S-Zorb脫硫反應器錐體制造工藝與質量控制

崔顯華，馬眾穎

(1.山東齊魯石化機械制造有限公司，山東 淄博 255400；2. 中化環境科技工程有限公司，北京 100071)

0 引言

S-Zorb脫硫技術最先由美國Phillips石油公司研發，后被中國石化整體收購，由中國石化工程建設公司(SEI)等單位經過攻關實現技術再創新的S-Zorb催化加氫轉化脫硫技術，裝置主要靜設備包括脫硫反應器、再生器和吸附進料換熱器。S-Zorb(催化汽油吸附脫硫)技術消耗氫量相比其他脫硫技術低、脫硫率高且辛烷值損失小的特點，具備直接產出硫含量低于10 μg/g的超低硫汽油，對我國對因汽車尾氣排放造成的大氣污染具有很好的改善作用，對我國的油品質量升級起到重要作用[1]。

脫硫反應器是S-Zorb催化汽油吸附脫硫裝置的核心靜設備。頂部設置過濾器，通過接管焊接連接與反應器接收器和還原器組合在一起，錐體上方通過橫梁懸掛反吹氣體聚集器。反應器錐體是反應器主體的主要結構之一，結構復雜、制造難度較大，因此是同類產品生產中在制造工藝和質量控制方面需要著重進行管理的節點之一[2]。

1 脫硫反應器錐體制造要點

反應器錐體主體材料為鉻鉬鋼[12Cr2Mo1R(H)]。12Cr2Mo1R(H)鋼板在焊接過程中非常容易產生淬硬組織(馬氏體)減小金屬的塑性儲備，而且反應器錐體厚，焊接量大、焊縫多，焊接殘余應力使焊縫受拉，同時焊接接頭金屬內含有較多原子態的氫。焊縫焊接量大、焊接殘余應力和氫三者共同作用使焊縫在冷卻至馬氏體轉變溫度Ms點(200～300 ℃)以下產生冷裂紋，因一般是在焊后一段時間(幾小時、幾天甚至更長)才出現，故又稱延遲裂紋。在焊接后進行中間消除應力熱處理時，焊接接頭再次處于高溫(550～650 ℃)下。焊接熱影響區的過熱粗晶區產生晶界開裂(沿晶開裂)的再熱裂紋。基于上述的淬硬性和冷裂傾向，因此在焊接時要按照工藝評定合理選擇焊接參數，并采用合適的溫度預熱和后熱，采取保溫措施減小冷卻速度，焊接過程中控制電流和電壓，防止過高焊接熱量輸入[3]。若預熱溫度過高和焊接電流過大，會造成焊縫熱影響區和過熱區的組織脆化，設備長期在350～500 ℃下運行易發生回火脆性，造成不可預估的影響。

鑒于以上特點，設備錐體的分瓣壓制、組裝成型、焊接是設備制造的關鍵。要嚴格控制設備錐頂和錐底的內徑、橢圓度以及錐體整體的直線度等公差，同時錐體的分瓣壓制熱處理工藝方法對確保設備質量也很關鍵。

2 脫硫反應器錐體制造工藝

脫硫反應器錐體成型后最小厚度為92 mm,大端內徑4620 mm，小端內徑2450 mm，總高度3138.3 mm，具體尺寸如圖1所示。

圖1 脫硫反應器錐體詳圖

2.1 錐體瓜瓣下料控制

先下出每張鋼板的復驗樣坯，并做好對應的標記移植及標識，復驗樣坯氣割后進行材料復驗和性能試驗，試驗合格后方可進行后續工作。在錐體鋼板無損檢測、復驗合格后，進行后續切割下料。根據錐體下料排料圖中的尺寸要求先劃線，并做好對應的標記移植及標識，做好每個瓜瓣的編號標記，保持對照性和可追溯性，并經檢驗人員驗收，確認合格后氣割。氣割工藝要求如下：板坯氣割下料割口應平滑，表面粗糙度小于Ra25，不得有尖銳缺口，割完后應立即打磨去除溝槽，同時打磨去除鋼板的棱邊和切割處的氧化物。錐體板坯在割面還應對割口按NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》進行100%MT檢測，Ⅰ級合格。

