220萬t/a汽柴油加氫精制反應器焊接技術

夏吉龍 殷蜀越

一、概述

1.工程概況

某石化公司產品質量升級改造項目220萬t/a汽柴油加氫精制裝置加氫精制反應器，其內徑為4 000mm，設備總高度為24 990mm，選用12Cr2Mo1R+堆焊(E309L+E347)作為設備殼體材料，殼體壁厚（105+6.5）mm。設備總質量約300t。該反應器屬于Ⅲ類容器（SAD級），設計壓力7.8MPa，設計溫度415℃，操作介質為油、油氣、氫氣和硫化氫，介質危害程度為易燃、易爆。

2.工程特點

（1）焊接質量要求高 加氫反應器始終運行在高溫、高壓環境下，其內部介質屬于易燃、易爆的氣體，一旦出現質量問題，極易引發重大安全事故，威脅到人身安全。因此對反應器的焊縫質量提出了較為嚴格要求。

（2）材料焊接性差 根據12Cr2Mo1R鋼板的化學成分計算得出，該材料碳當量Ceq在0.82%左右，再熱裂紋敏感指數Psr在1.86以上，冷裂紋敏感傾向指數Pcm在0.33左右，可判斷出其焊接性相對較差，焊接時接頭區域有很高的淬硬、再熱裂紋和冷裂紋傾向。

（3）材料厚度大 該反應器殼體壁厚最薄處約為72mm，最厚處約為106mm，屬于厚壁容器。厚壁容器焊接會產生較大的拘束和殘余應力，這些因素都會對焊接質量帶來一定的影響。

（4）使用可靠性要求高 滿足力學強度要求，具有可靠的密封性能，有較好的環境強度適應性，應便于維護和檢修，所需時間短，投資費用較低。

二、關鍵焊接技術

1.殼體焊接工藝

加氫精制反應器殼體主要的焊縫類型有兩大類：基材焊縫和耐蝕層堆焊焊縫。

（1）焊接作業流程 基材焊縫焊接工藝流程：焊前準備→焊縫組對→坡口無損檢測→預熱→焊接→消氫處理或中間熱處理→無損檢測。

耐蝕層堆焊焊縫工藝流程：待堆焊面打磨→預熱→過渡層堆焊→消氫處理或熱處理→過渡層無損檢測→耐蝕層堆焊→無損檢測。

（2）預熱、道間溫度的控制和焊后熱處理 對于厚板的12Cr2Mo1材料，在焊接過程中，應采取必要的措施防止焊接接頭產生再熱裂紋等危害因素。主要措施包括：焊前預熱、焊接過程中對道間溫度的控制和焊后熱處理。

第一，預熱時，加熱寬度范圍為坡口及兩側≥150mm，預熱溫度要在加熱面的背面進行測量，且優先采用接觸式測溫儀進行測量。預熱溫度要嚴格按照先前工藝評定中的要求執行。

第二，整個焊接過程中必須嚴格控制焊接道間溫度，從而避免焊縫出現淬硬和回火脆化傾向。要求焊接時的道間溫度必須控制在不低于預熱溫度且不能達到脆變溫度的范圍內。

第三，反應器的熱處理主要包括消氫處理、中間熱處理和最終熱處理。反應器CrMo鋼的消氫溫度一般在250～350℃之間，保溫時間一般≥1h。中間熱處理的溫度一般控制在580～640℃之間，保溫時間需要根據板厚來計算且不必超過2h。設備焊接工序整體制造完成后的最終熱處理，其溫度一般是由材料自身的特性決定，推薦熱處理溫度為680～705℃，保溫時間需要根據之前累計的熱處理時間通過回火系數換算后來確定。最終熱處理的總體原則是必須確保反應器材料性能的最優化。

圖 1

2.焊接新技術

（1）馬鞍型窄間隙埋弧焊技術 為保證反應器接管與殼體的焊接質量，同時提高產品生產效率，降低生產成本，我公司引入了專項馬鞍型窄間隙埋弧焊焊機，并應用該焊機開發出了馬鞍型窄間隙埋弧焊技術。該技術將窄間隙埋弧焊技術和馬鞍型焊縫自動焊接技術集成到一起，在反應器等厚壁容器的接管與殼體焊縫焊接時使用十分方便快捷，在降低了人員的勞動強度的同時，還提高了焊接生產效率，降低了施工難度。經過實際應用，該設備可應用到管口外徑＞300mm的接管與殼體焊縫焊接中。以該反應器為例，焊接一個φ650mm的接管與筒體焊縫只需18h即可完成，大大超出了手工焊和普通馬鞍型焊機的工作效率。

（2）90°彎管自動堆焊技術 我公司與某焊接設備廠聯合開發的90°彎管內壁整體堆焊專用設備，實現了90°彎管的內壁不銹鋼耐蝕層整體堆焊（見圖1）。堆焊過程全部自動化，較以往采用的先將90°彎管分3段堆焊，然后再將3段彎管依次組焊的傳統制作方法提高生產效率3倍以上。同時還減少了焊縫的數量，進而減少了產生焊接缺陷的可能，從根本上提高了產品的質量。

三、焊接設備、焊接材料應用情況

1.焊接設備

工程中使用的主要焊機有：HDS—350W單絲窄間隙埋弧焊機、ZMA1000馬鞍型窄間隙埋弧焊機、HZU—350S小直徑直管內壁TIG/CO2堆焊機、SD6060雙帶極堆焊機、YD—400A型逆變焊機等，如圖2～圖6所示。

圖2 HDS—350W單絲窄間隙埋弧焊機

圖3 ZMA1000馬鞍型窄間隙埋弧焊機

圖4 HZU—350S小直徑直管內壁TIG/CO2堆焊機

2.焊接材料

該工程所使用的焊接材料選用的是日本神戶制鋼所和日本WEL公司生產的材料。其中日本神戶制鋼所提供的主要是12Cr2Mo1部分的焊接材料；日本WEL公司主要負責提供堆焊所需的耐蝕層焊接材料，如表1、表2所示。

四、結語

圖5 SD6060雙帶極堆焊機

圖6 YD—400A型逆變焊機

表1 基材焊接材料

表2 耐蝕層堆焊焊接材料

針對該工程進行充分施工準備，工藝設計合理有效，采用先進成熟技術、過程控制，嚴格各工序質量及工藝紀律執行，使得產品的焊接一次合格率一直處于較高的水平。各規格焊縫共拍片830張，一次合格 827張，焊接一次合格率達到99.8%，滿足該加氫精制裝置工藝過程各種運作方案的需要，保證了該加氫精制反應器可靠使用性，創造了目前國內同類設備焊接的先進水平，取得了明顯的社會效益和經濟效益。該設備2014年3月28日一次吊裝到位，2014年7月份一次投產成功，截至目前此設備一直平穩運行。