張劉偉 王常青（南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036）

3.5Ni鋼超限低溫塔器分段制造及現(xiàn)場(chǎng)組焊監(jiān)造要點(diǎn)

張劉偉 王常青（南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036）

3.5Ni超限塔器由于條件限制，需要廠內(nèi)分段制造，現(xiàn)場(chǎng)立式組焊合攏。本文概述了廠內(nèi)分段制造和現(xiàn)場(chǎng)立式組焊的監(jiān)造要點(diǎn)。

3.5Ni鋼；低溫塔器；分段制造；立式組焊

低溫甲醇洗洗滌塔是某尿素項(xiàng)目低溫甲醇洗裝置的關(guān)鍵低溫塔器，系超高型層板式塔器。受運(yùn)輸條件限制分四段制造，現(xiàn)場(chǎng)立式組焊，同時(shí)厚壁板對(duì)材料、封頭和筒體成型、焊接要求高，以及分段制造對(duì)塔盤支持圈水平度的不利影響增加了制造和檢驗(yàn)難度。塔器制造遵循的標(biāo)準(zhǔn)有：NB∕T47041-2014《塔式容器》、HG∕T20652-1988《塔器設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，制造及檢驗(yàn)按照NB∕T47041-2014《塔式容器》、HG∕T20584-2011《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》、NB∕T47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》、ASME SA-203《壓力容器用鎳合金鋼板》。該塔器分段制造及現(xiàn)場(chǎng)立式組焊均由南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司實(shí)施監(jiān)造。

1 設(shè)備概述

1.1 設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

⑴設(shè)備外形結(jié)構(gòu)如圖1

⑵設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見表1

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

上段筒體、上下球形封頭主要受壓元件板材采用SA203Gr. E，是按照ASME標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的一種低溫鋼，ω（Ni）=3.5%，故將此鋼材歸為3.5Ni鋼，最低使用溫度-101℃[1]，下段筒體主要受壓元件板材采用GB3531-2008 09MnNiDR，最低使用溫度-70℃。

⑶設(shè)備分段規(guī)格及重量見表2

表2 分段規(guī)格及重量

1.2 設(shè)備制造技術(shù)要求

⑴SA203Gr.E板材以正火+回火狀態(tài)供貨，符合TSG R0004-2009中對(duì)進(jìn)口鋼材的各項(xiàng)要求；并逐張進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)檢查，質(zhì)量等級(jí)不低于II級(jí)。板材應(yīng)逐張(T∕2處)進(jìn)行-101℃夏比低溫（V形缺口）沖擊試驗(yàn)（取樣為橫向），三個(gè)試樣平均沖擊功KV2≥34J,允許其中一個(gè)沖擊功小于34J，但不得小于24J。

09MnNiDR板材須滿足GB3531-2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》的要求，以正火+回火狀態(tài)供貨。鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，不低于II級(jí)；板材應(yīng)逐張(T∕2處)進(jìn)行-70℃夏比低溫（V形缺口）沖擊試驗(yàn)，三個(gè)試樣平均沖擊功KV2≥27J,允許其中一個(gè)沖擊功小于27J，但不得小于20J。鋼板投入使用前，在最大模擬焊后熱處理狀態(tài)下進(jìn)行化學(xué)成份、力學(xué)性能復(fù)檢，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

⑵A、B類焊接接頭100%RT檢測(cè)，符合NB∕T47013.2-2015 II級(jí)，且在熱處理前、后及水壓試驗(yàn)后100%UT檢測(cè)，符合NB∕T47013.3-2015 I級(jí)。A、B、D、E類焊縫在熱處理前后100MT∕PT檢測(cè)，I級(jí)合格。

⑶塔體任意3000mm筒體長度直線度偏差≤3mm，塔體整體直線度偏差≤30mm；塔盤支撐圈安裝水平度偏差≤5mm，支撐圈上表面在300mm弦長上的局部平面度公差1mm。

圖1

2 廠內(nèi)分段制造質(zhì)量控制

2.1 材料驗(yàn)收

按照TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定壓力容器主要受壓元件范圍，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議，對(duì)設(shè)備主要受壓元件的質(zhì)量證明書進(jìn)行審查，包括力學(xué)性能、化學(xué)成分、低溫沖擊功、交貨熱處理狀態(tài)（鍛件需審查熱處理曲線圖）、無損檢測(cè)等項(xiàng)目是否齊全并符合要求；并核對(duì)材料供貨商（如有要求）。同時(shí)制造廠應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求的方式和項(xiàng)目，對(duì)入廠原材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

