大型甲醇合成塔的制造技术

第50卷第6期化工设备与管道Vol. 50 No.62013年12月PROCESS EQUIPMENT & PIPINGDec. 2013大型甲醇合成塔的制造技术王文全，王风友，岳伟，符治，杨文峰(中核集团西安核设备有限公司，西安710021)摘要从材料、成形、加工、焊接、热处理和无损检测等方面介绍了250 kt/a甲醇合成塔的关键制造技术特点。关键词甲醇合成塔; 成形;加工;焊接;热处理;无损检测中图分类号: TQ 050.6; ThH 16文献标识码: A文章编号: 1009-3281 (2013) 06-0019-006为某单位制造的250kt/a甲醇合成塔按结构形表1技术特性式属固定床式换热反应容器，是目前国内同类合Table 1 Technique parameter table成塔中单体规模最大的。设备规格φ4 014 mmX技术参数壳程管程设计压力/MPa5.8.713 881 mmX66 mm;壳体材质20MnMoNi55;封设计温度/C270275头材质15CrMoR;换热管材质S31803，数量4309工作压力/MPa3..9根，规格φ44mmX2mmX7000mm;管板材质工作温度(进出) /C220- 250225- 25520MnMoNi55堆焊308L，规格124+7 mm;换热面工作介质锅炉给水合成气、触媒积3997m;设备总质量203120kgo.水压试验压力MPa6.875 (卧试)11.3 (卧试)气密性试验MPa甲醇合成塔结构简图见图1,技术特性见表1,腐蚀裕量/mm设备主要材料化学成分见表2，力学性能见表3。该换热面积m23 997设备自投人使用后运行一直良好，下面笔者就从主要1甲醇合成塔制造工艺1131零部件材料性能、成形加工、焊接、热处理和无损检测等方面介绍以下250kta甲醇合成塔的关键制造技由图1结构图可见，此设备结构较为特殊。术特点，希望对同行有所帮助。(1)设备的上、下管板是镶嵌在加强段简体内部,且均为双面全焊透结构，焊肉较厚,因而易使管板产生焊接变形;(2)设备的支持板为整圆，决定了筒体的最终合拢焊缝必须在筒体的中间部位，且此条焊缝只能进行局部热处理;(3)设备的上、下封头只有在换热管与管板组焊完毕，壳程压力试验合格后，才能与简体组焊，且两道环焊缝也只能做局部热处理;(4)换热管必须在组装前逐根进行水压试验，合格后才能用于组装: .(5)换热管与管板连接方式采用强度焊加贴胀，管箱简体内壁需进行带极堆焊。收稿日期: 2013-07-12图1甲醇合 成塔结构作者简介:王文全(1967-)，男，陕西西安人，工程师。从事Fig.1 The sketch of the equipment structure压力容器的制造工作。2013年12月王文全，等.大型甲醇合成塔的制造技术.21.后用压力机预弯压头，在卷板机上温卷成形，经焊接、板超差形变进行点压校正。后热、焊缝磨平、校圆及焊缝检验后进行中间热处理。1.5 换热管与管板胀接考虑温热成形材料的延展性及管板顺利组对等因素，为保证液压胀管时的胀接质量，管板孔的加工在筒体下料过程中应严格控制下料展开对角线尺寸垂直度、管间距和孔的公差尺寸至关重要，应在数误差< 2 mm。筒节宽度按排板图的尺寸，两侧各留控钻床上完成管板孔的加工工序，管孔粗糙度不大15 mm的环焊缝坡口车削余量。于3.2 um。1.3坡口加工胀接前先计算胀接压力进行试胀并确定合理的简体纵、环焊缝均采用窄间隙坡口，筒节拼接胀管率,换热管伸出长度、胀接长度和位置应符合工焊缝采用对称双U窄间隙坡口，合拢焊缝采用U +艺要求。v坡口形式，刨边机上完成坡口加工。合拢焊缝采用1.6 无损检测V + U坡口形式，筒体削薄及环焊缝坡口在大型立对铬钼钢焊接接头，需在消氢后经24h间隔做式车床上加工完成，对坡口进行磁粉检测(MT)。RT或UT检验。