（机械制造及其自动化专业论文）大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着化工行业的发展，压力容器被广泛的使用压力容器的法兰接口用来对 接其它设备，法兰密封面和密封槽的损坏直接影响压力容器的安全生产，所以法 兰接口的密封性是每个压力容器都必须长期保证的然而，压力容器在使用过程 中，通常处于高温、高压的环境中，并且有些介质具有强腐蚀性，法兰面密封槽 的工况环境更加恶劣，致使法兰面密封槽极易生成裂纹。为抑制裂纹的长大，定 期对压力容器进行保养维护，并加以修复是非常有必要的，也是必须的但压力 容器一般体积大、重量重，用常规的机械加工设备修复无法就地加工，使压力容 器的在线修复处理难度极大，而离线修复时，投入的人力、物力大，成本高，工 期长，停产时间长，对生产影响大。 本课题在深入分析研究压力容器法兰密封面的结构特点、槽损伤规律和修复 工艺的基础上，对压力容器在线修复的瓶颈问题进行深入研究，提出了实现在线 修复的技术方案，研究开发了一个可移动式的数控机床，可直接安装在待加工的 法兰上进行修复加工。机床的主运动采用液压马达驱动，两个进给运动采用步进 电机驱动机床的控制系统采用p l c 可编程控制器为主控制器，并带一个位置控 制模块，它可实现两个轴的直线或圆弧插补功能，实现法兰端面和梯形槽的成形 加工为了便于操作，设计了手提操作盒，可进行远程操作。完成了人机界面的 开发旋转系统存在不平衡问题，利用平衡理论对旋转系统进行了动平衡分析。 本课题实现了压力容器法兰面密封槽的在线修复，解决了压力容器使用中的 的瓶颈问题。给压力容器的在线修复和新产品的制造带来极大的便利，给压力容 器的使用厂家和制造厂家带来直接的经济效益，提高企业在市场中的竞争力，也 拓宽了数控技术的应用领域 关键词：法兰密封面；修复技术；p l o 可编程控制器；人机界面；动平衡 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h e m i c a li n d u s t r y , t h ep r e s s u r ev e s s e li sp u ti n t ou s e b r o a d l y t h ef l a n g es u r f a c eo fp r e s s u r ev e s s e li su s e dt od o c ko t h e re q u i p m e n t ，t h e b r e a k d o w ni nt h ef l a n g es e a l - f a c ea n ds e a l - g r o o v eh a v ed i r e c ti m p a c tt ot h ep r e s s u r e v e s s e lo fs a f ep r o d u c e ，s ot h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ef l a n g es u r f a c ei ne v e r y p r e s s u r ev e s s e li sm u s te n s u r e d o v e ral o n gp e r i o do ft i m e h o w e v e r ，t h ep r e s s u r e v e s s e lu s u a l l yw o r k e di nt h ee n v i r o n m e n to ft h eh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ， a n ds o m em e d i u mh a v eh i g h l yc o r r o s i v e ，t h ec o n d i t i o ne n v i r o n m e n to ft h ef l a n g e s e a l i n gg r o o v ei sm o r eb a d ，w h i c h c a u s e st h ef l a n g es e a l i n gg r o o v et ob ee x t r e m e l y e a s yt oc r a c k i no r d e rt os u p p r e s sc r a c kg r o w i n gu p ，r e g u l a rm a i n t a i n i n ga n dr e p a i r o ft h ep r e s s u r ev e s s e li st ob en e c e s s a r yv e r ym u c h t h ep r e s s u r ev e s s e li sg e n e r a l l y b i gc u b a g ea n dh e a v yw e i g h t ，s ot h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n et o o li su n a b l et or e p a i r t h es e a l i n gg r o o v e t h eo n l i n er e p a i ro ft h ep r e s s u r ev e s s e li sd i f f i c u l t ye n o r m o u s w h e no f f - l i n er e p a i r ，t h ei n v e s t m e n ti nm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c ei st o om o r e 。 