加氢----筒体的制造工艺设计.doc

加氢反应器制造工艺设计一：加氢反应器的设计背景工程科学是关于工程实践的科学基础，现代过程装备与控制工程是工程科学的一个分支，因此，生产实习是工科学习的重要环节。在兰州兰石集团实习期间，对化工设备的发展前景和各种化工容器如反应釜、换热器、储罐、分液器和塔器等的有所了解和学习。生产实习的主要任务是学习化工设备的制造工艺和生产流程，将理论知识与生产实践相结合，理论应用于实际。因此，过程装备与检测的课程设计的设置是十分必要的。由于我们实习的加工车间正在进行加氢反应器的生产，而加氢反应器是石油化工行业的关键设备，其生产工艺和设计制造在化工设备中具有显著的代表性，为此，选择加氢反应器这一典型的化工设备作为课程设计的设计题目。二：加氢反应器的主要设计参数 1：引用的主要标准及规范 国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监察规程（99）版 GB150-1998 钢制压力容器 GB6654-1996 压力容器用钢板（含1、2号修改单） JB4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定 JB/T4709-2000 钢制压力容器焊接规程 JB4744-2000 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验 JB/T4730-2005 承压设备无损检测 JB4726-2000 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件 JB4728-2000 压力容器用不锈钢锻件 GB/4237-2007 不锈钢热轧钢板和钢带 GB/T3280-2007 不锈钢冷轧钢板和钢带 GB/T3077-1999 合金结构钢 GB/T14976-2002 流体输送用不锈钢无缝钢管 JB/T4711-2003 压力容器涂敷与运输包装2 主要技术参数表一设计压力5.750.1MPa设计温度375177最高工作压力4.88MPa最高工作温度343容器类别三类容器容积78.2立方米腐蚀裕量0水压试验立式7.47卧式7.55MPa盛装介质石脑油、油气、氢气、硫化氢主体材质15CrMoR3 结构特点该加氢精制反应器为板焊结构，其内径4000，壁厚98，由2节组成；封头内半径2022，壁厚78，总重量94550Kg。整个容器位于裙座圈上，总高度约14011，容器内壁（包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆焊309L+347 不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。4 使用特点及需解决的问题由于热壁加氢反应器是在高温、高压、临氢及硫和硫化氢介质条件下使用的，因此决定了该设备在使用过程中将会出现：氢腐蚀、氢脆、高温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、堆焊层的剥离、CrMo五钢的回火脆性破坏等问题。5 材料要求5.1 锻件和钢板用15CrMo钢硬是采用电炉冶炼加炉外精炼炉精炼，和真空脱气等工艺方法生产的本质细晶粒镇静钢5.2 钢板和锻件均应进行正火（允许加速冷却）加回火热处理，热处理工艺应根据材料化学成分和截面尺寸大小由钢材生产厂确定，冷却速度的大小以保证达到力学性能的要求为原则5.3 材料力学性能试板应进行模拟焊后热处理，即模拟制造过程中壳体材料可能经历的最大程度的焊后热处理（Max.PWHT）和最小程度的焊后热处理（Min.PWHT），包括所有482以上的中间和最终焊后热处理过程，其热处理工艺为：封头 热成形 （900-950） 90分钟正火 910120分钟 回火 690150分钟，空冷 热成形 （900-950） 30分钟正火 9104050分钟回火 6906070分钟 5.4 筒体 封头用15CrMo钢板除应满足GB6654-1996（含1、2号修改单）的规定外，尚应满足技术条件的要求5.5 