3.5Ni钢低温塔式容器的制造

制 造 安 装 315Ni钢低温塔式容器的制造 The Manufacturing Technology on the Low Temperature Tower of 315 % Ni Steel 中国石化集团南化公司化工机械厂 王国勤 This paper mainly intorduces the manufacturing technology of the three low temperature towers made of 315 % Ni steel、including welding procedure , stress relief heat treatment after welding (PWHT) , the form2 ing and the assembling process of head and shell as well as hydrostatic tests procedure , which are the deter2 mining factors for the successful fabrication of the equipment. 关键词:315Ni钢 低温塔器 焊接 制造 我厂为南化大化肥30万吨/年合成氨甲醇洗制 造了3台关键低温塔式容器:甲醇洗涤塔、H2S浓 缩塔、CO2塔。 这三台塔器按照ASME第 设计、制造、 并遵循意大利斯拉姆工程公司工程标准。我们对塔 体主体材料做了焊接工艺性试验,获得满意的焊接 接头;克服了薄壁塔器制造中容易变形的困难,保 证了塔体几何尺寸;对塔体分段热处理消除焊接应 力,保证了产品质量。第三方检验师跟踪设备制造 全过程检查,确认合格。设备经全系统开车试验运 行,证明产品制造获得成功。 1 设备概况 111 塔器主要设计参数 主要设计参数见表1,外形结构见图1。 112 设备用材的化学成份和力学性能分析 表1 位 号设备名称 设计压力 MPa 设计温度 直径 壁厚 mm 工艺介质 水压试验压力 MPa 塔高 m 塔盘圈数 个 开孔接管 个 C- 401甲醇洗涤塔816 上段- 80/+ 70 下段- 45/+ 70 “220085 “220090 “220095 甲醇12192618639 C- 402CO2塔016- 75/70 “220012 “220014 “220016 甲醇0177526829 C- 403 H2S浓缩塔014- 80/70 “24007 “240013 “240015 甲醇0161548735 这3台低温塔器的主要受压元件壳体、封头的 材料采用国外ASME卷,315Ni低温用钢,牌号 SA203GrD、SA203GrF。这些材料低温冲击韧性很 高,最低使用温度为- 101,3台塔器最低设计 15 温度为- 80,所以使用这些材料是足足有余的。 材料SA203GrD、SA203GrF的化学成分和力学性能 分别见表2、表3。低温压力容器使用的材料质量 要求很严格,受压元件必须用镇静钢,并且要有齐 全的质量合格证书。材料到厂后,我们对原材料复 验化学成分、力学性能,- 101低温 冲击,复 验、验收均符合标准要求。对于厚度大于等于 20mm的钢板按照SA435标准作100%超声波探伤 检查,均符合标准规定的 级要求。 图1 表2 SA203GrD、SA203GrF钢板的化学成分 ( %) 材 料CSiMnPSNi备注 SA203GrD = 12 0117 01072 01130145 01269 017 01638 01035 01004 01035 010005 31253175 31486 标准值 质保书 SA203GrF = 90 0123 01094 01130145 01262 018 01658 01035 01006 01035 010010 31253175 31621 标准值 质保书 表3 SA203GrD、SA203GrF钢板的力学性能 