不銹鋼吸收/氧化反應器焊接工藝研究及現場建造

趙向東

（四川石油天然氣建設工程有限責任公司， 成都610051）

0 前 言

隨著石油、 化工產業的發展， 石化設備的體積越來越龐大， 這對石化設備的建造提出越來越高的要求[1-4]。 2015 年， 四川石油天然氣建設工程有限責任公司接到靖邊第四天然氣凈化廠硫磺回收工程——吸收/氧化反應器的生產任務， 罐體直徑為15 400 mm， 質量為168 t。 受運輸條件限制， 這種大型反應器的建造只能在工廠先進行深度預制， 運到現場后再進行組裝、 焊接、 檢測、 試驗、 酸洗鈍化等處理。

焊接的質量好壞離不開焊接材料的選擇以及焊接工藝技術的應用。 因此， 要想有效提高大型反應器的焊接質量與使用性能， 就必須嚴格按照焊接材料的選用標準以及焊接工藝要求進行材料和工藝的篩選， 以保證大型反應器的現場焊接工作有序開展， 為不銹鋼的焊接質量提供基本的材料和工藝技術保障[5-6]。

1 焊接性能分析

該反應器由S30403 不銹鋼焊接而成。 表1為反應器主要部位的規格及數量， 表2 為S30403 不銹鋼的化學成分， 表3 為S30403 不銹鋼的力學性能。

表1 反應器主要部位的規格及數量

表2 S30403 不銹鋼的化學成分 %

表3 S30403 不銹鋼的力學性能

奧氏體不銹鋼焊接對熱裂紋有一定的敏感性， 易產生焊接接頭脆化 （即475 ℃脆化）、 σ相和晶界析出碳化鉻脆化或晶粒粗大等[7]， 同時耐蝕性降低， 在一定條件介質的接觸下， 易產生均勻腐蝕和局部腐蝕， 局部腐蝕包括晶間腐蝕、點腐蝕、 縫隙腐蝕和應力腐蝕等[8-9]。 根據其熱物理性能和組織特點[10]， 奧氏體不銹鋼有以下焊接工藝特點： ①由于導熱系數小而熱膨脹系數大[11]， 奧氏體不銹鋼在焊接時易產生較大的變形和焊接應力， 應盡可能選用焊接能量集中的焊接方法； ②由于導熱系數小， 在同樣的電流條件下， 奧氏體不銹鋼的熔深大于低合金鋼的熔深，同時， 奧氏體不銹鋼電阻率較大， 為了避免焊材發紅， 與同直徑的碳鋼或低合金鋼相比， 奧氏體不銹鋼一般采用較小的焊接電流， 純奧氏體與超級奧氏體不銹鋼熱裂紋敏感性較大， 應嚴格控制焊接熱輸入； ③由于焊接材料中合金元素相對較高， 其中有些元素如Ti、 Nb、 Cr 和Al 等極易氧化和燒損， 焊接時應盡可能縮短電弧， 且擺動幅度要限制； ④為了提高焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能， 焊接時要特別注意焊接區的清潔， 避免有害元素滲入焊縫； ⑤奧氏體不銹鋼焊接時一般不需要預熱及后熱， 為了防止焊接熱裂紋的發生、焊縫和熱影響區的晶粒長大及碳化物的析出， 保證焊接接頭的塑韌性與耐蝕性， 應控制低的層間溫度 （一般不超過150 ℃）[12-13]。

2 焊接方法和焊接材料選擇

2.1 焊接方法

不銹鋼常采用的焊接方法對比見表4[14]。 在綜合考慮各種方法優缺點和S30403 上述焊接性能的基礎上， 本項目最終選擇焊條電弧焊打底+自保護藥芯焊絲半自動焊（SMAW+FCAW） 焊接方法。

表4 常用不銹鋼焊接方法對比

2.2 焊接材料

使用NB/T 47015―2011 《壓力容器焊接規程》 標準中推薦的焊接材料進行焊接。 經過市場調研， 同時對操作工藝性試驗（如焊絲內部的均勻情況、 焊縫成形以及脫渣性能等） 進行篩選，最終選用表5 所示的焊接材料。