钢板的化学成分符合下表二的规定，熔炼分析按炉（灌）号取样，成品分析按轧制张张取样（可以从室温拉伸试验断裂后的试样上切取），按GB/T223标准规定 表二 15CrMoR钢板的化学成分 （Wt%）化学成分CSiMnPSCrMoCuNiSn熔炼分析0.050.170.150.400.400.650.0100.0100.801.150.450.600.200.200.012成品分析0.040.170.130.450.400.650.0120.0120.741.210.400.650.200.250.0155.6 15CrMo钢板经正火加回火热处理，再经模拟焊后热处理后的力学性能应符合下， 力学性能试验按轧制张逐张进行，其取样位置，试样数量及热处理状态应符合下表四的规定序号试验项目单位力学性能值1室温拉伸强度MP4505852室温屈服强度室温延伸率室温断面收缩率MP2753%224%45515720夏比冲击功J三个试样平均值41一个试样最低值316室温弯曲实验高温屈服强度d=2a，弯曲180无裂纹7MP204 表三 15CrMoR钢板的力学性能 5.7 钢板生产厂必须以试板进行正火加回火加模拟焊后热处理其各项性能均应满足本技术条件的要求5.8 钢板应按JB/T4730.3-2005的规定进行超声检测，必须进行100%扫查，验收标注为级5.9 总图三： 方案论证过程条件 加氢反应是可逆、放热和分子数减少的反应，根据吕查德里原理，低温、高压有利于化学平衡向加氢反应方向移动。加氢过程所需的温度决定于所用催化剂的活性，活性高者温度可较低。对于在反应温度条件下平衡常数较小的加氢反应（如由一氧化碳加氢合成甲醇），为了提高平衡转化率，反应过程需要在高压下进行，并且也有利于提高反应速度。采用过量的氢，不仅可加快反应速度和提高被加氢物质的转化率，而且有利于导出反应热。过量的氢可循环使用。 常用的加氢反应器有两类：一类用于高沸点液体或固体（固体需先溶于溶剂或加热熔融）原料的液相加氢过程，如油脂加氢、重质油品的加氢裂解等。液相加氢常在加压下进行，过程可以是间歇式的，也可以是连续的。间歇液相加氢常采用具有搅拌装置的压力釜或鼓泡反应器。连续液相加氢可采用涓流床反应器或气、液、固三相同向连续流动的管式反应器。另一类反应器用于气相连续加氢过程，如苯常压气相加氢制环己烷、一氧化碳高压气相加氢合成甲醇等，反应器的类型可以是列管式或塔式。工业应用 加氢过程在石油炼制工业中，除用于加氢裂化外,还广泛用于加氢精制,以脱除油品中存在的含氧、硫、氮等杂质，并使烯烃全部饱和、芳烃部分饱和，以提高油品的质量。在煤化工中用于煤加氢液化制取液体燃料。在有机化工中则用于制备各种有机产品，例如一氧化碳加氢合成甲醇、苯加氢制环己烷、苯酚加氢制环己醇、醛加氢制醇、萘加氢制四氢萘和十氢萘（用作溶剂）、硝基苯加氢还原制苯胺等。此外，加氢过程还作为化学工业的一种精制手段，用于除去有机原料或产品中所含少量有害而不易分离的杂质，例如乙烯精制时使其中杂质乙炔加氢而成乙烯；丙烯精制时使其中杂质丙炔和丙二烯加氢而成丙烯；以及利用一氧化碳加氢转化为甲烷的反应，以除去氢气中少量的一氧化碳等。 四：制造工艺设计.选材在高温、高压下，氢与钢材中的碳原子能化合生成甲烷，使钢材变脆,称为氢蚀。故高压加氢的反应器,必须采用合金钢材。氢是易燃、易爆物质，加氢过程必须考虑安全措施。 在石油加氢装置中Cr-Mo系低合金耐热抗氢钢得到广泛的使用。钢15CrMoR（相当于1Cr-0.5Mo）在500550有较高持久强度，长期运行也无石墨化倾向，在石油化工中允许使用温度为350500，有抗氢要求使用下限温度。1.11 15CrMoR属低碳珠光体耐热钢，有利于工艺性；1.12组织中的铁素体份额高，限制其强度级别为300MP；1.13 钢材中0.5%的Mo提高组织稳定性；1.14 Cr起固溶强化作用，同时组织石墨化倾向。从操作工况看，该加氢反应器的基材选15CrMoR即满足要求。封头堆焊层的选择石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。带极电渣堆焊是利用导电熔渣的电阻热熔化堆焊材料和母材的，除引线阶段外，整个堆焊过程应设有电弧产生。随着压力容器日趋大型化、高参数化，促使堆焊技术向更优质更高效的方向发展。