s ot h ec o s ti sh i g h ，t h et i m eo f r e p a i r i n ga n ds t o p p i n gp r o d u c t i o ni sl o n g ，t h e i n f l u e n c ei ss ob i go nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a lf e a t u r ea n dt h ed a m a g er u l ea n dr e p a i r t e c h n o l o g yo ft h ep r e s s u r ev e s s e lf l a n g es e a l - f a c e t h r o u g ht h es t u d yo nb o t t l e n e c kp r o b l e mo f t h eo n l i n e r e p a i rt e c h n o l o g yo ft h ep r e s s u r ev e s s e l ，i td i s c u s s e st h es c h e m eo ft h eo n l i n e r e p a i r t e c h n o l o g y i ti sd e s i g n e d4r e m o v a b l en cm a c h i n et o o lw h i c hi ii n s t a l l e do nt h ep r e s s u r e v e s s e lf l a n g e m a i nm o t i o ns y s t e mo ft h em a c h i n et o o li sh y d r a u l i cm o t o rd r i v i n g ，a n dt w of e e d m o t i o ns y s t e mi s s t e p m o t o rd r i v i n g t h em a i nc o n t r o l l e ri sp l cp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e ri nt h ec o n t r o ls y s t e m ap o s i t i o nc o n t r o lm o d u l e ，w h i c hh a sl i n e a ri n t e r p o l a t i o na n d c i r c u l a ri n t e r p o l a t i o no ft w oa x i s e s ，p r o c e s ss h a p i n go ff l a n g es e a l - f a c ea n ds e a l - g r o o v e i n o r d e rt oo p e r a t ei n c o n v e n i e n t l y ，t h ep o r t a b l eh a n d l i n gb o xw a sd e s i g n e dt oo p e r a t et h e m a c h i n et o o l i nad i s t a n c e m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eo ft h ep o r t a b l eh a n d l i n gb o xw a s d e s i g n e d 1 1 l cr o t a t e i n gs y s t e mb r i n g s t h eu n b a l a n c ep r o b l e m b a s eo nt h e o r g a n i z a t i o ne q u i l i b r i u mt h e o r i e s ，i ta n a l y s i so nd y n a m i cb a l a n c ea b o u tt h er e v o l v e d s y s t e mo ft h em a c h i n et 0 0 1 f i n a l l y ，t h ea u t h o rc a r r i e do u tas u m m a r yt ot h er e