大型螺旋半圓管夾套式反應器的制造

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(1.太重(天津)濱海化工裝備分公司，天津 300450；2. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

0　前言

隨著化學工業的發展，單套生產裝置的產量越來越大，促使了反應設備的大型化，主要表現在其直徑加大，筒體加長，特別是承受外壓的內筒壁厚增加，給反應設備的制造工作增加了難度。太重(天津)濱?；ぱb備分公司承接了某化工新材料有限公司的60Kt/a有機硅單體工程流化床反應器(螺旋半圓管夾套式反應器)的制造，其特點是結構復雜、技術要求高、制造困難。

1　技術參數

1.1　反應器外形尺寸和材料

反應器主要由上管箱、反應器床芯、反應器主體和下管箱四段組成，如圖1所示。主體內徑φ3 100 mm厚度20 mm，總高19 450 mm，材料Q345R；外部螺旋半圓管φ108 mm厚度4 mm，材料為Q345R；反應器床芯中雙層導熱管φ133 mm×5 mm,φ89 mm×4 mm，材料為20 G。

圖1　反應器示意圖

1.2　反應器主要設計參數

反應器主體材料Q345R，凈重78 458 kg，屬于三類容器。制造技術條件按GB 150—2011執行，焊接規程按NB/T 47015—2011執行，監察規程按TSG 21—2016執行，探傷標準按NB/T 47013—2015執行，主要設計參數見表1。

表1　主要設計參數

1.3　主要材料的化學成分和力學性能

主要材料的化學成分如表2所示，力學性能如表3所示。

表2　鋼材主要化學成分(質量分數，%)

表3　鋼材主要力學性能

由表3可以看出，鋼材的沖擊吸收能量KV2值要求并不是很高，因此對焊接接頭的力學性能要求也不高，只要選擇合適的焊接材料、焊接工藝方法和焊接工藝評定就能滿足焊接要求。

2　焊接方法和焊接參數

2.1　焊接方法的選用

為保證焊接質量，提前對殼體(Q345R)等主材做了焊接的工藝評定，最終確定筒體封頭主要縱、環焊縫采用CO2氣體保護焊+埋弧焊，其余焊縫采用CO2氣體保護焊，并結合鋼材的力學性能和焊后熱處理的要求，選擇相應的焊接材料。

2.2　坡口形式選擇及其工藝參數

以板厚為 20 mm的Q345R對接接頭為例，坡口形式為單V形外大里內小坡口，坡口角度為60°，加工時不留焊接鈍邊，坡口間隙為0～2 mm，采用CO2氣體保護焊進行打底焊焊接，反面清根，并使用自動埋弧焊蓋面。對焊縫進行射線探傷達到Ⅱ級合格，焊接接頭力學性能,如表4所示，達到產品的技術要求。

表4　Q345R焊接接頭力學性能

除以上殼體主材，床芯導熱管(20G鋼管)對接接口采用氬弧焊，其余角焊縫采用氣體保護焊，都經過焊接工藝評定且合格；在制造過程中將筒節末端帶焊接試板，用與筒體相同的焊接參數焊接，經射線及熱處理后進行理化檢驗，都達到合格的性能要求。

3　設備制造

3.1　薄壁大直徑筒體的制造

外殼筒體內徑φ3 100 mm厚度20 mm，材質Q345R，為保證幾個小筒節對接成整筒后的直線度，必需控制其各個小筒節橢圓度及縱縫錯邊量，筒體質量主要通過以下幾方面控制：

