李 艷（中國石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工機(jī)械廠 南京 210048）

P T A鍛焊反應(yīng)器的制造

李 艷
（中國石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工機(jī)械廠 南京 210048）

本文對(duì)PTA裝置上的大型鉻鉬鋼鍛焊反應(yīng)器,在制造過程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹：控制材料的化學(xué)成分提高鉻鉬鋼材料的抗回火脆化能力；采用先進(jìn)的冶煉工藝和鍛造技術(shù)保證大型鍛件的質(zhì)量；優(yōu)化鉻鉬鋼封頭正火熱處理中的冷卻工藝來保證材料的性能指標(biāo)；采用合理的焊接工藝，既保證了厚壁環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量，又降低了制造成本；優(yōu)化堆焊工藝，保證了反應(yīng)器內(nèi)壁的堆焊質(zhì)量；正確選擇熱處理規(guī)范，對(duì)鉻鉬鋼壓力容器至關(guān)重要。

PTA反應(yīng)器 材料 成形 焊接 熱處理

隨著國內(nèi)化工裝置規(guī)模的不斷升級(jí),推動(dòng)了化工裝備的大型化，鍛焊結(jié)構(gòu)也更多地被采用。筆者公司在2013年為某石化公司PTA主裝置承制了一臺(tái)精制反應(yīng)器（以下簡(jiǎn)稱反應(yīng)器），其結(jié)構(gòu)為鍛焊形式，即中間筒體部分為筒形鍛件，上、下封頭為用板材沖壓成形的球形封頭，設(shè)備的總體長度為25300mm，直徑為4300mm，筒體壁厚達(dá)到180mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器主材為SA387 Gr11級(jí)。由于反應(yīng)器的直徑較大、壁厚較厚，Cr-Mo鋼材料的回火脆化敏感性及焊接性能需要在材料、成形、焊接、熱處理等方面進(jìn)行控制和工藝的優(yōu)化，以保證反應(yīng)器的制造質(zhì)量。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

反應(yīng)器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為JB 4732-1995《鋼制壓力容器-應(yīng)力分析設(shè)計(jì)》；材料選用標(biāo)準(zhǔn)為ASEM SA-387/SA-387M、ASEM SA-336/SA-336M；制造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》、 工程標(biāo)準(zhǔn)《鍛焊式結(jié)構(gòu)PTA精制反應(yīng)器制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》、TGS R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)檢查規(guī)程》。

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主體材料的選用

2.1 殼體材料的選用

●2.1.1 材料標(biāo)準(zhǔn)的選用

上下封頭為ASME SA387 Gr11 Cl2板材，筒體材料為ASME SA336 Gr F11 Cl3鍛件。

若筒體、球形封頭采用相同材料，通過強(qiáng)度計(jì)算，筒體厚度約是球形封頭厚度的兩倍，筒體所用SA336 Gr F11 Cl2鍛件的強(qiáng)度要低于封頭所用SA387 Gr 11Cl2板材的強(qiáng)度。兩者厚度相差較大，不僅影響反應(yīng)器的制造，而且對(duì)反應(yīng)器的安全運(yùn)行帶來一定影響。因此采用提高筒體鍛件材料級(jí)別的方法，選用強(qiáng)度較高的 SA336 Gr F11 Cl3鍛件，以減薄筒體厚度，縮小筒體與封頭的厚度差。

●2.1.2 材料回火脆化敏感性

鉻鉬鋼材料長期服役于325～565℃或在此溫度區(qū)內(nèi)緩冷，當(dāng)處于環(huán)境溫度時(shí)，出現(xiàn)的金屬脆化現(xiàn)象稱為回火脆化?；鼗鸫嗷憩F(xiàn)為材料的韌度變差，沖擊功明顯下降［1］。

選材時(shí)，應(yīng)對(duì)材料提出嚴(yán)格的化學(xué)成分要求。尤其是對(duì)有害元素磷、錫、銻和砷的含量應(yīng)該嚴(yán)加控制。許多研究資料表明：當(dāng)磷、錫、砷和銻等微量元素向原奧氏體晶界偏析時(shí)，就會(huì)發(fā)生脆化現(xiàn)象。錳、硅的成分則應(yīng)控制在一個(gè)適當(dāng)范圍內(nèi)。硅能夠提高材料強(qiáng)度，但又促使材料脆化。猛是強(qiáng)化元素，研究資料指出，在得到完全貝氏體組織的前提下，應(yīng)盡可能降低錳含量，以改善步冷后的韌度，即提高材料的抗回火脆化能力［1］。