s e a r c h w o r ko ft h a tt e x t t h i sp a p e rr e a l i z e dt h eo n l i n er e p a i rp r o c e s s i n go ft h ef l a n g es e a l sg r o o v eo f t h ep r e s s u r ev e s s e l ，h a ss o l v e dt h eb o t t l e n e c kp r o b l e mi nu s i n gt h ep r e s s u r ev e s s e l n 硕士学位论文 t h er e s e a r c hr e s u l tb r i n g se n o r m o u sc o n v e n i e n c ef o rt h eo n l i n er e p a i ro ft h e p r e s s u r ev e s s e la n dm a n u f a c t u r i n gt h en e wp r o d u c t t h i st e c h n o l o g yh a sb r o u g h tt h e d i r e c te c o n o m i cb e n e f i tf o rt h eu s a g ef a c t o r ya n dt h em a n u f a c t u r e ro ft h ep r e s s u r e v e s s e l ，e n h a n c e dt h ee n t e r p r i s ei nt h em a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t y ，a n dd e v e l o p e dt h e a p p l i c a t i o nf i e l di nt h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：t h ef l a n g es e a l i n g - f a c e ，r e p a i r i n gt e c h n o l o g y , p l cp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，t h ed y n a m i cb a l a n c m 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：引姗日期：z 唧年 6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：张姗p日期：硐年6 月2 日 导师签名。了巧8 期：垆阳舯 硕士学位论文 1 1 研究的意义 第1 章绪论 我国现有在用压力容器6 8 0 0 万台( 其中固定式1 7 6 多万台) 。它们大多数 是在高温、高压、低温、疲劳及腐蚀性介质等苛刻工况下运行。安全使用寿命长 的可达2 0 年以上，短的只有几年甚至几个月。粗略估计一下，若能将每台设备的 寿命平均延长两年，每台设备的平均寿命按1 5 年计，则相当于制造安装新设备1 7 万台，可为国家节约资金达百亿元。 在用压力容器往往存在着各种焊接缺陷、结构缺陷、材料缺陷、使用时产生 的裂纹、腐蚀、磨损等，再加上长期超期服役造成的材料损伤，潜在危害性极大。 这些设备及隐患若不及时研究处理，继续盲目使用，必将成为爆炸事故的主要根 源。在用压力容器存在的失效主要有脆断、疲劳、腐蚀、冲蚀、应力腐蚀、晶间 腐蚀以及腐蚀疲劳等形式，一旦发生事故将会对人民生命财产安全造成极大的危 害，因而世界各国都相当重视 我国每年消耗在磨蚀方面的损失达4 0 0 亿元，腐蚀方面的损失将近2 0 0 亿元 我国在用锅炉压力容器有很多都工作在腐蚀性介质中，其中大约有三分之一带有 超标缺陷。鉴于此，有关部门组织一定的人力、物力，采用过多种措施，收到了可 观的经济效益和社会效益，大大改善了在用压力容器的安全现状。压力3 2 3 容器 爆炸事故从2 0 世纪7 0 年代的2 0 0 起年降低到2 0 世纪9 0 年代初期的9 0 起年， 但形势仍不容乐观。近几年爆炸事故再度上升，达到1 5 0 起年，恶性爆炸和毒气 泄漏事故时有发生。 如2 0 0 5 年3 月发生在京沪高速公路江苏淮安段的氯气槽车破漏事件，造成 2 8 人死亡，3 5 0 多人受伤，1 万多居民紧急疏散，人员伤亡和财产损失2 9 0 1 万元 又据广州地区液化石油气储罐检验结果的统计情况表明，由于加工的进口高含硫 原油增加，引起产品中h 2 s 含量的增加，近3 年来储罐上发现的新生缺陷比以前严 重得多”。 当前影响石化企业压力容器安全运行的突出问题有6 个：一是2 0 世纪8 0 年代 中期以前投用的数十万台压力容器质量严重先天不足，仍然存在着大量的超标缺 陷二是随着石化企业工艺技术的发展，特别是进口高含硫原油的加工，介质腐蚀 性愈加严重，温度、压力条件愈加苛刻。