2.2 錐體瓜瓣成形控制

按錐體規格尺寸準備上下模具及工裝，按圖紙要求及 GB/T 25198—2010 《壓力容器封頭》標準制作單片樣板，樣板輪廓曲線尺寸偏差≤0.5 mm。沖壓成形：設備采用12500 t 油壓機，壓制前上模具必須打磨干凈，無影響錐體瓜瓣成形質量的各種缺陷。成形要采取防劃傷措施，錐體瓜瓣采用熱壓一次壓制成型，進行精校形。錐體瓜瓣成形后應放在平整的場地，瓜瓣要單獨擺放，不要摞起一起，以防劃傷、瓜瓣變形。錐體瓣片坯料裝爐，坯料離爐底距離應大于300 mm，以保證錐體坯料加熱溫度均勻。錐體瓣片裝入爐內在有效加熱區內，火焰禁止噴射到毛坯上，坯料標識要朝外，并檢查是否清晰完整，錐體瓣片裝爐后應核對確認后方可加熱。

2.3 錐體預組裝與組裝質量控制

分瓣壓制的殼體瓜瓣，按照技術條件要求對封頭幾何尺寸進行檢驗，預組裝后用樣板檢查形狀偏差及間隙。錐體成型后表面不得有深度≥0.5 mm的壓痕，深度＜0.5 mm的壓痕應打磨圓滑過渡，修磨范圍的斜度至少為1∶3。壓制完畢的瓜瓣采用檢測合格的樣板進行檢測，合格后切割去除瓜瓣縱縫邊余量，按圖紙要求切割瓜瓣間的縱縫坡口，氣割要求同上所述，在氣割后打磨去除割淬硬層且符合MT要求。將切割后的瓜瓣進行預組裝，預組裝時所有拼縫應以內壁齊平，要求坡口處間隙0～2 mm，焊縫錯邊量＜2.4 mm，尺寸滿足工藝要求。對瓜瓣進行編號，編號標注在瓜瓣外表面明顯位置。如坡口尺寸未滿足要求，可采用重新局部打磨坡口的方法解決；如焊縫錯邊量未滿足要求，采用在工裝模具上局部調整的方法，使其達到圖1錐體詳細尺寸要求。

分瓣壓制成形的殼體瓜瓣預組裝后，以圖紙精加工線處的內直徑為對接基準，在精加工線處分別實測等距離分布的8個內直徑，取其平均值，內直徑應滿足+3～+5 mm，且 8 個內徑最大值與最小值之差≤15 mm。測量圖紙精加工線處的直徑符合圖紙要求。測量瓜瓣間縱縫處的焊縫錯邊量，要求對口錯邊量＜2.4 mm，并將錯邊量記錄在預組裝圖上。用檢測樣板進行檢測殼體內、外表面的形狀公差，檢查時應使樣板垂直于待檢測面，其形狀應符合以下要求：樣板與封頭外表面的最大間隙：其最大間隙不得大于15 mm。樣板輪廓曲線尺寸的極限偏差：按 GB/T 1804—2000 《一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差 標準》中的 m 級的規定。檢查成形后封頭瓜瓣的厚度，要求每件瓜瓣至少均布測量5處，最小厚度應滿足圖樣的規定，測量點還應符合GB/T 25198—2010《壓力容器用封頭》的要求。錐體預組裝尺寸檢查合格后，分別進行標識、編號，同時將標識、編號繪制在預組裝圖上，檢查瓜瓣的編號標記清晰，與預組裝圖一致。圖2為最終焊接成型的錐體，經過檢驗，符合設計尺寸要求，待進行焊后的熱處理。