表5 不銹鋼反應器焊接材料的選擇

3 焊接工藝評定試驗

按照ASME-IX 《焊接及釬焊評定》 標準中要求的厚度和位置的覆蓋范圍， 選擇規格為300 mm×150 mm×14 mm 的S30403 不銹鋼分別進行橫焊和立焊焊接工藝評定。 S30403 不銹鋼橫焊工藝參數見表6， S30403 不銹鋼立焊工藝參數見表7。

表6 S30403 不銹鋼橫焊工藝參數

表7 S30403 不銹鋼立焊工藝參數

按照上述焊接工藝參數完成橫焊和立焊后，從焊縫區取樣分別進行拉伸性能和彎曲性能測試， 彎曲試驗后， 所有試樣均未開裂， 焊接接頭的拉伸性能滿足產品標準要求（見表8）。

表8 焊縫拉伸性能測試結果

同時， 從焊縫區取樣， 按照GB/T 4334—2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》 標準中的方法E （硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法） 進行抗晶間腐蝕性能檢測， 試驗溶液為700 mL 蒸餾水+100 g CuSO4·5H2O+100 mL H2SO4+蒸餾水稀釋到1 000 mL。 煮沸試驗后對試樣進行彎曲， 彎曲后的試樣形貌如圖1 所示。

圖1 彎曲試驗后的試樣形貌

由圖1 可以看出， 面彎和背彎試樣均未斷裂、無裂紋， 因此， 擬定的焊接工藝參數合理可行。

4 現場施工

4.1 反應器錐體焊接

該反應器錐體部分共計6 層， 包括直管段和大小錐體部分。 為方便運輸， 錐體部分由廠內預制一部分， 然后現場組對焊接。 現場人員首先將錐體部分分段分片進行標記， 然后按擬定的焊接工藝參數進行焊接， 焊接順序如圖2 所示。循環按焊接分組順序進行焊接。

圖2 反應器錐體焊接順序

（5） 焊接23A 環焊縫。 將該直徑1 500 mm圓4 等分， 分為4 個象限區域， 兩個人同時在對稱區域順時針分別交錯點固間距200 mm 焊接，點固焊縫長度約20 mm； 點固完成后， 兩個人同時在對稱區域順時針分別交錯間距400 mm 打底焊接， 打底焊縫長度約100 mm； 打底焊完成后，待滲透檢測合格后， 兩個人同時在對稱區域順時針分別間距500 mm 填充焊接， 填充焊縫長度約300～400 mm； 填充焊完成后， 兩個人同時在對稱區域順時針分別間距500～600 mm 蓋面焊接，蓋面焊縫長度約450～500 mm， 依次焊接。

4.2 底板焊接

底板焊縫分布如圖3 所示， 焊接分配順序為：

圖3 底板焊縫分布圖

（1） 點固焊。 底板就位后， 按焊縫分組順序， 底板點固焊縫間距200 mm （其中7A、 8A和9A 間距100 mm） 交錯點固， 點固焊縫長度10 mm， 依次循環按焊接分組順序進行焊接。

（2） 打底焊。 點固焊完成后， 按焊縫分組順序， 底板打底焊縫間距1 000 mm （其中7A 和9A 間距200 mm， 8A 間距100 m） 交錯打底，打底焊縫長度約100 mm， 對于19 根7 m 長焊縫， 在中心和中點處同時分段退焊， 依次循環按焊縫分組順序焊接。

（3） 填充焊。 打底焊完成后， 待滲透檢測合格后， 按焊接分組順序， 底板填充焊縫間距1 000 mm （其中7A 和9A 間距200 mm， 8A 間距100 m） 進行填充， 填充焊縫長度約300～400 mm，對于19 根7 m 長焊縫， 在中心和中點處同時分段退焊， 依次循環按焊接分組順序進行焊接。

（4） 蓋面焊。 填充焊完成后， 按焊接分組順序， 底板蓋面焊縫間距1 000 mm （其中7A 和9A 間距200 mm， 8A 間距100 m） 進行蓋面，蓋面焊縫長度約500～600 mm， 對于19 根7 m長焊縫， 在中心和中點處同時分段退焊， 依次

