大型聚丙烯裝置環管反應器的制造

吳 坤，張 玉，吳衛偉，胡一文，蔡建軍

（南京天華化學工程有限公司，江蘇南京 211178）

0 引言

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，目前其生產方法主要有以下五大類，分別是溶液法、淤漿法、本體法、氣相法和本體—氣相組合工藝。其中，本體—氣相組合工藝的主反應器就是環管反應器，環管反應器工藝的生產成本更低，流程也相對簡單。隨著各行業生產裝置的規模化和大型化，對設備生產能力的需求愈來愈高，丙烯裝置產量達幾十萬噸以上，反應器體量也隨之增大，單臺設備直徑和高度的增大勢必給加工和制造帶來困難，車床裝夾的限制給設備整體車削帶來不便。南京天華化學工程有限公司制造的60 萬噸/年聚丙烯裝置環管反應器已經成功交付，在國內尚屬首次，探討其制造具有一定意義。

1 主要結構形式

環管反應器有8 根（L1、L2、…、L7、L8）直筒體，長55 m、直徑800 mm，外層套有夾套（圖1）。頂部有4 個（A1、A2、A3、A4）180°彎頭，底部2 個（B1、B2）180°彎管組件，中間4 個（C1、C2、C3、C4）連通管組件，底部2 個（D1、D2）90°彎管組件，2 個（E1、E2）短管組件。依次通過法蘭、軸流泵連接，形成一個整體循環。

圖1 環管反應器的結構

在8 根直管上還分布著14 層連接梁，采用工字鋼制作，將直管兩兩連接形成一層平臺，其主要作用是固定整個裝置以及系統其他輔助設備的安裝平臺。設備總高度約62 m，總重量約840 t。該設備屬于Ⅲ類壓力容器，其設計參數主要有：容器內筒壓力5.34 MPa，夾套壓力0.85 MPa；內筒溫度-45～150 ℃，夾套溫度180 ℃。

2 制造技術要求

2.1 材料要求

（1）內管及彎頭采用SA-671 Class 22 C70 有縫鋼管，為進口材料，其中SA-671 Class 22 C70 中的碳、磷、硫應分別小于0.25%、0.025%和0.012%。彎頭為熱彎成形，成形后再進行正火處理，并取試樣來模擬彎頭的熱成型和正火熱處理或冷成型的消除應力熱處理。

（2）法蘭采用16MnⅡ鍛件，凸緣采用09MnNiDRⅢ鍛件，夾套材料為Q345R、采用板材卷制成型。鋼板符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求，正火、表面需做拋光處理。

（3）環管反應器承壓零部件的所有焊接材料必須選用低氫型。

2.2 幾何尺寸、精度控制

（1）內管筒體直線度不得大于3 m，內筒圓度不大于名義外徑的1%，內筒對接口錯邊量不大于1 mm。

（2）夾套橢圓度不大于名義外徑的0.5%，直線度與內管筒體相同。

（3）筒體上、下法蘭密封面垂直度要求其允差在法蘭直徑范圍內為±1.0 mm，筒體組對完成后直線度允差±3 mm。

（4）彎頭的外徑公差應不大于名義外徑的0.5%，圓度不大于名義外徑的5%，中心距偏差±3 mm，兩端法蘭密封面垂直度要求其允差在法蘭直徑范圍內為1 mm。

3 制造工藝

3.1 180°彎頭段

（1）彎頭材料由制造廠提供，交給外協廠家彎制，彎制過程中應充分考慮到減薄量，所有焊縫應進行100%MT（Magnetic Particle Testing，磁粉檢測）+100%射線檢測，彎頭兩段直邊段需留有加工余量。

（2）彎頭入廠檢驗合格后，組對防變形工裝，在彎頭上劃出各凸緣法蘭及吊耳組對位置線。按劃線開孔后組對凸緣法蘭及吊耳，焊接后進行100%磁粉檢測。在數控鏜床找正后加工彎頭兩端法蘭對接坡口，組焊連接法蘭，并對焊縫進行100%射線檢測Ⅱ級合格。此處連接法蘭表面尚留有加工余量。

（3）對彎頭進行整體熱處理，熱處理后再次上數控鏜床找正，加工法蘭密封面及螺栓孔。

3.2 內管

（1）環管反應器每條直管筒體的長度偏差越小越好。采用專用加工設備、專用平臺和專用測量工具儀器，保證4 條直管筒體的長度偏差。內管材料到廠后先測量直線度，如有偏差則對直線度超標的內管應先行矯直修正。

（2）內管組對前，應充分考慮后期工序情況，再決定是否分段組對。受熱處理爐空間限制，無法整根進行熱處理，所以內管制作為分兩段制作。兩段內管組對時縱縫應考慮避開墊板，并且內管一端需留有后期水壓試驗后切割余量，約100 mm 即可，另外一端留有5 mm 鏜銑量。先加工兩段內管對接處環縫，見平即可，然后將兩段內管組合件貼合成一整根長管，此處不焊接。

