08Ni3DR鋼制厚壁預脫甲烷塔的制造

佟存鎖 喬問良 朱寶宇

（大連金州重型機器集團有限公司）

化機制造

08Ni3DR鋼制厚壁預脫甲烷塔的制造

佟存鎖*喬問良 朱寶宇

（大連金州重型機器集團有限公司）

介紹了首次采用國產08Ni3DR鋼制造厚壁預脫甲烷塔的工藝，包括主要的成形技術、設備的組裝方案，以及焊接工藝、熱處理工藝和檢測檢驗技術。

預脫甲烷塔 焊接 08Ni3DR 鋼板 壓力容器 封頭 筒體 熱處理

0 引言

乙烯是重要的有機化工基本原料，是世界上產量最大的化工產品之一，占全球整個石化產品產量的75%以上。乙烯工業也因此成為石油化工行業的核心。預脫甲烷塔是乙烯工業制備裝置中用于將甲烷和氫氣與其他餾分分離精餾的關鍵設備，屬低溫壓力容器[1］，對其使用的材料和制造工藝要求極其嚴格[2］。在20世紀90年代，我國預脫甲烷塔已經實現國產化，但是該設備所采用的材料3.5Ni鋼板，一直需要從國外進口，設備材料成本高，制造周期長。雖然近年來，相應的國產材料已經出現，但是真正應用于國產化設備上，還是一種空白的狀態[3］。2015年，大連金州重型機器集團有限公司成功為某石油煉化工程制造了國內單臺生產能力和產品規格尺寸最大，制造精度要求更高，且首次采用國產08Ni3DR鋼板代替進口3.5Ni鋼板的預脫甲烷塔，塔體壁厚最厚尺寸達到90 mm。由于是完全國產化制造，設備制造過程中采用了一些創新技術和工藝，本文主要介紹該設備的制造工藝。

1 預脫甲烷塔結構

預脫甲烷塔主要材質為08Ni3DR，主筒體直徑為5700 mm，主筒體壁厚為80 mm，最大壁厚為90 mm，總高度為61 440 mm，內置60層分液塔盤，最高設計溫度為65℃，最低設計溫度為－70℃，設備質量為640 t，采用立式結構。該低溫塔的結構如圖1所示，其主要技術參數如表1所示[4］。

2 工藝方案介紹

由于該低溫塔器尺寸規格大，制造要求高，并且是首次采用國產08Ni3DR鋼板制造的厚壁容器，因此根據設計要求及 《鋼制低溫壓力容器技術規定》做了各種工藝評定[5］，編制了相應的工藝方案。08Ni3DR為細晶強化的3.5Ni鐵素體低溫鋼，目前國內研發生產的90 mm厚08Ni3DR鋼板在-100℃時的低溫橫向沖擊功實物水平達到200 J以上[6］。但是由于其各種合金元素含量較高，焊接過程中具有一定的淬硬傾向，易出現冷裂紋，且焊后熱處理過程也對焊接接頭性能有一定影響。

因此制造工藝方案首先需要攻克材料的成形控制技術、焊接技術[7］、熱處理技術和檢測檢驗技術。整體制造方案為先在工廠車間內進行封頭、筒節等部件制造，然后在組裝場地進行分段組裝、焊接成型，最終設備整體通過駁船運抵用戶安裝現場。

08Ni3DR鋼板化學成分如表2所示[8］。

圖1 預脫甲烷塔的結構

表1 預脫甲烷塔主要技術參數

3 主體結構部件制造

3.1 封頭的制造

上組段封頭尺寸相對較小，采用整體熱壓成形技術。按Q/JHM 516—2010《鋼制壓力容器下料通用工藝守則》進行下料，展開直徑 （壓制前直徑）為3 520 mm。按壓形工藝守則通過圖2所示的熱拉伸模胎具進行熱成形操作，樣板檢測后，進行恢復材料性能熱處理及坡口加工。最終檢測內壁直徑公差為-5～+6 mm，圓度公差≤14 mm，形狀偏差外凸≤35 mm，內凹≤17 mm。除下料前對下料線兩側進行100%超聲波 （UT）檢測，對坡口表面進行100%磁粉 （MT）檢測外，還要對整體封頭進行100%UT檢測。