1.4管板堆焊及加工对壳体A、B类焊接接头进行100%RT+20%由于管板直径(3 800 mm)较大,相对厚度(124UT, RT- II级合格+UT- I级合格:对壳体C、D类mm)较小，在带极堆焊时易产生较大的变形。为最焊接接头，100%MT-I级合格;对DN≥250mm大限度消除管板焊后变形，堆焊工艺采取以下措施:接管与长颈对焊法兰、接管与接管连接的对接接头进(1)确定合理的焊接工艺和焊接次序;行100%RT- I级合格; DN < 250 mm时100%MT-(2)板材粗加工时对非堆焊面留量，堆焊后与I级合格。管板与壳体焊接接头100%UT- I级合格。堆焊面同时加工到图样尺寸:对管板与换热管角接接头进行100% PT- I 级合格。(3)将两块管板背靠背贴紧，刚性固定，在完除管板与换热管角接接头外，壳体上所有焊接接头在成过渡层堆焊、消氢处理，面层堆焊并消除应力热处热处理和水压试验后均需进行100% MT- I级合格。理后解除钢性连接固定;1.7 总装(4)采用带极堆焊，交叉堆焊两块管板，即从根据设备结构及热处理工序的设置，确定设备中心起焊，相邻两层堆焊方向相互垂直;组焊、总体组装顺序(见图2)。(5)在压力机上对采用以上措施难以消除的管焊接、无损检测下封头+裙座+接管下封头组件热处理上封头+接管[ 焊接、无损检测上封头组件下管板+加强段下管板组件+下简体+接管上管板+加强段| 焊接、无损检测拉杆、支撑板组装热处理.|穿上管板组件+上简体+接管壳程液压试验]←[ 焊接(第1层焊后气密性试验)一[ 胀搂]~壳程泄漏试验|焊接、无损检测和热处理管程液压试验+ 管程泄漏试验 - + 循环U环管接口预组对图2组焊组装工艺Fig. 2 The artwork of the welding-assemble.22.化工设备与售道第50卷第6期裂纹。消除应力热处理时，接头再次处于高温，易产2焊接工艺1451生再热裂纹。低合金耐热钢具有比较明显的淬硬性和设备的设计选材较为特殊:冷裂倾向，焊接时可采用提高预热温度及焊接热输入(1)换热管选用进口的S31803双相不锈钢无缝量的方法来避免此问题，但过高的预热温度和焊接热钢管，要求满足ASME SA-789M中的相关要求;输入量会造成热影响区过热区的组织脆化。(2)设备简体选用进口20MnMoNis5,属于技根据上述特点，要消除材料焊后延迟裂纹倾向、术要求高的钢材;再热裂纹、热影响区过热区的组织脆化及回火脆性，(3)管板选用8124的20MnMoNi5s板材堆焊就必须在热切割前及焊前进行(200士5) C预热,焊87厚的不锈钢。对设备的筒体及换热管所选的材料，后立即进行(3005) C X2-4 h的消氢处理或者立均为本公司过去未曾使用过的，需要做各种焊接工艺即进行(625+15) C X3 h的消除应力热处理。评定。管程、管板为低合金钢堆焊304L型不锈钢，堆2.1 焊接性分析焊方法为手工电弧堆焊及带极电渣堆焊;堆焊采用碳当量能粗略反应材料的焊接性，依据国309型焊材堆焊过渡层，采用308型焊材堆焊耐蚀层际焊接学会推荐的计算公式CE=C%+Mn%/6+以达到复合层304型不锈钢的耐蚀要求。(Ni%+Cu%) /15+ (Cr%+Mo%+V%)15， 由表1中2.2焊接工艺评定各主要材料的化学成分分别计算出20MnMoNis5根据设备选用的材料和拟采用的焊接方法，按15CrMoR的cE分别为0.5312%和0.532%。由此可照JB 4708《钢制压力容器焊接I艺评定》以及设备知，20MnMoNiss、 15CMoR 焊接时冷裂纹倾向严制造专用技术条件，在编制产品焊接工艺规程前进行重:同时20MnMoNi5S为低合金高强钢，封头材料相应的焊接工艺评定，焊接工艺评定项目见表4●15CrMoR为低合金耐热钢，焊接过程中极易产生淬2.3产品的焊接工艺硬的显微组织，在焊缝区富扩散氢浓度和- -定的焊接2.3.1设备焊接工艺规程 (见表5)残余应力共同作用使焊接接头易产生氢致延迟(冷)表4焊接工艺评定项目Table 4 The ases items of welding procedure材料评定规格坡口形式焊接方法.