脫硫反應器制造難點分析及工藝改進

王友龍，劉穎，范伯鑫，翟大虎(青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266426)

0 引言

近年來，隨著國家節能環保要求的日益提高及汽車國VI排放標準在各地的陸續實施，對油品質量的要求也逐步提升，其中S-Zorb催化汽油吸附脫硫裝置，因其脫硫效果好、反應快、辛烷值損失小、能耗低的優點，逐步成為油品質量升級的重要手段[1]。同時隨著產能的逐步提升，從150萬噸/年，到180萬噸/年，再到現在的240萬噸/年，設備趨向大型化發展。

脫硫反應器是S-zorb裝置中最核心、最關鍵、價值最高的設備且設備材質特殊，采用抗氫鋼，整體熱處理、設備為長周期制造設備，其制造工藝較為復雜，設備大型化后對其制造又提出了新的挑戰和要求。

1 產品結構特點

脫硫反應器上下段筒體分別為大小徑，中間通過錐體連接；最后兩節筒節及下封頭位置采用內壁堆焊形式；反應器內件從下往上依次為：入口分配器、中間分配盤和降塵器。

2 主要設計參數

脫硫反應器主要設計參數如下。設計標準：NB/T 47041—2014；介質：氫氣、油氣、吸附劑；設計壓力：4.26 MPa；設計溫度：470 ℃；設備凈重：180 t。

主要零部件材料及規格如下。封頭：SR1990×62、SR1083×38，材 料：12Cr2Mo1R(H)；筒 體：φ3 960×3 200×78/84，φ2 160×27 000×46/64/48；材料：12Cr2Mo1R(H)。

3 主要制造工藝

3.1 上封頭制造

本產品上封頭采用拼板后整體熱沖壓成型，成型后進行正火(允許加速冷卻) +回火熱處理。

考慮到12Cr2Mo1R(H)材質在隨封頭熱處理后性能下降，回廠后需對拼縫位置進行置換焊肉處理，置換焊肉時，封頭端口需加裝內箍圈，拼縫內、外側需加裝置換焊肉用拉筋板。優先對外側置換焊肉，后對內側置換焊肉，以有效控制封頭變形及減少封頭翻轉工序。

3.2 下封頭制造

本產品下封頭采用整體熱沖壓成型，成型后進行正火(允許加速冷卻) +回火熱處理，回廠后堆焊封頭內壁、組焊加強接管并探傷合格。

3.3 筒節制造

本產品規格為φ3 962 mm，δ=78/84 mm的筒節先拼板后卷制成型，考慮筒體在卷板過程中的碾長因素，在筒體合口前需對筒節盤外周長后重新進行二次號線，以保證筒節最終成型后直徑尺寸符合圖紙要求。同時因壁厚較厚，在卷板之前，需在鋼板兩端各留150 mm的卷板直頭，在筒節二次號線時同時去除，以保證筒節卷制的成型曲率。規格為φ2 160 mm，δ=46/64/48 mm的筒節，因筒節壁厚較薄，直徑較小，碾長量可忽略不計，同時卷板直頭可在筒節校圓時修正，因此該筒節無需留直頭及二次號線。

3.4 錐體的制造

本產品共2節翻邊錐體，錐體采用先分瓣成型再組焊為整體的方式制造。要求母材試件與對應錐瓣經歷相同熱處理。

3.5 總裝

設備總共分三段組裝，第一條總裝縫位置為殼體錐后第二個筒節與第三個筒節間環縫，第二條總裝縫為最上面一節碳鋼裙座與下一節碳鋼裙座間環縫。

(1)上段組裝。組裝上段筒體與封頭、錐體間環縫，計算上段重心位置，在適當位置加裝配重，以保證安全。由于筒體直徑大、壁厚薄，組焊大接管(人孔接管)時需在接管底部加裝防變形支撐，防止焊接過程中發生較大變形。上段進爐終退前，所有法蘭密封面需涂防高溫潤滑劑，同時需在大直徑處筒體兩端加裝熱處理支撐，在總裝縫端口位置加裝總裝縫支撐，防止發生熱處理變形。終退后，為保證人孔平面度需重新加工人孔(M3)接管法蘭密封面并探傷合格。

