脫硫反應器制造難點分析及工藝改進

孔祥偉

（大慶石油化工機械廠有限公司，黑龍江大慶 163711）

0 引言

脫硫反應器是S-Zorb 系統內的核心設備，同樣是化工行業的重要反應裝置。由于該裝置的主要制備材料為12Cr2Mo1R，具有特殊性質，因此制備過程復雜，工藝細節要求極高，必須重視脫硫反應器制備環節的難點與質控措施，以確保后續投產的安全使用。

1 脫硫反應器的構造特征與關鍵制備工藝

本次大慶石油化工機械廠有限公司承制的脫硫反應器為立式構造，類別為Ⅲ，投產后處理介質為汽油、氫氣、吸附劑（圖1）。其主要制備材料為12Cr2Mo1R，焊接系數標準為1.0，其他設計參數見表1。

表1 設計參數

圖1 脫硫反應器結構

1.1 上封頭制備

本裝置的上封頭結構選用“整體拼接+熱壓沖型”工藝，拼接成型后采用正火（可調節冷卻時間）配合回火熱制備流程。由于熱制備工藝會降低母材12Cr2Mo1R 的性能，因此在回廠后要將拼縫部位的焊肉置換。置換焊肉時，為避免封頭變形，首先需在封頭頂部安裝內箍圈，拼縫里、外兩側要安裝拉筋板；然后要先置換外側的焊肉、再置換里側的焊肉[1]。

1.2 下封頭制備

與上封頭一致，下封頭同樣選用整體熱壓沖型工藝，成型后采用正火（可調節冷卻時間）配合回火熱制備流程?；貜S后，對封頭的內側進行堆焊、接管部位進行組焊，經探傷檢測合格為標準。

1.3 筒節制備

因本裝置筒體直徑偏大，壁厚48～62 mm 不等，為保證筒節直線度，縱環縫坡口需采用刨邊機加工，控制對角線尺寸偏差小于2 mm。筒節需先拼接、后卷制，板材拼接時注意預留焊接縫，后續卷制時板材兩側還需預留出150 mm的直頭（在筒身合口之后再去除），以確保筒節卷制的彎曲度合格。筒身合口之前，需測量卷制后的筒身周長，以保障筒節成型后直徑規格與設計參數相符。

1.4 錐體的制造

本裝置包括兩節錐體，錐體為翻邊形式，選用“分瓣組裝+組焊成型”方式制備。成型后的錐瓣，需要與對應的主材12Cr2Mo1R 元件一同經熱處理。

2 制造難點與工藝質控措施

2.1 焊接難點

12Cr2Mo1R 材料的性質非常特殊，存在淬硬傾向，在熱制備條件下極易發生裂痕，因此焊接工作需要重點把控預熱環節、熱制備環節以及焊后去應力熱處理環節的焊接溫度。

2.1.1 預熱

預熱環節的作用主要是為避免鋼材發生焊接冷裂痕與再熱裂痕[2]，預熱溫度需要根據所用鋼材的碳當量、焊接接頭的拘束度以及焊接部位的氫含量來確定。針對12Cr2Mo1R 鋼材，為避免出現氫致裂痕，需要調節較高的預熱，同時不能超過馬氏體轉變結束點的臨界值Mf（表2）。

表2 國內外標準中對于12Cr2Mo1R 鋼材的建議預熱溫度

2.1.2 熱制備與消氫環節

API RP 934-A—2019 標準中，12Cr2Mo1R 鋼材的熱制備工藝為593 ℃條件下，持續制備2 h，最低消氫溫度為300 ℃。我國普遍采用的消氫工藝，在300～350 ℃持續制備2 h，但只適用于厚度偏薄的接管環形焊接與純角焊接。而針對脫硫反應器的熱制備，需要保持620 ℃條件下持續制備2 h。如果鋼材厚度大于100 mm，則持續制備時間不能少于4 h。

熱制備環節的熱電偶應至少布設4 個，布設如圖2 所示，其中L 為接頭的厚度。

圖2 熱制備環節中熱電偶的布設

2.1.3 焊后去應力熱處理

12Cr2Mo1R 鋼材在焊接完成之后，需要進行焊后熱處理，這一步主要是為清除焊接殘留的應力，優化接頭部位的力學性質，減少由于溫度驟變而引起的焊接裂縫與硬化組織。當前，針對12Cr2Mo1R 鋼材的焊后熱處理，主要采用調節回火參數［P］的處理工藝，690±14 ℃持續處理8～10 h，此時回火參數約為20.13，滿足12Cr2Mo1R 鋼材回火參數［P］的標準范圍（20～20.5）。

2.2 分配盤的堆焊

分配盤的堆焊作業即為管板部位的堆焊，如果分配盤使用環形帶極堆焊方式，那么其堆焊的焊口分為內、外兩部分，需要注意不同焊口的焊接速度，盡量保持一致，同時在焊接之前需要調整好焊機的轉速，不同直徑的焊口需選擇適宜的堆焊方法。當前對于分配盤部位的堆焊主要有以下3 種方法[3]：

（1）方法1：焊口直徑小于500 mm 時，焊機需平行或垂直于焊點部位，然后盤旋堆焊，將焊口調整為直徑500 mm 的圓，再以環形方向焊接、層層堆焊剩余部分。焊接全程需使用帶極電渣焊。

（2）方法2：使用帶極電渣焊以環形方向進行堆焊，將焊口調整為直徑小于300 mm 的圓，之后換用熔化極氣體保護焊或電弧焊，將焊機平行或垂直于焊點，盤旋堆焊剩余焊口。

（3）方法3：加裝環形擋焊支架，使用帶極電渣焊，將焊機平行或垂直于焊點，盤旋堆焊全部焊口。堆焊結束之后拆除擋焊支架。

2.3 焊縫置換

上、下封頭部位的焊縫置換十分關鍵，必須保證原有焊肉被全部剔除干凈，同時坡口部位的尺寸需要符合成型封頭的拼裝與焊接，封頭的最終形狀需達到GB 150—2011《壓力容器》的設計標準。

為避免封頭部位發生變形問題，可在焊縫置換前加裝防變形支架（圖3）。根據直邊段部位的取樣檢測結果，確定封頭處熱制備受影響區域，清除原有焊肉與熱制備受影響區域的焊肉之后，封頭坡口部位如圖4 所示。

圖3 封頭置換防變形工裝示意

圖4 去除原焊縫和熱影響區后的焊縫坡口

為避免置換后的焊縫出現變形，可將全部焊縫均分成數段，先從中間部位開始，逐步向兩端置換。置換過程中注意焊縫的坡度需保持一致，置換結束后封頭的坡口不能小于原有尺寸。

整個置換流程為[4]：預熱處理（溫度控制在180～200 ℃）→清除中間部位的原焊肉與熱制備影響區焊肉→檢查焊縫坡度→焊接中間部位→清除兩端部位的原焊肉與熱制備影響區焊肉→檢查焊縫坡度→焊接剩余部位→焊縫實施熱制備與消氫（620 ℃條件，持續制備2 h）→翻面→預熱處理（溫度控制為180～200 ℃）→另一面，清除中間部位的原焊肉與熱制備影響區焊肉→檢查焊縫坡度→焊接中間部位→清除兩端部位的原焊肉與熱制備影響區焊肉→檢查焊縫坡度→焊接剩余部位→焊縫實施熱制備與消氫（620 ℃持續制備2 h）→打磨（符合設計尺寸）→進行無損檢測（MT、UT、RT、VT 或DT）。

3 結束語

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。