噴水凈化器的設計及制造方案的改進

楊 毅 李雪秦

(廣西壯族自治區桂林化工機械廠)

噴水凈化器是不銹鋼復合板制設備，原設備由國內某工程公司設計，用戶更換新設備時，要求按原設計圖進行翻版設計。應用戶要求，筆者所在單位設計制造了兩臺噴水凈化器交付使用。不久，用戶反映在定期檢修時，發現設備覆層焊縫及其周圍有不少裂紋，打磨補焊后繼續使用；但使用幾個月后設備再次檢修時發現裂紋更多，有些裂紋已裂至基層面，難以修復，如繼續使用將存在安全隱患。經與用戶交流，得知由于市場因素，近年生產原料所用的煤品質量遠低于原設計的要求，導致設備內變換氣中的S及H2S等雜質的含量過高，使不銹鋼晶間腐蝕傾向和應力腐蝕傾向更大。有資料表明： H2S存在的情況下，經過焊接或者在430～815℃區域附近敏化過的奧氏體不銹鋼材料最易引起連多硫酸晶間腐蝕，進而引起連多硫酸應力腐蝕破壞[1]。原設備也是在煤品質下降后出現上述情況而無法修復的。在研究原設計和制造方案并詢問車間人員當時設備的制造情況后，認為可通過改進原設計和制造方案來提高產品質量。

1 設計方案的改進

噴水凈化器結構如圖1所示。其設計參數如下：

設計壓力 3.8MPa

設計溫度 280℃

介質 變換氣、工藝水排污

主要材料 15CrMoR+S32168

規格DN2000mm×(30.0+3.0)mm

圖1 噴水凈化器結構簡圖

噴水凈化器原設計材料為15CrMoR+S32168，15CrMoR屬于中溫抗氫鋼，主要用于450℃以上普通碳素鋼與碳錳鋼不宜使用的場合。由于基層15CrMoR材料的特殊性，按照GB 150和相關標準的規定，必須進行預熱、消氫和消除應力熱處理，但多次的熱處理卻可能導致覆層不銹鋼被晶間腐蝕。該設備的設計溫度為280℃，可采用Q345R代替15CrMoR，按新的安全系數進行強度計算。Q345R的鋼板基層厚度為28.0mm，不必進行熱處理，焊接工藝簡單成熟，也降低了覆層不銹鋼發生晶間腐蝕的風險。另外，原設計要求覆層不銹鋼厚度為3.0mm，考慮到不銹鋼板的負偏差和復合板爆炸后的減薄[2，3]，實際覆層厚度只有2.4mm。在2.4mm的厚度上需要熔敷過渡層A302和覆層A132兩種焊條，每種焊條都只能薄薄地焊一道，在實際操作中難以控制；如果電流過大，由于碳遷移作用，過渡層甚至基層富余的碳原子都可能以熔融狀態流向覆層，使得焊縫表面的化學成分劣于覆層；且為保證覆層的厚度，覆層焊縫往往會凸出母材1.0～2.0mm，也使得焊縫處應力集中。因此將覆層厚度由3.0mm增至5.0mm。經與用戶交流，用戶表示同意“將復合板基層材料由15CrMoR改為Q345R，覆層S32168厚度由3.0mm改為5.0mm”的設計方案。更改后的設計參數如下：