(2)下段組裝。組裝下段堆焊筒體間環縫，按圖紙及焊接工藝進行筒體內壁堆焊。組焊筒體間環縫，組裝時要求測量筒體直線度，直線度小于等于筒體長度的千分之一，且應保證設備整體直線度不大于15 mm。可調節筒體環縫錯邊情況來調整筒體直線度，保證筒體直線度滿足要求。組裝接管、內件預焊件等。組焊下封頭組件、裙座第一節碳鋼段，再組焊下彎管組件。下段進爐終退前，所有法蘭密封面需涂防高溫潤滑劑，同時加裝終退支撐進行最終退火熱處理。終退后，為保證人孔平面度需重新加工人孔(M1、M2)接管法蘭密封面并探傷合格。

(3)裙座總裝。組焊裙座底座環、筋板、蓋板及裙座碳鋼段環縫，探傷合格，組焊內件、外附件，加裝終退支撐后進行最終退火熱處理。

(4)總裝。分別組焊上段、下段及裙座碳鋼段總裝縫。組裝筒體上下段時應注意上段大直徑筒體處下方需擺放滾輪架，防止總裝縫拉筋板強度不夠，導致上段墜落，總裝縫拉筋板規格應不小于500×300×50，根據筒體直徑設置拉筋板數量，要求拉筋板與筒體周圈連續焊。焊接合格后總裝縫電加熱終退，電加熱前在總裝縫兩側加裝防變形支撐。

4 產品制造難點及控制措施

4.1 頂部大法蘭的制造

上封頭頂部大法蘭作為吸附劑過濾口，其平面度公差要求0.8 mm，其制造質量直接影響吸附脫硫效果。

為保證其最終密封面的平面度要求，對于頂部大法蘭密封面位置留10 mm的加工余量。封頭平端口后，在距封頭端口50 mm處打一圈樣沖眼標記作為

檢查點，組裝大法蘭及筒體時均以該檢查點為基準進行組對，以盡可能減小封頭組件與筒體及大法蘭接管裝配偏差對大法蘭平面度的影響。上封頭在組焊頂部大法蘭時需在頂部大法蘭底部加裝鋼管支撐，防止焊接時發生塌腰。大法蘭密封面的加工在與接管(件2)及球形封頭組焊完成并終退后進行，以減少終退變形對法蘭平面度的影響。通過上述方案控制平面度，可有效滿足設計文件要求。

4.2 分配盤的制造和堆焊

分配盤作為脫硫反應器中的專利內件，直徑大而薄、且上下表面堆焊層厚度不同(下表面單層堆焊4 mm的E347；上表面堆焊3 mm的E309L和3.5 mm的E347)，要求堆焊完成后分配盤上表面平面度不超6 mm，焊接防變形控制是制造的重難點。

現常用的制造方法主要從焊接方式上加以控制，輔以校平后機加工的方式進行。傳統制造方式工序復雜且在一定程度上存在焊材浪費的現象。按傳統的電渣焊帶極堆焊+局部手工焊的制造方式[2]，我公司總結的分配盤堆焊變形情況如下：對于直徑約φ2 000 mm，壁厚約為100 mm的分配盤，單層堆焊變形量通常為6～8 mm；雙層堆焊的變形量通常為13～15 mm。

本產品分配盤直徑φ1 976 mm，基層厚度100 mm，要求上表面雙層堆焊(6.5 mm)，下表面單層堆焊(4 mm)，采用預留反變形制造工藝如下：基層加工時，采用堆焊反變形原理，將基層下表面加工為凹面(下凹3 mm)→堆焊時先堆焊下表面(4 mm)→退火(消應力)→測量平面度(下凹約11 mm)→加工上表面，保證基層厚度及一定反變形量(下凹約14 mm)→堆焊上表面過渡層→測量平面度(下凹約8 mm)→退火(消應力)→再堆焊上表面表層→測量平面度(下凹約2 mm)→消除應力熱處理→測量平面度(整體平面度＜6 mm)。

采用留反變形量方法進行制造，可以使分配盤堆焊完成后表面平面度符合圖紙要求，堆焊時無需留堆焊層加工找平余量，既節約焊材又減少了加工工序。分配盤堆焊加工完成后與過渡段組焊，立車加工分配盤與過渡段環縫，分配盤劃鉗、鉆孔，再將分配盤與蓋板演裝。組焊過渡段與封頭，再組焊裙座短節。

4.3 分配盤與分配元件安裝問題

圖紙要求分配元件直徑為φ48，而分配盤鉆孔要求為φ48+10；部分分配盤孔直徑按負偏差加工，實測直徑φ48；二者無法順利裝配，建議分配盤孔直徑為φ48.5～49 mm，注意公差應滿足零件裝配要求。