圖2 最終焊接成型錐體實物

3 錐體焊接熱處理工藝與質量控制

3.1 熱處理工藝設計

錐體正式焊接之前應按NB/T47014—2011 《承壓設備焊接工藝評定》進行焊接工藝評定，試板焊接溫度的控制要嚴格按焊接規范執行，主要是焊前的預熱、焊接層間溫度的控制和焊后消氫或焊后消應力熱處理。焊前預熱溫度為200～250 ℃，層間溫度≤300 ℃且不低于預熱溫度，焊接完成后在300～350 ℃溫度下消氫3 h，保溫緩冷。焊后消應力熱處理按升溫速度55～65 ℃/h至640～660 ℃保溫4 h緩冷。對錐體焊接時，錐體所有縱焊縫應同時進行焊接，避免焊接不同步造成收縮變形。錐體焊接采用整體加熱，定時測量板材和焊縫間的溫度，避免產生溫差，同時焊接過程采取局部加熱的方法使錐體保持在預熱溫度范圍內。焊后立即消氫或進爐進行中間消應力熱處理，避免產生延遲裂紋。

3.2 焊接過程的熱處理

脫硫反應器在整個制造過程中，設備錐體焊接接頭應進行多次熱處理，主要熱處理如下：焊后消氫處理(DHT)、中間消除應力熱處理(ISR)、最終焊后熱處理(PWHT)。消氫處理一般按350 ℃至少2 h。若焊后直接進行中間消除應力熱處理，可直接省去消氫處理過程。中間焊后熱處理的主要目的是消除焊接內應力，應注意以下方面：(1)接頭焊后若未進行消氫處理，則應立即進行中間焊后熱處理；若無法立即進行中間焊后熱處理，該處理零(部)件和焊接接頭溫度應一直保持在預熱狀態，溫度＞150 ℃。(2)中間消除應力熱處理推薦溫度為620 ℃，保溫時間不宜小于2 h。由于此時設備未全部成型，零部件結構約束較小，為防止產生過大變形，應采用低溫裝爐，應嚴格控制升溫速度和熱處理溫度。

3.3 焊后最終熱處理

脫硫反應器錐體的最終熱處理溫度推薦為690 ℃±14 ℃時間為8 h，最終熱處理是整個制造過程中質量控制相當重要的工序，必須在反應器錐體所有的焊接工作全部完成，并經檢驗合格確認不再施焊之后方可進行。每條縱焊縫至少布置2支熱電偶(1支在內表面、1支在外表面)來測量金屬實際溫度。任何一支熱電偶的讀數不得超過690 ℃±14 ℃，同時應用連續式記錄儀記錄溫度變化。對于脫硫反應器錐體來說，最終熱處理不僅是消除焊接應力、結構應力，更是需要通過最終熱處理以獲得最佳的母材、焊縫的抗回火脆化性能和優秀的力學性能。

4 錐體制造過程的質量控制

脫硫反應器錐體生產制造工藝復雜，產品自身質量要求高，且材質選材特殊，無損檢測必須貫穿從材料采購、入廠檢驗、投料施工直到設備交付的整個過程，無損檢測需按NB/T 47013—2015運用各種檢驗方法和手段，來確保產品整體質量滿足設計和使用要求。如母材、焊材等原材料的化學成分檢驗和力學性能檢驗，包括X、J系數確認、步冷試驗等，同時產品焊接試板的檢驗、試驗和焊縫化學成分實物抽查應符合設計要求。圖3為檢驗人員對錐體的焊縫進行化學成分檢驗，確保焊縫成分滿足焊接工藝規程的要求。

圖3 焊縫化學成分檢驗

5 結語

脫硫反應器的用材12Cr2Mo1R(H)比較特殊，結構比較復雜，制造過程中容易出現問題。應嚴格按照標準和設計制造技術條件要求執行，為S-Zorb裝置的穩定運行、產出合格的產品和保障設計使用年限提供基礎保障。