例如催化裂化装置中的再生器，过去使用 2 0 多年也没有开裂，近几年为提高效益而加大渣油加入量，随之而来的应力腐蚀 使有些再生器仅投用1 年多时间就开裂了。又如液化天然气储罐的大量使用，促使 大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究 低温容器越来越多。三是部分石化企业中存在着相当数量超期服役的压力容器。 四是设备的大型化导致低合金高强钢的广泛应用，但在提高强度的同时，会引起 裂纹的敏感性增强，抗应力腐蚀性能降低。五是有些企业的某些设备长期带伤运 行，企业为了短时效益而知情不报或不检，这是最危险的。如某厂大型蒸发器由于 严重的应力腐蚀导致多次开裂泄漏，而且修复后使用几个月就又开裂。为了不影 响生产，厂方采取不检不报的方法使设备长期带伤运行。据调查，同行业中这种蒸 发器都存在同样的问题。六是有些检验人员技术水平不高或责任心不强，尤其是 近几年应力腐蚀问题的增多，使不少检验人员感到力不从心，造成检验结果的质 量下降。 压力容器的法兰接口用来对接其它设备，法兰密封面和密封槽的损坏直接影 响压力容器的安全生产，所以法兰接口的密封性是每个压力容器都必须长期保证 的。然而，压力容器在使用过程中，通常处于高温、高压的环境中，并且有些介 质具有强腐蚀性，使法兰面密封槽的工况环境更加恶劣，致使法兰面密封槽极易 生成裂纹。为抑制裂纹的长大，定期对压力容器进行保养维护，去除法兰面密封 槽已有裂纹的金属层，并加以修复是非常有必要的，也是必须的。但压力容器一 般体积大、重量重，用常规的机械加工设备修复密封槽缺陷时无法就地加工，使 压力容器的法兰面密封槽在线修复处理难度极大，而离线修复时，投入的人力、 物力又太大，所以成本高，工期长，停产时间长。对工业生产影响大。本课题就 是针对这一问题进行研究，解决压力容器法兰面密封槽的在线修复难题。 解决 此难题将会延长压力容器的使用寿命，给压力容器的使用厂家带来直接的经济效 益。 1 2 国内研究现状 目前，压力容器的法兰面一但出现问题，国内修复压力容器法兰面密封槽所 采用的方法基本是离线处理法，即将压力容器运回制造厂家用大型的落地镗床进 行返修加工，运输的费用以及返惨过程带来的停产，给压力容器使用厂家造成极 大的经济损失。国内有些单位设计了修复法兰面的一些专用加工装置，对现有的 机床进行改造来修复等。但都有一定的加工局限性，适用于一定的加工范围。运 动链较多，手动调刀具，对于大型法兰的加工非常不便。 辽宁石油化工大学根据法兰类零件端面现场加工的要求，提出了一种适合于 现场加工使用要求的加工机设计方案。主要用于现场加工简节端部各种形状的焊 接坡口与端面。解决焊接时的开坡口与法兰密封面的重新加工问题。加工机分成 动力站单元、动力罩单元、回转与变速单元、支撑夹紧单元。加工机通过夹具体 和卡头安装定位在工件上。采用低速大扭矩液压马达作为驱动元件马达带动一对 锥齿轮旋转，其中大锥齿轮通过螺栓与回转身联为一体，从而使回转身围绕主轴 2 硕士学位论文 旋转；主轴上有一个大齿轮，该大齿轮通过键与主轴联接，相对于工件静止不动 变速箱通过螺栓与回转身连接，与回转身一起围绕主轴旋转；变速箱中有一个齿 轮与主轴上的大齿轮啮合，将动力传递到变速箱中；经过变速箱变速后，动力又通 过齿轮传递到切削臂上的丝杠轴上；丝杠带动刀架沿工件径向方向运动，从而完 成刀具的径向进给运动；通过刀架上的手动调节机构，实现刀具沿工件轴线方向 的进给，完成一定量的切削深度控制n 1 浙江工业大学研究设计了一台移动式加工机床，针对在现场施工和检修中 加工管道、阀门、压力容器等设备的法兰面或端部。该机床由主轴主传动部件、 进给箱部件、转臂、刀架部件和机架固紧部件等四大部分组成。整个主轴主传动 部件安装在机架紧固部件上，主轴相对被加工件静止，动力和运动由电机传至v 带，再经蜗杆蜗轮传动，通过蜗轮座与转臂刀架部件的固联，将动力和运动传给 转臂刀架部件及进给箱部件。运动由进给箱的回转，带动各级齿轮转动，将运动 传给转臂刀架部件中的丝杠和光杠，使刀架完成横向进给和纵向进给。机架的紧 固部件由加紧主件和调节找正附件组成，先利用调节找正附件加紧主件置于法兰 内孔中进行调整，使其加紧主件轴心线与法兰内孔中心线尽可能重合，加紧主件 由三个螺柱组成楔紧机构将其紧固于法兰内孔上。 抚顺职业技术学院对加氢换热器的法兰密封面的修复问题进行研究，利用 d 2 0 0 落地车床。以车代镗进行法兰密封面的修复加工。改造重配巾2 5 0 0 m m 卡盘。 将该设备的加工能力扩大到加工直径为巾2 6 0 0 m m ，中心高为1 3 2 0i m 。另外卡盘 上设有可纵向、横向移动的刀架装置，该机床利用卡盘的旋转带动附加刀架来代 替大型镗头使用，其加工直径可达巾2 4 0 0 m m 且该设备有可移地平台，其加工 长度可长达2 0 m 。将壳体组件放置于地平台上并固定，来修复加工法兰密封面。 对法兰密封面进行加工时小拖扳的纵向移动可切深上刀，平面的加工用中拖板、 卡盘旋转、手动均匀地摇动手把加工平面哺3 1 3 本文研究的主要内容 本文针对压力容器法兰密封面的在线修复存在的问题，提出了法兰密封面的 在线修复的方案。研制了用于在线修复的数控机床，实现了压力容器法兰密封面 的在线修复。