4.4 大法蘭水壓試驗盲板的選擇

壓力容器制造中，大直徑接管的封堵一直是水壓試驗的難點，常見的試壓盲板結構形式有：橢圓封頭、平蓋、盲板法蘭和法蘭蓋等[3]。本產品頂部大法蘭為敞口法蘭，試壓參數如下：螺栓孔中心圓直徑為φ1 905 mm，法蘭中心孔直徑為φ1 550 mm，法蘭盤外徑為φ2 040 mm，螺栓孔數量36個，螺栓孔直徑φ74 mm，水壓試驗壓力為6.91 MPa。

按GB150.3—2011中5.9.3圓形平蓋厚度計算公式[4]：

所需試壓平蓋厚度較厚，常用的Q345R材料鋼板僅有100 mm厚，結合實際，最終采用兩塊100 mm厚鋼板下料后周圈拼焊、退火、MT、RT合格后立車加工成對應法蘭WN形式，并組焊試壓封頭后進行水壓試驗。

通過上述方案，有效減少了試壓盲板所需厚度，同時滿足試壓要求。STL1口接管與STL2口接管均為補強管形式，需在端口留余量并組焊試壓封頭，由于設備需充氮發貨，要求試壓封頭廠內不用氣割去除，隨產品發往用戶現場，待后續設備就位后去除。

4.5 STL1口內接管組焊問題

設備STL1接管為斜馬鞍形式，內接管組焊時部分位于STL1接管內孔圓角部位，焊接時局部出現凹陷缺肉，后期制造時需在內接管長度方向留20 mm余量，根據實際情況進行演裝后去除余量，同時保證此處焊腳高滿足設計要求并打磨圓滑。

4.6 人孔塞筒問題

人孔內塞筒組件中頂板下料時需留余量，待組焊后加工上表面，加工時可以考慮將人孔塞筒與人孔法蘭點焊固定后，再立車加工頂板上表面。

4.7 降塵器組裝問題

4.7.1 對降塵器連接螺栓強度進行計算

螺栓剪切強度的計算：

采用 M30 螺栓，材料選用 S32168，[τ]=0.6[σ]=0.6×137=82.2 MPa；

A=π×(0.027/2)2=5.73×10-4m2；

Q=82.2×106×5.73×10-4=47 101 N；

在臥式運輸時，假設極限狀態，降塵器所有的重量被同一截面的兩個螺栓承擔，可以承擔的剪切力為：2Q=94 202 N。計算出可以承擔的降塵器重量：9 420 kg。

由此看出，螺栓可以承受的剪切力遠遠滿足需要。

4.7.2 連接板開孔部位強度計算

連接板材質 S32168，[σ]=137 MPa；

連接板最小厚度δ=16，長度200 mm，同一橫截面上兩個φ33螺栓孔，板厚按δ=16核算：

受力面積A=(200-33-33)×16×10-6=2.14×10-3m2；

連接板受力為：

F=[σ]×A=137×106×2.14×10-3=293 000 N，計算出可以承擔的降塵器重量：29 300 kg。

由此看出，連接板強度遠遠滿足需要。經計算，降塵器連接板及螺栓所能承受噸位遠遠高于降塵器本身重量，故優先采用廠內臥式安裝方案。產品發貨前內件安裝發貨，主要包括降塵器、分配盤蓋板(含石墨墊片)、人孔塞筒組件(含陶纖繩)、壓力計口組件等。

4.8 產品制造轉胎放置問題

由于產品結構特點上部直徑大，中部及下部直徑小，且設備外附件較多，產品組裝時需考慮滾輪架擺放位置，保證組裝件重心位于兩滾輪架之間，不允許出現產品懸空。

4.9 三角架組裝問題

本產品設備外部三腳架及導向支架組焊時應進行演裝，若遇到預焊件與設備環縫相碰，需保證環縫探傷合格后焊接預焊件，或跳過環縫位置不焊。

4.10 氣密性試驗

為有效保證設備密封性，近年來，壓力試驗逐步由水壓變更為水壓加氣密的形式。試驗時需考慮氣密性實驗工藝用料，進氣口、排氣口的設計，試壓時間及安全距離的計算等，實際操作中做好安全應急預案。

氣密性試驗進行時，如發現有異常響聲、壓力下降、加壓裝置發生故障或者壓力表失靈、有泄漏時，應立即停止試驗，待查明原因并排除故障，補焊合格后重新進行氣密性試驗。在試驗時，嚴禁打壓敲擊、擰緊螺母、移動容器、進行補焊或進行其他非檢驗操作[5]。

5 結語

脫硫反應器制造工藝復雜，通過對脫硫反應器制造難點的分析，逐步完善并改進現有制造工藝，為同類產品的制造提供參考經驗。