設計壓力 3.8MPa

設計溫度 280℃

介質 變換氣、工藝水排污

主要材料 Q345R+S32168

規格DN2000mm×(28.0+5.0)mm

2 制造方案的改進

為減小不銹鋼晶間腐蝕傾向和應力腐蝕傾向，針對原設備在制造上出現的問題，采取了以下相應的措施：

a. 原設備在封頭與筒節間的環縫產生了大量的應力腐蝕裂紋，分析原因有兩點：一是復合板筒體展開下料計算存在問題，由于不銹鋼復合板與均質板不同，其中性層并不處于板厚的一半處，而是偏向覆層方向，使得按中徑下料的筒體直徑大于封頭，此點在向車間求證后得到證實，原設備筒體直徑確實比封頭大，使得該處環焊縫裝配應力較大；二是橢圓形封頭在承受內壓時會有“趨圓”現象，即封頭沿短軸處向外變形，沿長軸處會向內變形，但筒體在承受內壓時都是向外變形。綜合以上兩點，設備在工作狀態下，封頭與筒體的環焊縫受到裝配應力和內壓疊加的影響，拉應力會更大。為此查閱有關復合板展開計算的資料，實際下料尺寸按L實=L理-k×π×δn×(1+δn/Di)-n×c+n×Δc-b進行計算[4]。其中，L理為理論下料尺寸，L理=π×筒節中徑；k為卷制系數，取0.07；δn為筒節名義厚度；Di為筒節內徑；n為每節筒節的縱焊縫條數；c為對口間隙，取2mm；Δc為焊縫環向收縮量，取2～3mm；b為界面影響伸長量，取6～10mm，板越厚b值越大。經計算，下料尺寸比按中徑計算小了13mm。按該式計算實際下料尺寸卷制的筒節與封頭實際周長的誤差約為4mm，滿足規范要求。控制筒節圓周尺寸與封頭一致，減小了裝配應力。

b. 為降低焊接應力，對設備的A、B類焊縫采用對稱的X型坡口，且要求基層焊縫的焊接都必須預熱100℃；筒體內部的A、B類焊縫全部打磨與母材平齊；筒體內部的角焊縫也要求打磨圓滑過渡。另外，要求在基層焊接完成且探傷合格后，再焊過渡層和覆層，這樣可避免不銹鋼焊縫的覆層反復加熱而被敏化。

c. 大接管的加工。與小接管采用全不銹鋼不同，設備上4個DN500mm的大接管和法蘭都采用16MnⅢ堆焊A302+A132。由于堆焊采用焊條手工堆焊，堆焊部位凹凸不平，無法保證覆層A132的厚度；另外，焊接產生飛濺難以清除；再次，采用等離子手工切割大接管與筒體連接處的馬鞍形坡口雖經打磨，表面質量仍較差，有少量滲碳層和切割時產生的大量飛濺難以清除。由于上述原因，使得大接管的堆焊表面和與筒體焊接的焊縫都極易被腐蝕而產生裂紋。針對以上問題，要求堆焊大接管過渡層和覆層時，必須分別用車床車平其堆焊層，這既保證了每層的厚度，又有效地清除了飛濺物。對于接管馬鞍形的加工，根據現有設備，將4個接管同時裝夾在5m立車的轉盤上，按設備直徑確定好裝夾位置(圖2)，這樣立車就可以同時車出4個接管的馬鞍形了。

d. 為防止筒體覆層被污染，要求設備開孔從內往外開，即從覆層往碳鋼層開孔，防止碳鋼熔渣滲入覆層。具體先按普通設備慣例在筒體外側劃好線，定出開孔圓心，按圓心位置鉆通孔，再在筒體內側以鉆好的孔為圓心畫出開孔圓，最后用等離子切割開孔。另外，還要求所有筒體內部焊縫及其周圍100mm范圍內都必須拋光，這也進一步保證了筒體內部免受焊接飛濺等污染，也減小了應力集中。

圖2 大接管馬鞍形坡口加工示意圖

最終，筆者所在單位根據新制訂的設計、制造方案，制造了兩臺噴水凈化器并交付使用，至今運行三年多，中間經過兩次檢修，經檢查，焊縫、焊縫附近和堆焊層均沒有裂紋，使用正常，用戶表示滿意。

3 結束語

不銹鋼復合板設備具有特殊性，應從設計及制造等多方面進行考慮，降低不銹鋼覆層被污染、腐蝕的幾率，保證不銹鋼覆層的質量，才能保證整臺設備的質量。

[1] 任凌波,任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制[M].北京:化學工業出版社, 2003:249.

[2] GB 24511-2009，承壓設備用不銹鋼板及鋼帶[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3] NB/T47002.1-2009～ NB/T47002.4-2009，壓力容器用爆炸焊接復合板[S].北京：新華出版社，2010.

[4] 刑振華.不銹鋼復合板設備制造的特性[J].石油化工建設，2005，27(3)：73～74.