研究表明，很多元素是相互作用影響著材料的回火脆性。目前采用X和J兩個(gè)特定回火脆化系數(shù)來反映鉻鉬鋼化學(xué)成分與材料回火脆性之間的關(guān)系：

J=(Si+Mn)(P+Sn)×104

X=(10P+5Sb+4Sn+As) ×10-2［2］

在本臺(tái)反應(yīng)器中，要求控制X≤15×10-6。

2.2 筒體鍛件的鍛造質(zhì)量的控制

反應(yīng)器筒體由5件筒節(jié)鍛件組成，單個(gè)筒節(jié)鍛件長度為3250mm，直徑為4300mm，壁厚為180mm，重約65t。作為大型鍛件因其尺寸大，工序多，周期長，工藝過程中不均勻，不穩(wěn)定因素多，所以造成組織性能嚴(yán)重不均勻，易產(chǎn)生較大程度的偏析，存在縱向與橫向、表面與心部的性能差別，并且有高的白點(diǎn)敏感性和回火脆性等問題。因此筆者根據(jù)以往的制造經(jīng)驗(yàn)，選擇可靠的鍛件制造商，并制訂嚴(yán)格的鍛件采購技術(shù)要求。

1)利用各種先進(jìn)技術(shù)與手段和采用合理的冶煉工藝。為了使鍛件獲得純潔、致密、均質(zhì)的金相組織和具有特殊要求的物理性能。要求鍛件坯料采用電爐或純氧頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉，再經(jīng)LF爐精煉，然后采用真空碳脫氧(VCD)進(jìn)行強(qiáng)化脫氧和脫氣，盡可能降低P、S、As、Sn、Sb、［H］、［O］、［N］等有害元素的含量，為保證鍛件質(zhì)量打下牢固基礎(chǔ)。筒體鍛件化學(xué)成分見表2。

表2 筒體鍛件的化學(xué)成分分析結(jié)果

3 制造

3.1 封頭的成形工藝

上下球形封頭均由厚度為112mm的SA387 Gr F11 Cl2寬幅整板壓制而成，這樣避免了封頭拼接焊縫,從而避免了焊接接頭在封頭熱成型及熱處理過程中性能降低，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

上下球形封頭均采用的是熱沖壓成形工藝，成形過程中應(yīng)嚴(yán)格控制封頭熱成形溫度，終壓溫度大于850℃。

表3 筒體鍛件的力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果

由于熱成形改變了材料的熱處理狀態(tài)，成形后必須對(duì)封頭進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理，即正火+回火熱處理。有文獻(xiàn)表明：Cr-Mo鋼大型封頭經(jīng)熱壓后，通過正常（空冷）加回火處理，力學(xué)性能仍不能合格。在正火的冷卻過程中采用水冷加速冷卻，可使各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均有較大提高，并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求［4］。因此，成形后封頭正火熱處理工藝采用了水冷加速冷卻的方式，經(jīng)過對(duì)同爐熱處理的母材試板的力學(xué)性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4，驗(yàn)證了熱處理后母材的各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求。

表4 母材試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 焊接工藝

●3.2.1 材料的焊接性能分析

根據(jù)材料的化學(xué)成分計(jì)算的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)，該材料具有較好的焊接性能，但是由于此類材料還是具有一定的冷裂傾向，且厚度較大，則必須有嚴(yán)格的措施來進(jìn)行保證，也就是焊前的預(yù)熱，焊接過程中的焊接規(guī)范的控制，焊接完成后的及時(shí)中間熱處理（ISR），嚴(yán)格有效的無損檢驗(yàn)，最終熱處理（PWHT）。

●3.2.2 主體焊縫的焊接

該設(shè)備主要采用手工電弧焊（SMAW）及窄間隙自動(dòng)跟蹤埋弧自動(dòng)焊（SAW）。

手工電弧焊（SMAW）主要用于縱、環(huán)焊縫的打底焊和接管與筒體及封頭的對(duì)接焊。焊材為E8018-B2。

窄間隙自動(dòng)跟蹤埋弧自動(dòng)焊（SAW）用于主體環(huán)焊縫的焊接。焊材為UnionCrMo+ UV 420 TTR。

使用窄間隙自動(dòng)跟蹤埋弧自動(dòng)焊，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及由于技能原因出現(xiàn)焊接缺陷的幾率大大降低，另外由于采用窄間隙坡口，熔敷金屬量減少三分之一上，很大程度上節(jié)約了焊接工作量和焊接材料的消耗，從而降低了制造成本，更重要的是由于熔敷金屬的減少，使得對(duì)焊接接頭，特別是對(duì)熱影響區(qū)的熱輸入大大降低，從而使焊接接頭的性能改善。焊接坡口形式如圖2所示。