（3）以已加工面為基準，劃出墊板組對位置線，然后組對內管上各墊板，組對時要考慮坡口加工量。將內管上所有需要組焊的零部件組焊完成后，進行熱處理。

（4）熱處理后加工兩段內管的對接坡口，將兩段內管不留間隙組對，角度線對齊。焊接后進行100%射線檢測，完成后對環縫進行局部熱處理。

（5）組對試壓封頭，封頭與內管環縫也需進行100%射線檢測。對整根內管進行水壓試驗，試驗壓力7.19 MPa、保壓30 min。

（6）水壓試驗后切割封頭及工藝余量，然后加工與連接法蘭組對坡口。

3.3 夾套筒體

夾套采用Q345R 板材卷制成筒節，相同厚度的分別組焊一起，形成幾段筒節。需要注意的是，與內管及接連法蘭處的夾套為兩個半圓筒節，暫時不組對，待內管與連接法蘭組對后二次水壓試驗結束，最后才進行組對。這樣做的原因主要是為了方便水壓試驗時觀察內管與連接法蘭處焊縫。

3.4 整體組對工藝

組裝方式為臥式組裝，所用工裝需要保證每臺反應器的各直管、筒體、將夾套、連接法蘭及其余零部件與內管組對（半圓夾套暫不組對）。為保證精度要求，對于內管不同位置采用拉鋼絲的方式測量間隙，配合制作墊板。夾套組對時，先進行試穿，邊試穿邊調整墊板，調整合適后組對夾套。夾套環縫進行100%射線檢測，零部件與內管直接焊接的位置還需進行局部熱處理。將內管放置在工作平臺上，與180°彎管組件組對兩根直管同時組對。對內管、180°彎管進行水壓試驗，試驗壓力7.19 MPa，保壓30 min。水壓試驗后拆除，同時組對分半夾套并進行100%射線檢測。然后對夾套進行水壓試驗，試驗壓力1.38 MPa，保壓30 min，試驗時需對內管進行0.5 MPa 保壓。

將內管組合件與180°彎頭組合件吊起，放置在工裝上，將彎頭組件分別與內管組件螺栓連接，檢查直線度同時組對連接梁。

3.5 焊接

內管主體對接環縫采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充，埋弧自動焊蓋面。夾套主體對接縱環縫采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充，埋弧自動焊蓋面或雙面埋弧自動焊。接管與法蘭對接環縫采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充、蓋面或采用全氬弧焊。接管與夾套、彎頭全焊透焊縫采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充、蓋面。與受壓元件相關的焊縫不允許采用CO2氣體保護焊。

3.6 無損檢測

對于A、B 類焊接接頭，需進行100%射線檢測，II 級合格。除了射線檢測，還可以使用TOFD（Time Of Flight Diffraction，超聲波衍射時差法）這種可記錄式的檢測手段，進行TOFD 檢測后還需追加100%MT 檢測，C、D、E 類焊接接頭的100%MT 檢測需達到I 級合格。

3.7 熱處理

（1）環管反應器采用SA-671 Class 22 C70 低溫鋼材料，所有使用該材料并與其焊接的內管、彎頭、短節等，在焊接完成后需進行消應力熱處理，且入爐和出爐溫度應小于350 ℃、溫升速度控制在55～150 ℃/h（圖2）。

（2）夾套采用Q345R板材，根據相關要求厚度40 mm 段的夾套需進行焊后熱處理。其熱處理工藝與圖2 相似，只是保溫時間延長為120 min。

圖2 熱處理工藝

3.8 拋光

環管反應器是封閉的環狀態管路，物料在管內不斷循環流動，因此對表面光潔度要求較高。拋光采用機械自動拋光，熱處理前先粗拋光，熱處理后再進行半精拋光。設備整體水壓合格后最后進行精細拋光，拋光粗糙度要求小于2.5 且不能有任何不達要求的死區。另外，容器內表面焊縫需要打磨平齊，拋光后不允許存在凹坑等硬性缺陷。

3.9 底部彎管現場配管

底部彎管需要根據現場實際情況，考慮軸流泵安裝位置尺寸，測量后配做。

（1）現場測量泵的距離尺寸，確定接管下料長度。

（2）切割接管，加工兩端與法蘭組對坡口，坡口形式為2 mm鈍邊、30°外坡口、組對間隙2 mm。

（3）組對接管法蘭，按焊接工藝施焊。受現場條件限制，對接管與法蘭焊縫進行TOFD 檢測，Ⅰ級合格，并追加100%MT。

（4）對接管與法蘭之間的焊縫再進行局部消除應力熱處理，溫度（610±10）℃、保溫90 min。

（5）內表面拋光處理之后，與軸流泵進行連接。

（6）最后在現場進行整體氣密試驗。

4 總結

大型聚丙烯裝置的環管反應器，在探討其制造工藝時需要更多地考慮因體積過大，機床加工、焊接、熱處理、吊裝、運輸方式、場地擺放等可能帶來的限制，應根據實際情況安排合理可行的制造工序，通過工裝、輔助測量工具和加工方法等來保證技術指標。