表2 08Ni3DR鋼板化學成分（質量分數，%）

圖2 橢圓封頭熱拉伸模胎具

下組段封頭由橢圓形封頭和頂圓組成，橢圓形封頭由10片瓣片組成，每片通過橢圓封頭熱拉伸模具熱壓成形后組焊而成。頂圓直徑為4 250 mm，中溫成形。經過恢復性能熱處理、坡口加工、檢測等工序后，將由瓣片組焊而成的橢圓形封頭和頂圓組焊成下組段封頭。最終檢測下組段封頭內直徑公差為-5～+6 mm，圓度公差≤25 mm，形狀偏差外凸≤71.25 mm，內凹≤35.6 mm。

3.2 錐體的制造

錐體部分是由錐形筒節和兩端加強筒節組成的錐殼，是本設備壁厚最厚的部分，厚度達到90 mm。其中錐體分小口和大口兩段，每段由瓣片壓制拼接組焊而成，小口分6瓣，大口分12瓣，按下料線UT檢測、氣割，按圖3加工上錐段大口和下錐段小口坡口并進行MT檢測。小口瓣片冷壓成形，大口瓣片熱壓成形，由圖4所示的錐形壓模胎具保證形狀和翻邊量，壓制成形后進行恢復材料性能熱處理。按鉚工工藝守則和焊接工藝組對焊接瓣片，形成上錐段和下錐段，并加工上錐段大口和下錐段小口坡口。為確保大小口同心度，預組對時要求對接間隙為2～3 mm，對口錯邊量b≤5 mm，樣板檢測。最后立式組對，焊接成為錐體。

圖3 錐體拼接焊縫坡口

圖4 錐形壓模胎具

3.3 筒節的制造

筒節的制造流程主要為鋼板壓制成形，單個筒節縱縫焊接。其中13個大直徑筒節每個由兩塊板拼接而成，每個筒節有兩條縱縫；4個小直徑筒節每個由一塊板卷制而成，筒體有一條縱縫。兩塊板拼接時，每塊板應保證對角線長度之差小于1 mm，周長允差±1 mm；拼接后應保證對角線長度之差小于2.5 mm，周長允差±2.5 mm。平板拼接后按照圖5（a）加工環縫坡口，按圖5（b）加工縱縫坡口，之后進行預彎、縱縫焊接、壓制滾圓，期間用樣板檢測，確保其間隙在2 mm之內。

圖5 筒節焊接坡口

按焊接工藝進行筒節縱縫間隙調整：對接間隙0～1 mm，錯邊量≤5 mm。焊前將筒節預熱至150℃以上，采用手工立焊。焊接順序為先焊接外部，然后在內部清根后再焊接內部，焊接過程要保持溫度不低于預熱溫度，層間溫度控制在200～240℃之間。焊后立即進行消氫處理，按技術要求打磨焊縫和進行無損檢測并進行形狀尺寸的檢查。這樣就完成了主體結構17個筒節的制造，其余上、下裙座總計8個薄壁筒節的制造在此不一一敘述。

4 組對焊接

4.1 三段組件的制造

如圖1所示，設備分為上段、中段、下段三段組件分別制造，再整體組對。三段組件的制造中，上段組件由裙座、上封頭及筒體組成，主要為筒節的組對、組對后的筒節與上封頭的組對；中段組件由錐殼和筒體組成，主要為筒節的組對、錐體與加強筒節組對成錐殼、錐殼與筒節的組對；下段組件由筒體、下封頭和裙座組成，主要為筒節的組對、組對后的筒節與下封頭的組對。其中除錐體與加強筒節的組對方式為立式組對外，其余均為臥式組對。

上述組對焊接過程均為環縫焊接，根據焊接工藝評定制定的焊接工藝方案，采用相應的焊接技術、熱處理技術以及檢測檢驗技術。

以中段組件中厚度為90 mm的環縫焊接為例，首先要進行焊接工藝試驗[9］，包括斜Y形坡口焊接裂紋試驗、抗再熱裂紋試驗、最高硬度試驗、焊接熱輸入對焊接接頭韌性影響以及焊后熱處理規范對焊接接頭韌性的影響等系列試驗[10］。通過這些系列試驗，確定預熱溫度、焊接熱輸入上限、焊接工藝參數以及焊后熱處理工藝曲線。該環縫焊接坡口的設置采取圖6的形式，焊后熱處理工藝如圖7所示。