材 料 SA203GrD = 12 拉伸试验冲击性能 b MPa s MPa % 温度 冲击功 ( J) 单值最小平均 45058525523- 1011418 54545423- 101356 356 356356 备 注 标准值 质保书 SA203GrF = 90 515655 581 345 488 20 30 - 101 - 101 20 155 185 151 27 164 标准值 质保书 2 焊接 低温压力容器的焊接性能,最重要的是要保证 焊接接头低温冲击性能,而一般在熔合区和焊缝部 位,冲击性能是最薄弱环节。为改善和提高焊缝和 熔合区的冲击性能,我们选择了与母材相匹配的焊 接材料,即从瑞典进口焊条:AWS SFA515 E7016 C2L ,焊丝Eni3 ,焊剂F7P15 AWSSFA5123 ,并对这 些焊材的化学成分和性能进行了复验,结果均能符 合焊缝和母材的要 求(见 表4、表5)。按 照 ASME 要求,我们对这些焊接材料进行各种手 工焊和自动焊以及不同厚度的工艺评定,焊接参数 和工艺评定试验结果见表6、表7。工艺评定的结 果告诉我们,宜采用快速多层、多道焊的焊接工 艺,尽量减少焊缝过热,减少焊接线能量,可以防 止焊缝出现粗大铁素体组织。否则,会造成焊缝接 头低温冲击性能下降。我们认为:在一定的焊接电 流、电压范围内,严格控制好焊接速度,就能获得 良好的焊缝接头韧性,保证低温冲击所要求的线能 量。 表4 焊材熔敷金属化学成分 ( %) 焊条名称及牌号CSiMnPSNi备注 焊条E7016C2L “4 AWS SFA515 0105 0105 0104 1125 0169 0170 015 0143 0142 0103 01012 01010 0104 01008 01006 31003175 3163 3156 标准值 质保书 复验值 焊丝Eni3 “312 焊剂F7P15 AWS SFA5123 011 01081 1100 0186 0119 0131 01009 01017 01010 01011 3127 2198 质保书 复验值 严格控制焊接层间温度是完全必要的。若层间 温度过高则会使热影响区粗化组织增大,晶粒粗 大,也会导致低温冲击性能降低。所以我们在多层 多道焊接过程中维持较低层间温度(150)。 我们对首次焊接低温设备的焊工进行专门培 训、技能评定,使他们具备焊接资格。强调在焊接 过程中要严格控制焊接电流、电压、焊接速度,使 焊接线能量不超规定值。并按照图纸要求进行RT、 25 CPVT 315Ni钢低温塔式容器的制造 Vol18. No1 2001 UT、PT (MT)的检查,焊缝全部合格。 我们在每台产品的一节筒体纵缝伸延部位带一 组产品试板,对产品试板进行100%RT拍片检查, 试板与设备同炉热处理,并对试板进行了力学性能 试验,见表8,试验结果均达到要求。 表5 焊材熔敷金属力学性能 材 料 焊条E7016C2L “4 AWS SFA515 拉伸试验冲击功 b MPa s MPa % 温度 单值最小平均 48039025- 1012027 55647427- 10144 44 4645 54646828- 10146 42 4513 备注 标准值 质保书 复验值 焊丝Eni3“312 焊剂F7P15 AWS SFA51235123 480660 600 400 498 22 23 - 101 - 101 20 72 60 68 27 6617 标准值 复验值 表6 焊接参数 焊接方法焊接材料焊材规格 电流 A 电压 V 焊 道 mm/ s 最大线能量 kJ/ cm 备 注 SMAWE7016 - C2L “4 “5 160180 200230 2426 2628 34 34 1912 2816 用于薄板 焊接 SMAWE7016 - C2L “4 “5 160180 200230 2426 2628 4415 34 1218 2712 用于厚板 焊接 