本文的主要内容如下： 1 压力容器法兰密封面在线修复方案的研究 ( 1 ) 对压力容器的结构特点进行了深入的分析 ( 2 ) 深入研究了压力容器的损伤规律。 ( 3 ) 研究了压力容器的法兰密封面的修复工艺。 ( 4 ) 确定了修复加氮反应器法兰密封面的实现方案。 2 修复法兰密封面数控机床的研制 大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究 基于所研究的法兰密封面的实现方案，进行修复机床的结构和控制系统设 计，包括机械系统、液压系统、控制系统的设计等。 3 机床控制系统的软件设计开发 选用三菱公司的f x p c s w i n c 软件进行人机界面的开发，可以方便地对 系统进行状态监控和参数设置，为操作者和控制系统之间提供了一个友好的交流 界面。根据机床的加工流程，对p l c 进行软件设计。 4 机床旋转系统的平衡问题研究及实现 以旋转机构的动平衡理论为基础，对机床的旋转系统存在的不平衡问题进行 了研究。 硕士学位论文 第2 章压力容器法兰密封面的在线修复方案 2 1 压力容器及法兰密封面的结构特点、损伤规律分析研究 2 1 1 加氢反应器的作用、结构及操作条件 加氢工艺于1 9 2 7 年即在工业上得到应用，但由于高压设备供应困难，耗用 合金钢材多，投资大，所以在石油炼制中长期没有得到迅速发展。该过程具有工 艺流程简单、生产灵活性大，而且产品收率高，质量好等特点，因此，加氢工艺 作为现代化的炼油技术己被各国炼油行业广泛应用。加氢工艺主要包括两种技 术，一种是加氢精制，一种是加氢裂化。加氢精制的主要目的是除去油品中的硫、 氮、氧、金属杂质和饱和烯烃，以改善油品的安定性、感铅性、颜色、气味、燃 烧性能及粘度指数等。原料油在催化剂和高压氢气存在的条件下，约1 7 5 4 5 5o c 温度时进行加氢反应。加氢裂化是六十年代发展起来的炼油新工艺，是炼油技术 的一项重要成就。加氢裂化是烃类在高压氢气和催化剂存在下转化为低分子量产 物的过程。其化学反应包括饱和、还原、裂化和异构化，十分复杂1 为获取高质量的石油加工产品或增产石油化工原料和中馏份油，以及适应高 含硫原油、劣质原油深加工的需要与改善环境条件等目的，在现代化石油加工工 业中出现了加氢工艺装置。与此同时，加氢装置中的关键设备热壁加氢反应器的 设计及制造技术也有了长足的进步。加氢反应器分为加氢精制反应器和加氢裂 化反应器。顾名思义，加氢反应器在加氢装置中的主要作用就是为原料油与氢气 在催化剂和温度压力条件下进行反应提供场所 目前国内外较为成熟的加氢反应器主要有三种结构形式：整体锻焊式，单层 卷板式，多层组合式其中第一、第二种国内已有采用。从结构形式上说，反应 器本体从使用单层壁开始，随着大型化的需要在板厚质量得不到保证的前提下， 曾经出现过多层容器结构后来由于厚钢板和大锻件技术的出现到7 0 年代中期 多层结构就不再使用到了7 0 年代后期由于冶炼、锻造技术的进步，单层锻造 结构或厚板卷焊结构的反应器又逐渐占领统治地位。加氢反应器的器壁结构，开 始为了解决氢蚀和硫化氢腐蚀以及过热等问题，采用了反应器内表面加衬非金属 隔热衬里的冷壁结构，或送入温度不高的氢气以达到保护反应器不直接受高温高 压氢腐蚀的一种所谓带“瓶衬”的冷壁结构随着冶金技术和堆焊技术的进步， 后来出现了热壁结构到6 0 年代末7 0 年代初国外基本上使用了热壁结构的加氢 反应器。在国内自8 0 年代后期相继研制成功和采用技贸结合形式与国外合作制 造出热壁加氢反应器以来，在新建的加氢装置中也采用了热壁结构的反应器 8 1 。 5 大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究 热壁结构与冷壁结构比较有以下优点： ( 1 ) 热壁反应器器壁相对不易产生局部过热现象，从而可以提高使用的安全 性。冷壁结构在生产过程中隔热衬里较易损坏。热流体渗到壁上导致器壁超温使 安全性受到威胁，被迫停工。 ( 2 ) 热壁结构可以充分利用反应器的容积，其有效面积利用率( 反应中催化剂 装入体积与反应器容积的比值) 可达到8 0 9 0 ，而冷壁结构一般为5 0 - 6 0 。 ( 3 ) 热壁结构施工周期较短，生产维护较方便。 加氢反应器工作于4 0 0 以上、2 0 m p a 左右压力的高温高压临氢条件下，且 进入加氨反应器内的物料往往含有硫、氮等杂质，将与氢反应生成具有腐蚀性的 硫化氢和氨。加氢反应是放热反应，在反应过程中生成很高的反应热( 6 3 0 8 4 0 u ， k g ) 使床层温度升高，但是又不应该出现局部过热现象，因此在正常操作时需要 间断的向反应器内通入温度为1 3 5 。c 急冷氢，来降低反应温度。氢气流量以氢油 比表示，氢油比高有利于加快反应速度，提高转化率，延长催化剂的使用寿命， 但是能量消耗大，所以综合考虑各种因素，氢油比限制在1 0 0 0 - 2 0 0 0 之间一 根据加氢反应器的操作条件，加氢反应器一般结构细长，采用球形封头，密 封结构可以是双锥密封或梯形槽密封，图2 1 所示是我国首台国产千吨级加氢精 制反应器，其中采用的是梯形槽密封。