焊接材料焊丝: H10Mn2NiMoAxId埋弧焊焊剂: CHF60320MnMoNi5580 mm焊丝: HI0Mn2NiMoA手弧焊66 mm+埋弧焊焊条: J607Ni焊丝: HIICrMo45B15CrMoR72 mm+15CrMoR氩弧焊焊丝: TGS-ICM16 mm+手弧焊烨条: R307B-------S31803换热管: φ44 mmX2 mm焊丝: ER2209+20MnMoNi55/304管板: 24 mm焊带: D309L D308L42 mm带极堆焊焊剂: SHD20220MnMoNi5S堆焊手工电弧堆焊焊条: E309L E308L2013年12月王文全，等.大型甲醇合成塔的制造技术表5焊接工艺规程Table 5 The welding procedure焊接部件焊接方法焊接材料规格/mm焊接电流/A电压/V速度(cmmin ' )管壳程纵环焊缝埋弧焊焊丝:H10Mn2NiMoAφ4550- 60029~3246-50焊剂:CHF603封头纵焊缝焊丝:H11CrMo45B550- 62030~3246~-56550~ 60029-32壳程合拢焊缝手弧焊+埋弧焊b4140-180焊条: J607Niφ5180-220壳程与管板焊接φ3.290-120手弧焊140~180管程基层与管板焊接46-~50封头与加强段焊接手弧焊+埋弧焊 焊剂:CHF603焊带: D309L/SHD202850-90025~2718.3-20管板、管程堆焊带极堆焊60X0.5焊剂: D308L/SHD20215~18成分Ar+2%N管子与管板焊接手工钨极氩弧焊焊丝: ER2209φ280-120流量: 10~15 L/min2.3.2堆焊工艺道焊口。管板材质为20MnMoNi55堆焊309L+308L.在管程简体、管板堆焊中，选用焊带规格均为换热管与管板焊接材料选用Sandvik22.8.3L,做到焊60mmX0.5mm,以便于加人的合金元素焊接时通过接提前送气和焊后滞后停气，以达到良好的氩气保护焊剂过渡到堆焊层中。过渡层的堆焊过程中若电流效果，同时在焊接过程中要求焊接第1遍时不加送或过大、熔深加大，则稀释率也增大，势必影响堆焊层少加丝来保证换热管与管板根部熔合好。的化学成分。若电流过小则易造成电弧燃烧不稳定，边缘不均匀甚至未焊透，因此应严格控制过渡层的焊接电流和电压，尽量偏下限值。管板的堆焊采取从中R10心向外同心圆周逐步堆焊。随堆焊轨迹半径的增加相应调节转胎的转速，使每圈堆焊线速度- -致，厚度控制在3~5.5 mm，为得到平滑的焊缝，焊缝的搭接量必须控制在5~8mm，焊带的伸出长度为30-40mm。2.3.3简体焊接图3对接焊缝坡口形式Fig. 3 The slope form of the welding-joint窄间隙埋弧焊是近年发展起来的一种高效、省时和节能的厚板焊接方法，可以缩短焊接时间、减少3焊后热处理焊接材料消耗或费用。此外还有焊接热输人小、改善接头韧性和减少焊接变形的特点。该方法对坡口质量甲醇合成塔各部分热处理工艺曲线见图4~7。要求非常严格，简体对接坡口形式见图3。采用冷加工方法进行刨削。内侧10 mm坡口深度采用埋弧焊,665- 690"C由于折流板及定位管要先进入简体定位，故最后一道100C/h150C/h对接环焊缝内侧只能采用焊条电弧焊焊接，外侧焊缝3h炉冷至300C后空冷全部采用窄间隙埋弧焊。时间/h2.3.4 换热管管板焊接图4封头组件热处理过程换热管为S31803,数量为4309根，共计有8 618Fig. 4 The process of heat treatment for the head-unit. 24.