SAWF7P15/ ENi3“3124505003335792911 表7 焊接工艺评定试验结果 拉伸试验弯曲试验- 101 冲击试验 ( J) 断裂部位 b MPa d= 4a 180 焊缝热影响区 备 注 母材 焊缝 536 545 四件好122 88 140 110 168 188 SMAW = 12 焊缝539 541四件好 123 108 124 126 143 97 187 173 160 176 44 166 SMAW = 90 母材544 531四件好 81 130 50 66 148 122 128 220 234 223 226 229 SAW = 90 表8 产品试板力学性能 材料和规格 b MPa s MPa % 温度 冲击功 ( J) 焊缝热影响区 备 注 SA203GrD = 12 55044124- 10190 100 102110 123 135 SA203GrF = 90 550 560 452 460 30 32 - 101 - 101 88 95 100 70 65 90 110 120 89 95 85 76 1/4板厚 1/2板厚 3 制造 3台塔式容器制造的主要难点是封头、筒体及 塔体组装工艺,现分述如下: 311 封头的制造 3台塔器封头主要有薄壁封头 “220016mm, “240016mm,材料SA203GrD,厚壁封头 “2200 100mm,材料SA203GrF。对于薄壁封头,下料后 旋压成型,几何尺寸满足图纸要求。对于厚壁封 头,先划线下料,两张板拼焊成整圆,然后用专用 模具进行热冲压成型,在热冲压前后我们对拼焊缝 进行100%RT和100 %UT检查均合格。 根据低温容器制造要求,受压元件在热成型 后,应进行与母材原始状态相同的热处理,因 35 第18卷第1期 压 力 容 器 总第103期 SA203GrF = 100原材料来料是正火+回火,所 以厚壁封头热成型后,我们对封头又进行一次 920 正火处理,保温4小时,同时把母材试板和 焊接试板同炉热处理,并分别对试板做了力学性能 试验和- 101 的低温冲击试验,均能符合原母材 的要求(封头的回火处理同设备焊后消应处理合并 进行)。 312 筒体的制造 3台塔器的总高分别为61m , 52m , 54m,塔体 很高,关键技术是要保证整塔椭圆度不得超过设计 内径的015% ,且不大于10mm,不直度不得超过 20mm,只有保证每个筒节的制造质量,才能保证 整个塔体制造要求。对薄壁筒节(厚度只有7、 13、14、16mm)展开下料时,两对应边相互平行, 且对角线长度相等,其偏长L1-L22mm,筒节外 周长偏差不大于5mm。 筒节预弯后在滚板机上弯制成型,经组焊纵缝 后进行校圆,且用样板检查,将筒体椭圆度控制在 015%内径以下,并对焊缝进行100%RT检查符合 JB4730标准 级要求,为了防止薄壁筒节变形, 在筒节两端加上支撑环见图2。对于厚壁筒节(厚 度为85、90、95mm)先展开下料,留压头量,用 专用模具压头预弯,经样板检查弧度合格后,在滚 板机滚圆成形,切割预弯段余量,焊接纵缝校圆, 并对焊缝100%RT拍片,符合JB4730标准 级。 100%UT拍片,符合JB4730标准 级,合格后, 再加工筒节的环缝坡口。 图2 薄壁筒节加支撑环 313 塔体的组合 在对每个筒节几何尺寸和圆度检查合格后,组 对环缝前标定0 、90 、180 、270 方位,每道环缝 进行100%RT JB4730 级合格,100%UT JB4730 级合格。 由于塔体很长,受17m长的热处理炉的限制, 我们不得不把塔体组对成4大段,每段小于16m。 对于薄壁塔器,我们仍然采用支承环加固,防止壳 体变形。塔体的4段还进行了无间隙预组合,经测 量,直线度合格后用工艺塔板点焊固定。并选择底 封头与壳体的环缝以下50mm处基准面为第一基 准,以此线为基准线可划出塔体上各接管位置,塔 体内各支撑塔盘的支承圈的位置,以及其它零部件 位置,以便保证整个塔器各零部件位置的准确。 