4.3 壁板焊接

4.3.1 縱縫焊接

縱縫采取雙面焊， 先焊外側焊縫， 后焊內側焊縫， 外側焊完后在內側坡口清根。 焊工宜均勻分布， 并沿同一方向施焊。

縱縫焊接操作要點如下： ①將整個焊道等分3～4 份， 按分段跳焊順序由下向上焊接每一段，以減小焊接棱角變形； ②縱縫施焊時， 極易在焊縫兩端出現外翹變形， 給環縫組對造成困難， 使T 字縫應力增加， 故應在縱縫兩端各留出150～200 mm 不焊， 待環縫組對完畢后， 再與T 字縫一起焊接； ③在焊接區域加裝防變形工卡具， 以減小焊接變形。

4.3.2 環縫焊接

該設備采用倒裝法， 環縫施焊位置始終處于一圈壁板的高度， 無高空焊接作業， 施焊條件較優。 環縫采取多層多道雙面焊， 先焊外側焊縫， 后焊內側焊縫， 外側焊完后在內側坡口清根。 焊接時， 脹圈應始終處于脹緊狀態， 焊接完成后方可松開。 焊工宜均勻分布， 沿同一方向施焊， 并應采用相同的焊接方法和焊接工藝規范。

4.4 大角縫焊接

為盡可能降低焊接變形， 大角縫處焊接應在施焊前采取圖4 所示的方法， 預防變形。

圖4 罐底大角縫焊接預防變形示意圖

因大角縫處較易積存水分和污物， 焊前要充分清除焊接部位的鐵銹和污物， 并用氣焊炬烘烤以清除水分。

定位焊宜在罐壁內側進行， 與正式焊接要求相同， 定位焊縫長度不宜小于50 mm； 定位焊縫的間隔不宜大于800 mm。

大角焊縫內側附近是一個高應力區[15]， 且隨著罐內介質水平面的反復升降可能導致疲勞破壞， 因此內角焊縫成形要求比較嚴格， 焊縫表面應呈內凹形， 平緩過渡（可進行打磨整形處理），以降低應力集中， 且罐底一側不應有咬邊。

4.5 頂板焊接

4.5.1 焊接順序

拱頂焊接順序如圖5 示。 焊接時焊工對稱分布； 焊接順序為①→②→③→④； 每道焊縫分段退焊； 序號為①和②的徑向焊縫， 其焊接方法為前頭方向。

圖5 拱頂焊接順序示意圖

4.5.2 扇形板的焊接

拱頂扇形板全部組裝完畢， 定位焊后， 先焊拱頂內側仰臉位置的搭接焊縫及起連接成形作用的加強肋板， 后焊拱頂外側搭接焊縫。 拱頂外側徑向的長縫， 即扇形板之間的搭接焊縫， 宜采用隔縫對稱施焊方法， 并由中心向外分段退焊。

5 質量檢查

5.1 外觀及幾何尺寸

對焊接完的反應器進行外觀檢測及尺寸測量， 反應器所有外觀和尺寸檢測結果均符合標準規定。

5.2 無損探傷

按照規定對焊縫進行磁粉滲透和射線檢測，結果均合格。

5.3 底板變形

在底板上設置6 組測量點， 每組測量點測量20 組底板平面度數據， 測量結果如圖6 所示。由圖6 可以看出， 測量范圍在492～499 mm， 高差≤7 mm， 達到預期設定的目標值。

圖6 底板平面度數據測量結果

6 結 論

（1） 針對吸收/氧化反應器的特點， 選擇焊條電弧焊打底+自保護藥芯焊絲半自動焊 （SMAW+FCAW） 焊接方法。 對NB/T 47015—2011 《壓力容器焊接規程》 標準中推薦的焊接材料進行了篩選， 得到滿足要求的焊材， 用規格為300 mm×150 mm×14 mm 的S30403 不銹鋼分別進行了橫焊和立焊焊接工藝評定， 確定了合適的焊接工藝。

（2） 該反應器錐體部分共計6 層， 錐體部分由廠內預制， 現場組對焊接。 在設備實際焊接制造過程中， 針對錐體、 底板、 壁板、 頂板不同部位， 采取不同的焊接工藝、 合理的焊接順序和防變形措施。 試驗結果證明， 所選擇的焊接工藝、焊接順序和防變形措施是合理的， 保證了焊接后的吸收/氧化反應器符合設計要求， 為吸收/氧化反應器的焊接提供了參考。