图2 1 所示加氢精制反应器的工作原理是： 氢气和原料油按一定的氢油比从顶端的进口管进入加氢反应器，经入口分配器均 匀分布在反应器的催化剂上，在催化剂床层中发生反应，由于该反应是放热反应， 为了调节反应器内的温度，从左侧的冷氢管加入冷氢，冷氢与油气在冷氢箱内充 分混合，以吸收反应热，避免反应器超温，加氢精制的过程是分段进行的，经过 多段催化反应，生成的成品油经反应器下端的出口收集器从出口管流出，底部的 卸料管是用来停工时卸料用的。 加氢反应器的内壁需要堆焊耐腐蚀性的材料，由于它与基层的可焊性不好， 需要在它们之间再堆焊一层过渡层金属，为双层堆焊工艺。由于法兰密封面的密 封槽区域受到密封垫圈的挤压作用，在密封槽区堆焊层的处理工艺与压力容器内 部堆焊层的处理工艺有所不同，压力容器内腔两层堆焊层( e 3 0 9 l + e 3 4 7 ) 完成后， 进行热处理以消除焊接应力，对密封槽区的要求是过度堆焊层e 3 0 9 l 完成后，经 过热处理消除焊接应力，再完成堆焊层e 3 4 7 的堆焊，对密封槽区的堆焊层e 3 4 7 不允许热处理。这种工艺决定了密封槽的最终加工只有在法兰与压力容器的筒体 成为一个庞大整体后进行。 2 1 2 加氢反应器的国产化 加氢反应器是炼油行业的关键设备，加氢反应器的操作条件十分苛刻，高温、 高压、临氢的工作条件，对加氢反应器的结构设计、制造与检验提出了很高的要 6 硕士学位论文 求1 ” 田2 加氢精制反应嚣 在我国，加氢反应器的研究起步较晚，早期以引进国外产品为主，但在工程 技术人员的共同努力下，大约从7 0 年代中期我国开始自行研制加氢反应器，到 目前为止，已取得了不小的成就“”。到1 9 7 7 年，国内采用热套结构制造加氢反 应器发展十分迅速，并取得了一定的成果。为加快我国炼油工业的步伐，提高油 质的品位，“七五”期间国家将热壁加氢反应器的研制列为重大技术装备攻关项 目之一“”上海锅炉厂、第一重型机械厂和兰州石油化工机器厂等单位，从1 9 8 8 7 大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究 年开始从事锻焊结构热壁加氢反应器的研制工作，己研制成功4 0 0 t 和6 0 0 t 锻焊 结构热壁加氢反应器“”上海锅炉厂承制的5 6 0 t 加氢裂化反应器，是到1 9 9 7 年为止国内制造成的技术要求高、单件最大、最重的加氢反应器。它的制造成功， 使后来6 0 0 t 级的热壁加氢反应器可立足于国内，对今后石油化工用大型高压容 器国产化具有重要意义“” 自从我国自行研制、开发出第一台加氢反应器后，迄今为止，国内市场已有 一百多台热壁加氢反应器，初步实现了国产化。为获得较佳的经济效益，目前加 氢反应器的制造正趋向于大型化。1 9 9 0 年日本制钢所为加拿大建造了两台质量 均为7 4 0 t 的h - o i l 法重质油加氢裂化反应器，这是装置大型化的先驱。目前， 国家“九五”重点项目、我国首台年产1 4 1 万吨加氢裂化装置关键设备一一锻焊 结构千吨级热壁加氢反应器已由一重集团公司制造完工，其单台重量分别为9 6 0 t 和7 8 0 t ，单件全长3 6 m 。它标志着一重集团公司已成为目前世界上第3 个具备 生产千吨级加氢反应器的公司之一“”。我国制造加氨反应器的技术实力己有很 大提高，主要体现在：( 1 ) 制造能力和大型化进展较快。近年来我国己经设计制造 了内径4 2 m 和重量ik t 的大型加氢反应器，其制造周期也在缩短，由过去的 1 6 1 8 个月，到现在的1 3 个月。( 2 ) 性能和质量都大大提高。( 3 ) 开发了大型反 应器的现场组焊技术。( 4 ) 建立了反应器内件实验研究装置。( 5 ) 开发出加钒的新 c r m o 钢“” 2 1 3 加氢反应器的损伤规律的研究 加氢反应器的主要损伤形式有：高温氢腐蚀、氢脆、高温硫化氢腐蚀、高温 蠕变和回火脆性。加氢反应器有几个典型的高应力区：( 1 ) 顶部接管与封头相接 处；( 2 ) 封头与简体线性变厚度过渡连接处；( 3 ) 冷氢入口接管与壳体相连处；( 4 ) 裙座与底部封头相接处；( 5 ) 反应产物出口与底封头连接处。这些区域不仅是由 于结构的不连续而形成高应力区，还因为加氢反应器高温工作条件的原因而产生 较高的热应力。 2 1 3 1 反应器基层( 2 1 14 c r - 1 m o ) 损伤 1 焊接制造过程中损伤 ( i ) 回火脆化大厚度c r m o 钢焊后长时间热处理产生的重要材质损伤。 ( 2 ) 冷裂纹。大厚度、高淬硬性、高焊接应力下c r m o 钢焊接，冷裂纹倾向 是突出问题。 ( 3 ) 再热裂纹。内层不锈钢堆焊过程中，发生在焊道搭接处下方基层热影响区 中的重要缺陷。 2 运行过程中损伤 ( 1 ) 回火脆化。这是加氢反应器运行过程中基体材质遭受的最严重损伤之一， 颈学位论文 它使材料韧性不断下降、脆性转变温度不断升高。回火脆化主要由钢中p 、s 、 s n 、s b 、a s 等微量杂质在晶界偏聚所引起，s i 、m n 也有不利影响，反应器制造过 程中，通过控制材料回火系数j 、x 及材料转变温度参数来保证设备的安全运行 反应器运行过程中，通过定期对置于反应器内并随其一起运行的试块进行试验分 析( 每5 - 6 年取出一块试验) 以评定反应器基体材料的脆化程度及其对运行安全 性的影响。 ( 2 ) 氢腐蚀。高温( 2 0 0 ( 2 ) 、高压、临氢状态下钢材会产生氢腐蚀( 不可 逆氢脆) ：p e 3 c ( 碳化物) + 4 h 一3 f e + c h 4 ；c ( 固溶碳) + 4 h c h 4 ，结果导致钢材产生 脱碳、晶界显微裂纹和表面鼓包，从而引起材料塑性下降，甚至引起设备开裂和断 裂。 ( 3 ) 氢脆。运行中反应器壁材料吸氢，反应器停止运行期间，特别是当残存的 氢在焊接区积聚时，器壁材料中残存的氢将可能引起材料脆化( 可逆的脆化) 。 ( 4 ) 蠕变脆化。加氧反应器运行温度4 4 0 达到材料熔点( 绝对温度) 的4 0 以上，存在蠕变脆化。 ( 5 ) 回火脆化和氢脆迭加作用，回火脆化后材料抵抗氢脆能力下降。 ( 6 ) 氢腐蚀和蠕变脆化迭加作用。氢腐蚀引起钢材脱碳，从而降低蠕变强度， 孀变应变的施加将加速氢腐蚀和脱碳“”。 2 1 3 2 堆焊层( t p 3 0 9 l + t p 3 4 7 l ) 损伤 1 制造( 堆焊及热处理) 过程损伤 ( 1 ) 堆焊层金属中存在热裂纹和。相脆化。热裂纹。是奥氏体不锈钢焊接 的主要匈题之一，为解决热裂纹问题，焊缝金属须为奥氏体+ 铁素体双相组织，且 规定6 一铁素体质量分数应 5 时，堆焊层金属就会显著 脆化。因此，堆焊金属中6 一铁素体质量分数应控制在3 一1 0 。 ( 2 ) 过渡区( c r m o 钢和c r - n i 不锈钢之间) 材质脆化和开裂。堆焊层由于基材 稀释作用，在熔合区不锈钢焊缝侧出现脆性马氏体带；堆焊及热处理过程中熔合 区基材侧碳原子扩散至不锈钢焊缝侧马氏体带，使马氏体区材质进一步脆化；堆 焊层熔合区由于两侧材料热胀系数相差较大将产生较大的焊接残余应力，因此易 在熔合区引发裂纹和堆焊层剥离。 ( 3 ) 堆焊层下冷裂纹和再热裂纹。凸台及相邻堆焊焊道搭边处下方易出现 2 运行过程中产生的损伤 ( 1 ) 堆焊层表面裂纹。堆焊层金属制造过程中产生的。相在运行过程中吸氢 ( 高温，高压，临氢条件) 会引起t p 3 4 7 l 堆焊层金属延性严重下，当。相吸氢 9 大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究 2 0 1 0 。- - 5 0 1 0 1 后极易引起沿吸氢的o 相开裂并扩展。 ( 2 ) 不锈钢堆焊层剥离。运行过程中加氢反应器壳体吸收的氢在停车过程或 停车以后会在熔合区堆焊层侧聚集，当氢的浓度达到一定临界值时即沿熔合面上 粗大奥氏体晶粒间界发生开裂并扩展导致剥离。 ( 3 ) h 2 s 和连多硫酸应力腐蚀开裂。运行中加氢反应器器壁和介质中硫化物 作用生成f e s ，在停车期间f e s 与空气中的氧和水分发生反应生成连多硫酸 h 2 s x 0 6 ( x = 3 、4 、5 ) ，并可能导致堆焊层金属产生沿晶型应力腐蚀开裂。敏 化态不锈钢堆焊层对连多硫酸应力腐蚀裂纹较敏感。 ( 4 ) c 1 一应力腐蚀开裂。反应器介质中若含有水分和c l - 即可能导致堆焊层金属 产生c 1 一引发的穿晶型应力腐蚀开裂。介质中含氢会加剧c 1 一应力腐蚀“。 2 2 加氢反应器的法兰密封面的修复工艺的研究 1 法兰密封面的修复工艺 加氢反应器的法兰端面密封槽产生裂纹后，不能轻易决定用补焊的方法修 复，因为在它的晶格内部已经聚集了许多氢，稍有不慎就要产生裂纹，甚至是报 废。应该用研磨、车削的方法进行修复。在修复之前要对其进行脱氢处理。根据 裂纹大小分为两种修复情况：一种是只有表层有裂纹，对过渡层影响不大，其修 复工艺是：铲除具有裂纹的表层一重新堆焊耐腐蚀性的表层金属一探伤一机械加 工密封面；另一种是裂纹已经生长到过渡层金属，甚至达到了基层金属，其修复 工艺是：铲除具有裂纹的所有金属层一堆焊过渡层金属一热处理( 消除焊接应力) 一探伤一堆焊耐腐蚀性的表层金属一探伤一机械加工密封面。 2 法兰密封面的梯形槽的形状及轨迹的形成 用于加氢反应器的法兰密封槽的形状主要是梯形槽如图2 2 ，梯形槽的底角 a 主要有1 5 。、2 0 。、2 3 。、2 5 。、3 0 。和4 9 。等。图2 2 中，图a 1 为不带过 渡圆角的形状，图b ) 为底边带过渡圆角，图c ) 为底边和顶边都有过渡圆角的情 况。 a ) l o 硕士学位论文 b )c ) 图2 2 梯形槽的形状 法兰密封槽是在两层堆焊层完成之后，再进行机械加工成形的。堆焊层会把 整个槽形覆盖，在加工时需要先加工出一个直槽，在根据梯形槽的角度加工出最 终的槽形。 加氢反应器的法兰密封槽的尺寸比较大，使用成型刀具加工时会产生纵向刀 纹，无法达到加工要求。采用普通刀具加工时，由于刀具的干涉无法一次加工成 形，需要分两次加工，分别采用两个方向的刀具加工梯形槽的两个侧面。加工刀 具的走刀轨迹如图2 3 所示。 ) 别嗽 b ) 别瞅 d ) 大型压力容器法兰密封面在线修复技术的研究 冒 g ) 图2 3 刀具走刀的轨迹 图2 3 中的图a ) 和b ) 为加工的梯形槽不带过渡圆角，分两次分别加工。