-platetube-sheet and shell它必須在焊接工作全部完成24h且經(jīng)檢驗合格確認(rèn)不再施焊之后才能進(jìn)行625±l5℃4結(jié)束語<150℃/h250kta甲醇合成塔制造難度大,采用文中所述爐冷至300℃后容冷的制造、焊接、檢驗和熱處理工藝措施確保了甲醇合圖6封頭加強(qiáng)板局部熱處理過程成塔的制造質(zhì)量,設(shè)備投入使用后的安全可靠運(yùn)行說Fig.6 The process of the local heat treatment for the head-明制造工藝過程是合理的。stiffening-plate參考文獻(xiàn)[1]GB151-199,管殼式換熱器IS]s|100℃/h<150℃h[2]GB150-1998,鋼制壓力容器[S]爐冷至300℃后空冷[3]聶杰,楊煒,史慶和,等.甲醇合成塔的研制[壓力容器,2003,20(3)圖7管板過渡層堆焊熱處理過程[4]JB4708-2000,鋼制壓力容器焊接工藝評定[SFg.7 The process of heat treatment for the tube- sheet[5]陳泰煒.壓力容器焊后熱處理技術(shù)M北京:中國石化出overlaying版社,2002Manufacture Technology for Large Methanol Synthesis TowerWANG Wenquan, WANG Fengyou, YUE Wei, FU Zhi, YANG Wenfeng(Xi'an Nuclear equipment Co, Ltd, Xi'an 710021, China)Abstract: The technical characteristics in manufacture of 250 kt/a methanol tower, including material, forming, machining, welding,heat treatment and Non-destruct examination were introduced in this articleKey words: methanol Synthesis tower; forming; machining; welding; heat treatment; Non-destruct examination四川日機(jī)公司研制的高壓及大軸徑干氣密封通過工信部組織的國家級鑒定2013年11月21日,四川日杋公司公司“千萬噸級煉油加氫裝置循環(huán)氨壓縮機(jī)高壓干氣密封及其控制系統(tǒng)”和“大型煤化工煤制丙烯裝置丙烯制冷壓縮杋大軸徑干氣密封”兩項科技成果,在成都通過工業(yè)和信息化部組織的鑒定。清華大學(xué)王玉明院士擔(dān)任鑒定委員會主任、中國機(jī)械聯(lián)合會重大裝備辦公室葉大蓉副主任和中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會沙寶森理事長擔(dān)任鑒定委員會副主任。鑒定委員會其他委員由國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用等多方面專家擔(dān)任。國內(nèi)三十多家石化及煤化工和壓縮機(jī)制造企業(yè)的代表出席了會議。在對生產(chǎn)現(xiàn)場和樣機(jī)試驗進(jìn)行了仔細(xì)考察、并經(jīng)過質(zhì)詢和討論后,鑒定"址心擔(dān)供的項目技術(shù)資料、圖紙和工藝文件齊全,數(shù)據(jù)可信,符合鑒定要求。研制產(chǎn)品均屬國內(nèi)首中國煤化工了國內(nèi)空白,主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平,其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著,具有很高的CNMHG(四川日機(jī)公司供稿)