2.2 封頭成型及熱處理

封頭分片（頂圓+6片瓜瓣）下料，封頭SA203Gr.E板材以正火+回火狀態(tài)供貨，封頭瓜片熱壓成型的加熱過程(壓制溫度900℃，終壓溫度700℃)破壞供貨態(tài)鋼板的微觀組織結(jié)構(gòu)，尤其是熱壓過程中材料晶粒的嚴(yán)重長大,會(huì)導(dǎo)致低溫沖擊功的下降，需按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瓜片重新進(jìn)行正火（850℃，保溫1.5h）+回火熱處理（620℃，保溫3.5h），同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求母材試板同爐熱處理，并對(duì)母材試板進(jìn)行力學(xué)性能和-101℃的低溫沖擊試驗(yàn)，性能滿足原母材要求。瓜片成型尺寸及外觀質(zhì)量按照GB12337驗(yàn)收，與樣板間隙≤3mm，長寬方向弦長偏差≤2mm，對(duì)角線弦長偏差≤3mm；瓜片二次下料火焰切割，碳弧氣刨過程中，因急速加熱和冷卻以及局部的化學(xué)反應(yīng)，在刨削表面及臨近區(qū)產(chǎn)生增碳現(xiàn)象和熱影響區(qū)，因此必須打磨清除淬硬層和熔渣，并經(jīng)100%MT檢測(cè)，避免由此產(chǎn)生的焊接缺陷。封頭組對(duì)控制錯(cuò)邊量≤5mm，棱角度≤5mm，大端直徑與筒體相配，以控制合攏環(huán)縫錯(cuò)邊量。

2.3 筒節(jié)卷制

筒節(jié)縱縫棱角度E標(biāo)準(zhǔn)要求為（δs∕10+2）mm，且不大于5mm，故厚壁筒節(jié)卷制時(shí)先進(jìn)行壓頭預(yù)彎，然后按照中徑展開周長二次下料后滾圓、組焊縱縫、校圓，控制單個(gè)筒節(jié)E≤5mm，內(nèi)徑?4200±5mm，圓度≤20mm?？v縫焊接時(shí)，焊接試板同時(shí)施焊。

2.4 塔體總長

塔體總長的質(zhì)量控制分為兩個(gè)部分：

⑴基礎(chǔ)環(huán)底面至塔釜封頭與塔殼連接焊縫的距離，NB∕T47041-2014要求：每1m為±2.5mm且不超過±6mm[2]。廠內(nèi)制造時(shí)一般通過下封頭與裙座過渡段先行組焊，最終調(diào)節(jié)裙座合攏環(huán)縫的辦法控制，且控制為負(fù)偏差內(nèi)，這樣做是為現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)基礎(chǔ)環(huán)底部找平提供調(diào)整余量。

⑵塔體上、下兩封頭焊縫之間的距離（L），NB∕T47041-2014要求：每1m為±1.3 mm，當(dāng)L≤30m時(shí)，不超過±20mm；當(dāng)L＞30 m時(shí)，不超過±40mm[2]。分段制造時(shí)，此長度通過控制單段筒體長度來實(shí)現(xiàn)，各段預(yù)留端口一節(jié)筒節(jié)根據(jù)本段其余筒節(jié)環(huán)縫組焊后實(shí)際長度調(diào)整下料，以保證單段筒體長度符合分段工藝。

2.5 筒體直線度

塔體直線度取標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求最小值，每3000mm偏差≤3 mm，塔體整體直線度偏差≤30mm；制造過程中每3節(jié)筒體（約6～8m）組對(duì)成一小段后，就需要測(cè)量筒體直線度，最終每段合攏時(shí)，在合攏縫組對(duì)及焊后都需測(cè)量直線度，并盡量控制在最小值。直線度沿筒體4條定位母線（即0°、90°、180°、270°）測(cè)量。

2.6 塔盤支持圈水平度

塔盤的水平度直接影響工藝操作特性及效率，塔盤水平度又直接受塔盤支持圈制造水平度的影響，因此塔盤支持圈水平度的質(zhì)量控制在塔器監(jiān)造檢驗(yàn)中尤為重要。塔盤支持圈水平度在廠內(nèi)制造中的控制要點(diǎn)：