图 c ) 、d ) 、e ) 、f ) ，为梯形槽带过渡圆角的两种情况的加工轨迹。图g ) 为刀具有 三边为刀刃，可以一次走刀加工，分别依次用三个刀刃加工一个侧面、底边和另 一个侧面。但由于这种刀具磨刀较难，一般加工可不采用。 2 3 实现压力容器法兰密封面在线修复的技术方案 由于机械加工手段的制约，使压力容器的法兰端面和密封槽在现场维修处理 难度很大，离线修复时，投入的人力物力大、成本高、工期长、停产时间长，对 工业生产影响很大，这使得炼化生产厂在法兰没有发生泄漏时，都不主动打开对 接法兰进行裂纹处理，而任其裂纹生成及扩展。针对压力容器现场修复的瓶颈问 题，设计了直接安装在压力容器法兰上对其法兰进行机械加工的数控机床。 2 3 1 实现在线修复的条件 某炼油厂用于高分子原油进行裂解反应的加氢反应器如图2 4 所示，高为 2 9 5 m ，直径为巾3 8 m ，零件质量为1 1 0 3 x 1 0 6k g 反应器工况为高温、高压、 腐蚀性介质。加氢反应器顶部进料口大法兰的结构如图2 5 所示。 1 2 硕士学位论文 一 “ 二h 、 、 p 加氢口 击兰 3 8 0 0 一l 、 l l 图2 4 加氢反应器 图2 5 加氢反应嚣顶部进料日大法兰的结构 1 加工密封面的技术要求包括以下几个方面： ( 1 ) 加工面粗糙度应满足3 2 朋。 ( 2 ) 法兰端面与其轴线相互垂直。偏差不能超过3 0 ( 3 ) 梯形槽的斜坡面的角度为2 3 。其误差为3 07 ( 4 ) 法兰材料为不锈钢类粘性材料，焊接完成后进行去应力处理 2 在线修复对机床的要求： ( 1 ) 体积小、重量轻、移动方便，操作简单，实现在线修复法兰密封面。 ( 2 ) 满足法兰密封面的加工要求。 ( 3 ) 针对法兰端面直径为由6 0 0 - 由2 2 0 0 m m 孔径为由6 0 0 - 由1 6 0 0 m m 直槽或双 2 3 。梯形槽的法兰密封面的加工。 大型压力容器法兰密封面在线惨复技术的研究 3 实现在线修复技术的难点： ( 1 ) 机床如何安装，来保证机床的中心与法兰轴线的重合、加工时法兰端面 与其轴线相互垂直。 ( 2 ) 机床用于现场修复，也可用于制造厂对法兰密封面的加工，要求移动方 便、结构简单，传动链尽量少，传动系统要求结构紧凑。 ( 3 ) 加工法兰密封面和密封槽采用刀具绕法兰轴线旋转加工，机床的旋转装 置在加工中由于刀架的移动产生的不平衡问题。 ( 4 ) 对机床的操作的考虑，由于压力容器有2 9 米高，机床安装在上面，不利 于人工操作，采用远程控制操作机床，其控制系统的设计应兼顾远程控制器。 2 3 2 总体方案 合理地确定机床的总体布局，是机械设计的重要部分，其主要内容有：确定 机床形式，确定机床具有的主要零部件及其相对位置关系等。通用机床和某些专 门化机床的布局形式己基本定型，称为传统布局。专用机床则根据工件特定工艺 方案和运动方案确定其布局。工件的形状、尺寸、重量等对机床总体布局有重要 的影响。对加工精度、表面粗糙度要求较高的机床，在总体布局上亦应采取相应 措施，以保证提高机床的精度、刚度，减小振动、热变形等。机床的生产批量对 其布局有较大影响，用于单件小批生产的机床布局，应保证工艺范围广，调整方 便，丽生产率可以低些；用于大批量生产的机床布局，则应适于高生产率要求， 而工艺范围及调整方便程度可低些。 针对加氢反应器体积大，重量大，移动不方便，机床安装在加氢反应器法兰 上。由于加工半径较大，主轴承受扭矩较大，而转速要求不高，采用液压马达作 为主驱动，与旋转部分采用直连方式可以实现无级调速，避免了设计变速装置 带来困难，造成变速装置复杂、体积大。旋转部分为悬臂式设计，刀架可在悬臂 上自由移动，有两个步进电机控制刀具的移动，完成插补加工。 1 修复机床的总体结构 机床的总体结构由四个部分组成：l 、机床，2 、液压站，3 、控制柜，4 、手 持操纵控制盒。如图2 6 所示。 2 修复机床的主要运动形式 ( 1 ) 主运动：刀具绕法兰孔轴线的旋转运动。 ( 2 ) 端面进给运动：刀具在法兰端面的径向运动。 ( 3 ) 平行法兰孔轴线的进给运动：平行法兰端面的吃刀运动。 ( 4 ) 密封槽侧面的进给运动：由刀具径向运动与刀具平行法兰孔轴线的运动合 成实现 3 修复机床采用的安装形式 修复机床安装在待加工的法兰上，为了保证加工密封槽的同心度，与法兰端 1 4 硕上学位论文 图2 6 加工机床的系统结构图 面的平行度，机床的正确安装是很重要的，通过设计一个附件保证安装的正 确位置。 4 驱动方式的确定 从机床的机械结构考虑，主运动由液压马达驱动，可以实现无级调速，避免 了设计变速装置带来困难，造成变速装置复杂、体积大。 两个方向的进给运动是采用步进电机驱动。 5 电气控制系统： ( 1 ) 为了方便操作者站在合适的位置操作机床加工，根据加工情况随时控制 加工，采用控制柜和操作控制器分离设计 ( 2 ) 由于主运动是旋转运动，采用步进电机，炭刷滑环作为转换线路可以 避免电机的电线在加工过程中带来的不便。 ( 3 ) 现有的数控系统使用不方便或成本高，采用自行开发的控制系统 2 4 本章小结 本章阐述了石油炼制中常用的加氢反应器的发展，对加氢反应器的结构特点及其