圖2 焊縫坡口形式

對(duì)于主體焊縫，焊前預(yù)熱溫度控制在180～200℃，預(yù)熱范圍單邊不少于施焊部位厚度的3倍，外側(cè)加溫，內(nèi)側(cè)測(cè)溫，在焊接過程中，層間溫度始終保持不低于預(yù)熱溫度，且不高于300℃，盡量保證連續(xù)焊完，如有間斷，必須進(jìn)行中間熱處理，焊接完成后，立即進(jìn)行中間熱處理，以防處理不及時(shí)造成冷裂紋產(chǎn)生。

熱處理完出爐后48h，進(jìn)行無損檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容為：100%UT（JB/T4730-2005 Ⅰ級(jí)合格）、100%RT （JB/T4730-2005 Ⅱ級(jí)合格）、100%MT（JB/ T4730-2005 Ⅰ級(jí)合格）。

對(duì)于此類材料的焊接，在焊接工藝中應(yīng)對(duì)每道焊道的厚度進(jìn)行規(guī)定，手工電弧焊為1.5～2.0mm，埋弧自動(dòng)焊為3.0mm以內(nèi)。這是因?yàn)樵摬牧系睦淞褍A向較大，淬硬傾向大，后一道焊道可以對(duì)前一道焊道進(jìn)行后熱處理，從而細(xì)化晶粒，在一定程度上提高其韌性，如果焊道的厚度較大，后一道焊道對(duì)前一道焊道的處理深度則達(dá)不到，就不能達(dá)到處理效果。這在筆者單位曾經(jīng)的焊接試驗(yàn)中有過驗(yàn)證。

●3.2.3 設(shè)備內(nèi)部的堆焊

由于反應(yīng)器的介質(zhì)具有一定的腐蝕性，并由于氫的存在，對(duì)此類低合金鋼具有相當(dāng)?shù)挠捎跉鋼p傷造成的破壞，因此采用內(nèi)壁堆焊耐蝕層是必需的，并且堆焊的質(zhì)量直接影響到設(shè)備的安全使用。

對(duì)于設(shè)備上的內(nèi)徑大于150mm的接管內(nèi)壁的堆焊采用CO2藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)堆焊，內(nèi)徑150mm以下的接管采用氬弧實(shí)心焊絲堆焊。

首先堆焊前對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行100%MT檢驗(yàn)，合格后進(jìn)行預(yù)熱，溫度100～120℃，先進(jìn)行過渡層的堆焊，堆焊完畢，立即進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行100%PT檢驗(yàn)和100%UT檢驗(yàn)，合格后進(jìn)行耐蝕層的堆焊，堆焊結(jié)束后再進(jìn)行100%PT檢驗(yàn)和100%UT檢驗(yàn)。

對(duì)于上下封頭和筒體內(nèi)壁的堆焊則采用過渡層用埋弧帶極堆焊和耐蝕層用電渣帶極堆焊的方法進(jìn)行。

對(duì)于埋弧帶極堆焊，它的焊接效率較低，且由于是電弧焊，所以對(duì)母材的稀釋率較大，但對(duì)母材的熱影響較小。

電渣帶極堆焊，它的焊接效率較高，比埋弧帶極堆焊高約三分之一，但由于焊劑是導(dǎo)電的，在電阻熱的作用下形成熔融狀態(tài)渣池，帶極直接與渣池短路，對(duì)母材的熱影響很大，試驗(yàn)及在役設(shè)備檢驗(yàn)記載，其用于過渡層堆焊時(shí)，其氫剝離傾向發(fā)生率較高，但對(duì)母材的稀釋率較小，且焊道的成形美觀，缺陷率較低。

綜合兩種焊接方法的特點(diǎn)，所以過渡層采用埋弧帶極堆焊，耐蝕層采用電渣帶極堆焊的方法進(jìn)行。其堆焊順序和檢驗(yàn)方法與接管內(nèi)壁堆焊相同。