圖6 組件中90 mm厚板環縫坡口

由于該設備直徑尺寸大，按照傳統的檢測設備與手段，無法完全滿足設備的檢測要求，而且檢測周期長。采用已經成熟的超聲波衍射時差法（TOFD）檢測技術，根據標準并結合被檢工件編制TOFD檢測工藝，在含有預埋缺陷的模擬試塊上對TOFD檢測工藝進行驗證，有效地提高了檢測效率，檢測結果甚至嚴于傳統的檢測方法。模擬試塊規格為 1 135 mm×670 mm×90 mm。

圖7 組件制造時90 mm厚板環縫的熱處理曲線

4.2 整體組對焊接

上述三個組段制造完畢后，在組裝現場進行臥式合攏組對。該設備塔體直線度的要求是，任意3 000 mm長筒體的直線度不大于3 mm，總直線度偏差不大于30 mm。因此，為保證公差要求，要調整好平臺滾輪架標高墊鐵厚度，利用筒節組對時的基準外環線和水平環線，采用水平儀、經緯儀等儀器，調整組對段的水平度和直線度，要確保對接間隙為0～1 mm，對口錯邊量不大于5 mm，同時使用內部支撐工裝確保筒節的圓度。之后，完成合攏焊縫的焊接。焊后對合攏焊縫采取局部熱處理，熱處理溫度曲線如圖9所示。

5 結束語

對于首次采用國產08Ni3DR鋼制造的厚壁低溫塔器，本文論述了從部件制造到最終組對焊接整個生產流程的主要技術。通過大量的試驗研究，包括經過焊接工藝評定，最終確定了產品制造的關鍵技術，即焊接工藝和熱處理工藝以及檢驗檢測技術，從而保證了產品符合設計和使用要求。同時，還采用了自行設計制造的壓形工裝和現場組對工裝，從而既保證了產品的尺寸精度要求，也保證了08Ni3DR制塔設備的各項性能指標滿足設計要求。

圖9 合攏焊縫局部熱處理曲線

該08Ni3DR鋼制厚壁預脫甲烷塔第一次實現了真正意義上的完全國產材料制造，改變了該設備過去長期依賴進口材料制造的局面。該塔設備的制造成功，也標志著大連金州重型機器集團有限公司具備了全面制造08Ni3DR鋼制厚壁低溫容器的能力，其技術達到了國內領先水平。

[1]壓力容器： GB 150.1～150.4—2011[S].2011.

[2]固定式壓力容器安全技術監察規程： TSG R0004—2009[S].2009.

[3]李平瑾，徐道榮.3.5Ni鋼低溫設備的制造和焊接[C]//全國低溫壓力容器技術交流會論文集.1999.

[4]鋼制低溫壓力容器技術規定：HG 20585—2011[S].

[5]承壓設備焊接工藝評定：NB/T 47014—2011[S].2011.

[6]張勇，王家輝，劉林.3.5Ni鋼的低溫韌性試驗 [J].石油化工設備，1991（4）：30-33.

[7]壓力容器焊接規程：NB/T 47015—2011[S].2011.

[8]低溫壓力容器用低溫鋼板：GB3531—2014[S].

[9]劉文斌，胡因洪，李書瑞，等.低溫壓力容器用鋼08Ni3DR埋弧焊接性能研究 [J].材料科技與設備，2015(4)：26-29.

[10］承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗：NB/T 47016—2011[S].2011.

Fabrication of 08Ni3DR Steel Thick Walled Pre-demethanizer

Tong Cunsuo Qiao Wenliang Zhu Baoyu

The manufacturing process of the pre-demethanizer with thick wall first time made of homemade 08Ni3DR steel is introduced,including the main molding technology,the assembly plan of the equipment,welding process,heat treatment process,inspection and inspection technology.

Pre-demethanizer;Welding;08Ni3DR;Steel plate;Pressure vessel;Head;Cylinder;Heat treatment

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.013

2016-12-20）

*佟存鎖，男，1979年生，工程師。大連市，116110。