化工设备与管道第50卷第6期根据产品的结构特点及材料性能要求，将甲醇610- -640C合成塔各部分分别进行热处理，各部分按顺序组装，型100Ch<150C/h最后对接的环焊缝采用局部热处理，管程简体和管板2.25h.炉冷至300C后空冷过渡层堆焊后进行热处理。时间h在甲醇合成塔制造过程中，材料必须经过多次图5 加强板、管板及简体热处理过程中间焊后热处理。因此,热处理是最重要的工序之一,Fig. 5 The process of heat treatment for the sifening-plate,它必须在焊接工作全部完成24 h且经检验合格确认tube-sheet and shell不再施焊之后才能进行。625+15C4结束语100C/250 kt/a甲醇合成塔制造难度大，采用文中所述31、 妒冷至300C后空冷的制造、焊接、检验和热处理工艺措施确保了甲醇合时间成塔的制造质量，设备投人使用后的安全可靠运行说图6封头加强板局部热处理过程Fig. 6 The process of the local heat treatment for the head-明制造工艺过程是合理的。sifening-plate参考文献610-640C[1] GB 151- -1999, 管壳式换热器[S].150C/h[2] GB 150-1998， 钢制压力容器[S].4h、炉冷至300C后空冷[3] 聂杰，杨炜,史庆和,等.甲醇合成塔的研制[I].压力容器,2003, 20(3): 32-35.图7管板过渡 层堆焊热处理过程[4] JB 4708- 2000， 钢制压力容器焊接工艺评定[S].Fig. 7 The process of heat treatment for the tube-sheet[5]陈泰炜 .压力容器焊后热处理技术[M].北京:中国石化出overlaying版社,2002.Manufacture Technology for Large Methanol Synthesis TowerWANG Wenquan, WANG Fengyou, YUE Wei, FU Zhi, YANG Wenfeng(X'an Nuclear Equipment Co, Ltd, Xi'an 710021, China)Abstract: The technical characteristics in manufacture of 250 kt/a methanol tower, including material, forming, machining, welding,heat treatment and Non-destruct examination, were introduced in this article.Key words: methanol Synthesis tower; forming; machining; welding; heat treatment; Non-destruct examination四川日机公司研制的高压及大轴径干气密封通过工信部组织的国家级鉴定2013年11月21日，四川日机公司公司“千万吨级炼油加氢装置循环氢压缩机高压干气密封及其控制系统”和“大型煤化工煤制丙烯装置丙烯制冷压缩机大轴径干气密封”两项科技成果，在成都通过工业和信息化部组织的鉴定。清华大学王玉明院士担任鉴定委员会主任、中国机械联合会重大装备办公室叶大蓉副主任和中国液压气动密封件工业协会沙宝森理事长担任鉴定委员会副主任。鉴定委员会其他委员由国内产学研用等多方面专家担任。国内三十多家石化及煤化工和压缩机制造企业的代表出席了会议。在对生产现场和样机试验进行了仔细考察、并经过质询和讨论后，鉴定委员会认为，四川日机公司提供的项目技术资料、图纸和工艺文件齐全，数据可信，符合鉴定要求。研制产品均属国内首台套。产品成功的应用，填补了国内空白，主要技术指标达到国际同类产品水平，其经济效益和社会效益显著，具有很高的推广应用价值。(四川日机公司供稿)