每个塔器内有很多塔盘支承圈,我们采用了专 用的工装组对支承圈,既保证每层支承圈相对位 置,又保证了支撑圈与塔体的垂直,且角度偏差不 超过015 。 对薄壁塔器开孔,采用气割方法并对切割面进 行打磨。 厚壁塔器甲醇洗涤塔有17个公称直径500mm 人孔,如何开孔是一个难题。我们采用了氧气切 割、碳弧气刨刨削、砂轮打磨、100%PT检查等方 法解决开孔问题。在组焊人孔接管后,对焊缝做了 100%UT检查,符合JB4730 级要求,一次获得成 功。 组对接管,我们使用了专用工装,把接管和塔 体组焊,法兰面垂直于接管或圆筒的主轴中心线, 保证法兰面的水平或垂直,其偏差未超过法兰外径 的1% ,且不大于3mm。 图3 热处理示意图 4 热处理 3台塔器焊接后均进行了消除应力热处理。我 们将每台塔器分成4段,每一段先在17m热处理炉 中做单独消除应力处理,4段合拢后,对合拢缝用 履带式加热器进行局部热处理。其间,对薄壁容器 外壁分别加上支承环以防止热处理变形,CO2塔、 H2S浓缩塔热处理温度为61010,保温1小时。 厚壁容器甲醇洗涤塔热处理温度61010, 保温4小时,对厚壁容器甲醇洗涤塔合拢缝局部热 处理时,由于升温速度缓慢,我们(下转第58页) 45 CPVT 315Ni钢低温塔式容器的制造 Vol18. No1 2001 趋于均匀,有利于减少工作时接头局部的应力集 中。不仅如此,由于T91(或R707)材料中的碳化 物形成元素Cr的含量大大高于G102中的含量,使 熔合线两侧碳元素的活度梯度相对降低,从而有效 地抑制了材料中的碳元素向镍基焊缝Inconel82中 (或SUS304母材中)迁移2。从图1与图2中都可 以看出,经过800800h加热后的S + I + G接头 相对于另外两种接头,G102焊接热影响区中因脱 碳所造成的组织蜕化和强度损失都更为明显。表2 则证实了该接头中因脱碳所带来的强度损失。 采用R707焊接的SUS304与T91接头,其接头 性能与组织的热稳定性都令人满意。但在同样温度 变化下,该接头的R707与SUS304界面的热应力最 大。这是因为本文所涉及到的几种材料的线膨胀系 数大小排序为: aSUS304aInconel82aG102aR707(或 aT91)。在循环加热过程中,该界面附近的热应力 与高温氧化共同作用,使R707熔合区表面出现了 氧化沟槽3。沟槽口部较宽,底部狭窄,有较大应 力集中倾向,工作载荷作用下易诱发根部裂纹。本 文在实验中采用了加速试验法,实际一般锅炉运行 中的温度变化幅度与频率远小于我们的试验值,相 应温度变化所造成的附加热应力的影响不会太大。 但对于两班制运行频繁变温的机组锅炉,显然不宜 采用S + R + T接头。 4 结论 (1)采用T91钢管作为SUS304与G102异种钢 接头的插入式过渡段,有助于改善接头在高温下使 用时组织与力学性能的稳定性,提高接头的使用寿 命。 (2)对于T91与SUS304异种钢接头,可采用 Inconel82镍基焊材或R707耐热钢焊材,但用后者 焊成的接头使用中热应力较大,不宜用于频繁变温 运行的锅炉。 参考文献 11R. B. Dooley etc. Ontario Hydro Experience with Dissimilar Metal Welds in Boiler Tubing. Welding Journal. 2/ 1982 21 李萌盛.异质焊接接头加热过程中的碳迁移现象研究. 材料科学与工艺.1997;3 31李萌盛.电站锅炉异种钢接头表面氧化沟槽的形成机理 分析.1999第九次全国焊接会议论文集 (上接第54页)也把合拢缝放在17m炉内热处理, 使其重复热处理长度大于1500mm,炉外部分采用 石棉布保温措施,使其温度梯度不致影响材料的组 织和性能。详细情形见图3。 图4 水压试验鞍座和外抱箍示意图 5 水压试验 3台塔器制造完工后,为检查制造质量,都进 行了水压试验,甲醇洗涤塔试水压1219MPa。 