除無損檢驗(yàn)外，對(duì)于耐蝕層的化學(xué)成分還有一定的要求，這主要目的是為防止熱裂紋的產(chǎn)生。在最終熱處理后，從堆焊層以下3mm，表面層以下1mm取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，然后按照舍弗勒?qǐng)D進(jìn)行計(jì)算，其鐵素體含量應(yīng)在3%～10%之間。

3.3 熱處理工藝

1) 最大焊后模擬熱處理及最小焊后熱處理。前文所述，此類多元化合金強(qiáng)化材料，在多次熱處理情況下，材料的力學(xué)性能與原來的力學(xué)性能相比會(huì)發(fā)生變化，因此為檢驗(yàn)材料在熱加工及恢復(fù)性能熱處理、焊后熱處理后，材料的性能是否發(fā)生不滿足使用要求的變化，制定了最大焊后模擬熱處理規(guī)范（Max PWHT）：690±14℃×26+20h、最小焊后模擬熱處理規(guī)范（Max PWHT）：690±14℃×80-2h。對(duì)經(jīng)受過這樣熱處理的試件進(jìn)行各項(xiàng)機(jī)械性能試驗(yàn)，來驗(yàn)證材料的性能變化。對(duì)板材、鍛件、焊接材料，工藝評(píng)定試件，都必須預(yù)先進(jìn)行模擬焊后處理后的力學(xué)性能試驗(yàn)。

2) 中間熱處理及焊后熱處理。Cr-Mo鋼材料的壓力容器，焊后尚應(yīng)采取焊后保溫的消氫熱處理DHT或中間消應(yīng)力熱處理ISR和最終焊后熱處理PWHT等多種形式且又必需的熱處理，方能保證焊接接頭不開裂，并具有優(yōu)良的綜合性能。對(duì)Cr-Mo鋼進(jìn)行的最終焊后熱處理，不僅是消除殘余應(yīng)力，更是改善材料力學(xué)性能的重要手段［2］。

考慮到反應(yīng)器殼體壁厚較厚，環(huán)焊縫及接管與殼體焊縫焊接后均立即進(jìn)行中間消應(yīng)力熱處理，規(guī)范為625±10℃/4h。對(duì)于此類材料的焊后熱處理溫度成熟的工藝為690±14℃。保溫時(shí)間根據(jù)殼體壁厚計(jì)算為8h。另外對(duì)升溫和降溫速度及出爐溫度都有嚴(yán)格的控制。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)材料化學(xué)成分的控制，降低了材料回火脆化的傾向；通過采用先進(jìn)、合理的鍛造工藝及驗(yàn)收要求，保證了大型鍛件的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）通過對(duì)正火熱處理的封頭采用水冷加速冷卻的方式，保證了熱處理后的封頭各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）正確選擇主體焊縫的焊接方法，降低成本，提高生產(chǎn)效率；正確選擇內(nèi)壁堆焊方法，保證了堆焊層的質(zhì)量和成形外觀。

4）通過正確選擇熱處理規(guī)范，保證了母材及焊縫質(zhì)量。

1 楊光起.加氫反應(yīng)器用鉻鉬鋼回火脆性[J].石油化工設(shè)備，2001,30(5)：53～57.

2 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京:新華出版社,2005.

3 林楠.SA387Gr11.Cl2鋼拼焊大型封頭熱處理工藝試驗(yàn)[J].壓力容器，2007,28(60):57～58,62.

4 馬容忠.壓力容器焊接工藝評(píng)定過程中的問題[J].中國特種設(shè)備安全，2011,27(6):35～37.

Fabrication of Forge Welding PTA Reactor

Li Yan
( Sinopec Nanjing Chemical Industries Co., Ltd. Chemical Machinery Works Nanjing 210048 )

The article introduces several key techniques for fabrication of large Cr-Mo steel forge welding reactor in PTA unit. The chemical composition of material should be controlled to improve the antitempered embrittlement ability for Cr-Mo steel; the advanced smelting process and forging technique should be used to assure the large forging quality; the cooling process of normalization for Cr-Mo steel head should be optimized to assure the material property; the reasonable welding process should be used to assure the welding quality of thick wall circumferential seam and reduce the fabrication cost; the overlay welding process should be optimized to assure the overlay welding quality in inner surface of reactor. Finally, it is very important for the Cr-Mo steel pressure vessel to use the proper heat treatment procedure.

PTA reactor Material Forming Welding Heat treatment

X933.4

B

1673－257X(2014)07－34－05

李艷（1974～),女，工程師，從事壓力容器制造工作。

2014－05－04）