⑴基準(zhǔn)圓的質(zhì)量控制

基準(zhǔn)圓是塔盤支持圈劃線的依據(jù)，是塔盤支持圈水平度質(zhì)量控制的關(guān)鍵；廠內(nèi)制造時(shí)，分段筒體的最下端單節(jié)筒節(jié)在校圓并打支撐后，車床車制環(huán)縫坡口，以保證下端口水平度；在每段筒體環(huán)縫組焊完成后，以下端口坡口為基準(zhǔn)，向上1000mm在筒體內(nèi)外劃基準(zhǔn)圓，并做永久性標(biāo)記。同時(shí)，每段筒體在0°、45°、90°等8個(gè)間距45°方位測(cè)量實(shí)際長度，最大長度和最小長度經(jīng)上端口修磨后控制在2mm范圍內(nèi)。

⑵塔盤支持圈劃線

以基準(zhǔn)圓線為基礎(chǔ)劃各支撐圈上表面裝配定位線，為減少劃線尺寸誤差，鉚工劃線和監(jiān)造檢查，必須采用同一把經(jīng)檢定合格的50m盤尺測(cè)量，每層塔盤在經(jīng)0°、45°、90°等至少8個(gè)方位測(cè)量合格后，允許進(jìn)行支持圈的裝配。

⑶塔盤支持圈組焊

塔盤支撐件按照劃好的安裝線進(jìn)行組裝，焊接后及熱處理后進(jìn)行校正，最終保證塔盤支撐圈安裝水平度偏差≤5mm，支撐圈上表面在300mm弦長上的局部水平度偏差≤1mm。

2.7 焊接質(zhì)量控制

09MnNiDR和SA203Gr.E同屬含Ni低溫鋼。低溫鋼焊接時(shí)，除了要防止出現(xiàn)裂紋外，關(guān)鍵是要保證焊縫和熱影響區(qū)的低溫韌性。熱影響區(qū)韌性主要是通過控制焊接熱輸入，而焊縫韌性除了與熱輸入有關(guān)外，還取決于焊縫成分的選擇[3]。因此廠內(nèi)焊接時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)的質(zhì)量控制：⑴選擇正確的焊接材料；⑵嚴(yán)格控制焊接熱輸入量和層間溫度，以避免焊接接頭過熱和晶粒長大，保證接頭的低溫韌性。制造廠主焊縫選用焊接材料見表3

表3 制造廠選用焊材

2.8 焊后熱處理質(zhì)量控制

焊后熱處理是低溫設(shè)備制造的重要工序，其主要作用有：⑴降低焊接殘余應(yīng)力；⑵改善焊縫和熱影響的組織形態(tài),提高焊接接頭的低溫韌性；⑶降低焊接接頭的淬硬傾向；⑷恢復(fù)鋼材因冷成形所造成的韌性損失[4]。監(jiān)造人員應(yīng)在熱處理之前，審核制造廠熱處理工藝，熱電偶的布置要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)出爐溫度、升溫降溫速度、保溫溫度及時(shí)間應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并和焊接工藝評(píng)定相符。熱處理完成后，監(jiān)造人員應(yīng)審查熱處理曲線和工藝的一致性；檢測(cè)母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)硬度，并通過焊接試板的力學(xué)性能和低溫沖擊功試驗(yàn)驗(yàn)證熱處理效果。

2.9 分段出廠質(zhì)量控制

分段發(fā)貨設(shè)備應(yīng)在包括端口、大直徑開孔等位置采取加固支撐，防止筒體運(yùn)輸中變形；分段處4條定位母線處應(yīng)做永久性標(biāo)記并標(biāo)注角度，方便現(xiàn)場(chǎng)合攏，同時(shí)距焊口50mm內(nèi)應(yīng)涂一層可焊性防腐涂料。

3 現(xiàn)場(chǎng)立式合攏組焊質(zhì)量控制

3.1 立式組對(duì)

現(xiàn)場(chǎng)立式組對(duì)要兼顧設(shè)備整體垂直度和塔盤支撐圈水平度。組對(duì)時(shí)可通過調(diào)整對(duì)口間隙保證垂直度，垂直度的測(cè)量，應(yīng)在互成直角的兩個(gè)方向上架設(shè)兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行,且應(yīng)避免在受陽光照射和大風(fēng)天氣下進(jìn)行，定位焊必須在監(jiān)造人員確認(rèn)垂直度合格后進(jìn)行，并采用水平管復(fù)測(cè)塔盤支持圈平面度。焊接過程中用同樣方法對(duì)垂直度進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)整。