对CO2塔, H2S浓缩塔,由于塔壁较薄,塔体 充水后,整体重量分别为210t和273t,塔体容易变 形,因此,试水压前在塔体外面每隔一段距离加一 个支承鞍座和外抱箍,用来支撑和加固,见图4。 两台薄壁塔体分别经0177MPa、3161MPa的水压试 验,合格后,放水将塔内清理干净,经测量塔体没 有产生变形。 6 结论 (1)低温塔式容器选用SA203GrD、SA203GrF 钢并与适当的焊材相配合,采用多层多道焊,严格 控制层间温度,控制线能量,其焊接接头能达到满 意的性能,特别是低温韧性。 (2)塔式容器可以采用分段热处理方法来消除 焊接应力。在热处理过程中一方面应严格控制热处 理工艺;另一方面应采用工装防止薄壁容器的变 形。 (3)薄壁塔式容器水压试验时,采用外抱箍工 装和支承鞍座能防止塔器变形。 作者简介:王国勤,男,50岁,质保工程师,生产副厂 长,通讯地址:南京市大厂区,南化公司化工机械厂,邮 编:210048。 85 CPVT 电站锅炉内异种钢焊接接头的工艺改进 Vol18. No1 2001 压 力 容 器 主 要 文 章 摘 要 2001年第1期 对G B15098钢制压力容器某些问题的分析 本文对G B15098钢制压力容器中双相不锈钢 00Cr18Ni5Mo3Si2,外压圆筒,焊接头系数,开孔补强,筒 体端部,焊接接头,凸形封头的拼板形式等7个问题进行 了深入分析并提出了意见和建议。 波齿复合垫片常温密封性能研究 本文对波齿复合垫片的常温密封性能进行了试验分析 研究。研究表明,波齿复合垫常温下具有良好的密封性能。 在试验基础上分析得到了此种垫片的密封性能曲线和相应 的公式,研究结果对垫片选用和法兰密封设计具有重要参 考价值。 超声传感埋弧焊焊缝跟踪的研究 本文提出了一种非接触超声传感埋弧焊焊缝跟踪系统。 介绍了超声波传感器及其焊缝跟踪工作原理。在焊缝跟踪 中既可以采取检测焊缝坡口的跟踪方法,也可以采取检测 磁性胶条的跟踪方法。埋弧焊焊缝跟踪实验表明,该系统 具有良好的动态性能和控制精度。该焊缝跟踪方法能够满 足压力容器焊接工程的需要。 压力容器用低合金钢管的开发和应用 本文系统介绍了兴澄集团开发的五种换热器用低合金 钢管,这五种低合金钢管是:09CrCuSb ,企业代号ND (耐 硫酸低温露点腐蚀用无缝钢管) ; 08Cr2AlMo (抗硫化氢、 氯化氢应力腐蚀开裂用无缝钢管) ; 09MnD (低温换热器用 无缝 钢 管) ; 10E (耐 循 环 水 腐 蚀 用 无 缝 钢 管)和 07CrCuAlMoTi (耐硫化氢、高温硫、海水腐蚀用无缝钢管)。 抗H2S应力腐蚀开裂热交换器专用钢(08Cr2AlMo钢) 的研究 在抗H2S - HCN - H2O系应力腐蚀用钢12Cr2AlMoV钢 的基础上开发出来的08Cr2AlMo钢具有和12Cr2AlMoV钢相 当的抗硫化氢应力腐蚀开裂的能力,同时还具有比碳钢与 12Cr2Mo1钢高的抗循环水、软化水及盐酸水溶液的耐蚀性。 由于合理的化学成分和优良工装及精炼工艺条件使 08Cr2AlMo钢的纯净度大大提高(夹杂物 115级 ) , 硬度降 低( 150HB ) , 并配有专用的焊接材料,使其具有良好的 可焊性和制造性能,可广泛用于制造石油炼制系统热交换 器管束,使用温度范围为- 60 到500。 08Cr2AlMo钢及其焊接接头回火脆性的试验研究 本文对08Cr2AlMo钢及其焊接接头按规范进行了回火 脆性试验。结果表明,钢材、R407焊条和08Cr2AlMo焊丝 的焊缝金属的回火脆化敏感性较低,均能满足抗回火脆化 的设计要求。 08Cr2AlMo钢的力学性能和焊接性能试验研究 本文对抗硫化氢应力腐蚀用钢08Cr2AlMo,按相应的标 准和规范,进行了有关的力学性能和焊接性能试验研究。 结果表明,08Cr2AlMo钢及用R407焊条、08Cr2AlMo焊丝施 焊的焊接接头性能较好,