(1)采用半自動切割下料，板材長度留有壓頭，為保證下料準確要測量下料長度，對角線長度并劃出壓頭線，責任線。

(2)寬度兩邊坡口上銑邊機銑出坡口，銑邊公差：長度±1 mm，寬度±1 mm，對角線尺寸≤2 mm。

(3)上圈圓機預彎壓頭，并根據相配的封頭外周長尺寸再次測量筒體以確定其準確長度，之后用半自動切割機割掉壓頭并切割出坡口。

(4)小筒節焊接后經過校圓滿足橢圓度e≤ 7為合格，用弦長大于300 mm的內樣板檢查，其對接縱縫處所形成的棱角E≤3.6 mm為合格。

(5)按NB/T 47013—2015標準進行縱縫100%RT探傷，需達到Ⅱ級合格。

(6)為了防止起吊過程中的變形，制作了輔助工裝環抱箍如圖2所示，箍住筒節外端以防止其變形。

(7)標出方位線(0°，90°，180°，270°)，按方位線依次組對點焊，并從4個方位線處吊線測量筒體直線度，以保證整體組裝后直線度達到設計要求。

圖2　環抱箍示意圖

3.2　大法蘭變形控制

該反應器介質為毒性，密封要求很高，要求焊接后法蘭不能有任何的變形。采用如下兩種方法解決變形問題。

(1)采用米字形工裝如圖3所示支撐法蘭內部，減少焊后變形。

(2)留下1 mm加工余量，如果焊后經測量變形不大則不用加工,若超出誤差允許范圍則可以焊后部件整體加工，保證法蘭密封面的平面度。

圖3　米字形工裝示意圖

3.3　筒體外部螺旋半圓管的組裝

螺旋半圓管如圖4所示的加工制造工藝復雜，既有螺旋半徑的變化，又有螺旋導角的變化，增加了制造難度，一旦制作尺寸不到位，將會使裝配及焊接更加困難。螺旋半圓管對接接頭多，環角焊縫比較長，為保證其焊接質量，對接接頭必須全部焊透，而半圓管環角焊縫的探傷有一定困難，表面探傷很難發現內部缺陷(如夾渣、未焊透、氣孔、裂紋等)。這給設備的使用帶來不少潛在的危險，為此制定了專門的工藝措施來解決以上難點。

圖4　螺旋半圓管示意圖

3.3.1筒體焊前準備

先將裝焊好的筒體如圖5a所示及實物照片如圖5b所示豎立于平臺之上，再次確認筒體上方位(0°，90°，180°，270°)，在以上4個方位線上，將螺旋半圓管的軌跡線劃出，這樣可以保證裝配的準確性，之后將螺旋半圓管從下往向上依次裝焊，為此制作了工裝卡塊和楔形塊，使半圓管能夠與筒體緊貼，這樣使對接接頭錯邊量很小，有利于保證焊接質量。

圖5　筒體示意圖及實物圖

3.3.2焊接過程

為了能夠全焊透對接接頭，采用V形坡口，鈍邊(1±1) mm，間隙2～3 mm，單面焊雙面成形，并專門培訓焊工進行施焊。對于環角焊縫，為確保其焊接質量，分別在焊接和熱處理后，除進行表面探傷檢查外，還作了水壓試驗及氣密性試驗，一旦發現泄露及時補焊并重新探傷及再次打壓(經過嚴密計算將試驗壓力增加到一定倍數，并保壓足夠長的時間)。

3.4　反應器床芯導熱管回路的制造

床芯管束如圖6a所示及實物照片如圖6b所示共分5組，每一組都是由φ133×5 mm,φ89×4 mm雙層鋼管、彎頭、三通組成的一個復雜回路，且單組回路長度不同，而其回路內流量速度又要求相同，所以必須保證每組管束制造精度及焊接質量。由于其結構復雜，技術要求高，制造工藝性差，很多接頭焊縫很難施焊和探傷，給制造帶來很大困難，主要通過以下工藝措施和必要的工裝實現。

圖6　床芯管束示意圖及實物圖

3.4.1管束制造

按管束Ⅰ、管束Ⅱ、管束Ⅲ、管束Ⅳ和管束Ⅴ分別裝焊成部件，組裝并焊接，焊接后對管焊縫總數20%進行RT檢查，Ⅲ級合格。每個管束組件裝焊后先進行一次水壓試驗，以確保各焊縫無滲漏。

3.4.2管束焊接

φ133×5 mm，φ89×4 mm鋼管材料為20 G，其內部流通的是導熱油，因此不能有任何泄露。為了能夠全焊透對接接頭，采用V形坡口，鈍邊(1±1) mm，間隙1～2 mm，單面焊雙面成型，采用氬弧焊施焊，并進行100%RT探傷，達到NB/T 47013—2015標準的Ⅱ級合格，焊接及熱處理后分別進行壓力試驗，由于結構原因只進行氣壓試驗，一旦發現泄露及時補焊并再次打壓(經過嚴密計算將試驗壓力增加到一定倍數，并保壓足夠長的時間)。

4　總裝和耐壓試驗

總裝時，床芯部分是難點，管子長12 m，起吊時剛性差容易產生變形，會使根部焊縫產生裂紋，因此專門制作了一套起吊工裝，使導熱管另外一端能夠平穩放置，起吊時又不會產生局部彎曲，完成床芯和殼體的總裝。

耐壓試驗分殼體和夾套，由于反應器結構復雜，焊縫過長及施焊位置很差，為保證焊接質量，必須采取在焊接后和熱處理后對外部盤管及床芯管束進行兩次試壓，且水壓和氣密性試驗均做，達到產品要求。

5　結論

(1)此類螺旋半圓管夾套式反應器技術要求高，結構復雜，制造困難大，必需充分考慮其制造，裝配過程中的難點，預先制定合理的工藝措施和制作必要的輔助工裝。

(2)制造過程中嚴格按照圖紙和工藝要求使零件成形，裝焊過程中防止大法蘭焊后變形，提高盤管和導熱管焊接質量以及控制好各個關鍵難點。

[1]全國標準化委員會.TSG 21—2016固定式壓力容器安全技術監察規程[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2016.

[2]全國鍋爐壓力容器標準化委員會.GB 150.1～150.4—2011壓力容器[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2011.

[3]全國鍋爐壓力容器標準化委員會.GB/T 151—2014熱交換器[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2014.