組對(duì)上、下端口4條定位母線應(yīng)對(duì)齊，周向偏差不大于5mm，用周向布置的龍門卡具調(diào)整錯(cuò)邊量至滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 合攏縫焊接

現(xiàn)場(chǎng)高空焊接工人勞動(dòng)條件差，且焊接質(zhì)量受低溫、風(fēng)雨天氣等不利條件影響，焊接質(zhì)量控制較廠內(nèi)更為重要。筆者以焊接性較差的SA203Gr.E鋼材合攏縫焊接為例論述。

⑴焊接方法及焊材

現(xiàn)場(chǎng)采用立式組焊，合攏環(huán)縫只能采用橫焊位置的焊條電弧焊。

對(duì)于低溫鋼板選用焊材必須保證焊縫含有最少的有害元素（P、S、O、N等），同時(shí)焊縫金屬的拉伸性能和低溫沖擊功應(yīng)高于母材下限值，制造廠選用焊條OE-CRYO 87（瑞士奧林康，相當(dāng)于AWS A 5.5 E7016-C2L），性能滿足要求。

⑵預(yù)熱和消氫

根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式：

SA203Gr.E計(jì)算CE≤0.4%，可焊性好；同時(shí)3.5Ni鋼含碳量低，其他合金元素的含量也較少，故其淬硬傾向和冷裂傾向比較小，因而具有良好的焊接性能，一般可不預(yù)熱或用較低的預(yù)熱溫度來進(jìn)行焊接[1]?，F(xiàn)場(chǎng)施工由于板厚較厚（90mm）導(dǎo)致拘束度較大及高空作業(yè)低溫環(huán)境焊接，需要一定的預(yù)熱溫度和焊后消氫。

⑶焊接參數(shù)

為了避免形成粗晶組織而降低低溫韌性，焊接選用細(xì)直徑焊條（?3.2mm∕4.0mm），采用小電流快速多層多道焊以減小焊道過熱，并通過多層焊的重復(fù)加熱作用細(xì)化晶粒。

制定焊接工藝參數(shù)如表4

表4 焊接工藝參數(shù)

⑷焊接技術(shù)要求

①、高空作業(yè)采取搭建防風(fēng)防雨棚等有效防護(hù)措施，同時(shí)做好焊條烘干、保溫控制，隨用隨取，盡量避免不利天氣因素對(duì)焊接的影響；

②、采用4名焊工均布且同步施焊，以減少焊接變形對(duì)塔體垂直度的影響；一條焊縫盡量一次焊接完成，過程中因?yàn)樘鞖獾仍蛲r(shí)，要及時(shí)消氫，再次焊接時(shí)亦嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)熱要求；

③、焊條盡量不擺動(dòng)，并且各層焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開；

④、低溫設(shè)備不允許咬邊存在，蓋面層采用Φ3.2mm焊條可予以避免并獲得較好的焊縫外觀。

⑸局部熱處理

現(xiàn)場(chǎng)合攏環(huán)縫采用電加熱帶局部熱處理，加熱范圍內(nèi)的均溫帶應(yīng)覆蓋焊縫、熱影響區(qū)及相鄰母材；均溫帶最小寬度為焊縫兩側(cè)各加δPWHT（90mm），熱處理時(shí)要保證均溫帶內(nèi)任意一點(diǎn)溫度不低于焊后熱處理規(guī)定的溫度[5]。

4 結(jié)語

超限3.5Ni低溫塔器廠內(nèi)分段制造及現(xiàn)場(chǎng)立式組焊，監(jiān)造人員應(yīng)在原材料、封頭熱成型、塔盤支持圈水平度、整體垂直度、熱處理和現(xiàn)場(chǎng)合攏縫組焊等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制和檢查，最終確保塔器整體的制造質(zhì)量。

[1]張凱.低溫容器用3.5Ni鋼的焊接[J].電焊機(jī)，2010,40(3)：86-90.

[2]NB∕T47041-2014，塔式容器[S].

[3]李亞江.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，107.

[4]李平瑾.3.5Ni鋼低溫設(shè)備的制造和焊接[J].壓力容器，2000，17(1)：61-66.

[5]NB∕T47015-2014，壓力容器焊接規(guī)程[S].

張劉偉南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司 專業(yè)設(shè)備監(jiān)理師

王常青南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司 副總工程師