带极电渣堆焊技术具有比带极埋弧难焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的焊缝成形等优点，得到迅速发展和较普遍的应用。4.筒体制造工艺的设计4.1筒体制造工艺简明流程图材检喷砂探伤号料下料刨坡口探伤筒体成形装焊纵缝校圆喷砂打磨探伤加工环缝组焊环缝打磨探伤堆焊过渡层探伤堆焊表层探伤组装4.2筒体制造工艺过程卡片 4.2.1.筒节材检 1）筒体用15CrMoR钢板除应满足GB6654-1996规定外，还应符合1572-00-JT中的有关要求； 2）材料质证齐全，标记清楚。 4.2.2.喷砂 喷砂清理钢板表面氧化皮 4.2.3.探伤 钢板逐张按JB/T4730.3-2005进行100%UT检测，级合格 4.2.4.号料 1）号筒体下料线，刨边线、检查线，L=12898 2) 号筒体纵缝试板一对，规格600120101 4.2.5.下料 按线气割下料，清除熔渣 4.2.6.刨坡口 按图刨筒体纵环向接头坡口，削边段坡口暂不加工4.2.7.探伤 坡口进行100%MT检测,按JB/T4730.4-2005中级合格 4.2.8.筒体成形 筒体在美三辊卷板机上冷卷成形，符合图样要求 4.2.9.装焊纵缝 1）组装筒体纵向接头，控制对口错边量3 2）焊接详见焊接工艺说明书 3）带筒体纵缝试板一对 4）打磨.清理焊缝表面 4.2.10.校圆 1）退火 执行热处理工艺说明书 2）筒体在美三辊卷板机上进行校圆，检查几何尺寸，符合GB150的有关规定 3）带筒体纵缝试板一对 4.2.11.喷砂 喷砂清理表面氧化皮 4.2.12.打磨 打磨、清理焊缝表面 4.2.13.探伤 1）焊接接头进行100%RT,按JB/T4760.2-2005中级合格 2）焊接接头进行100%UT,按JB/T4760.3-2005中级合格 3) 焊接接头进行100%MT,按JB/T4760.2-2005中级合格 4.2.14.加工环缝 立车加工筒体与封头相焊一端削边坡口，削边尺寸应按封头实际尺寸相配加工。 4.2.15. 探伤 环缝坡口进行100%MT检测,按JB/T4760.2-2005中级合格 4.2.16.组焊环缝 1）组装环缝，控制对口错边量3 2）焊接详见焊接工艺说明书 3）打磨、清理焊缝表面 4）按热处理工艺进行炉外消氢处理 4.2.17.打磨 打磨、清理焊缝表面 4.2.18.探伤 1）焊接接头进行100%RT,按JB/T4760.2-2005中级合格 2）焊接接头进行100%UT,按JB/T4760.3-2005中级合格 3) 焊接接头进行100%MT,按JB/T4760.2-2005中级合格 4.2.19.堆焊过渡层 1）堆焊过渡层，详见焊接工艺说明书 2）按热处理工艺进行炉外消氢处理 3）打磨、清理过渡层 4.2.20.探伤 过渡层进行100%PT检测，按JB/T4730.5-2005中级合格4.2.21.堆焊筒体表层 1）堆焊表层，详见焊接工艺说明书 2）测铁素体数 3）打磨、清理表层 4.2.22.筒体探伤 1）表层进行100%PT检测，按JB/T4730.5-2005中级合格 2）堆焊层及熔合面进行100%UT，符合1572-00-JT中的有关要求3）堆焊层进行厚度检测，符合图纸要求4.3 筒体工艺设计4.3.1选材在石油加氢装置中Cr-Mo系低合金耐热抗氢钢得到广泛的使用。应该注意Cr-Mo钢存在回火脆性受杂质元素的影响为SbPSnAs，由于Cr元素促进杂质元素晶界偏聚，所以易出现第二类回火脆性。为满足使用性能，应注意以下方面：1. 提高钢的纯净度。2. 使用热处理状态为正火+回火。3. 严格控制Sb、P、Sn、As等有害杂质含量。4. 回火脆性的评定：用V型缺口冲击试验测度两条温度-冲击值变化曲线（步冷脆化曲线）如下示意图。回火脆化转变温度曲线向高温侧移动，冲击值降低，即韧性劣化。 15CrMoR（相当于1Cr-0.5Mo）在500550有较高持久强度，长期运行也无石墨化倾向，在石油化工中允许使用温度为350500，有抗氢要求使用下限温度。 1）15CrMoR属低碳珠光体耐热钢，有利于工艺性； 2）组织中的铁素体份额高，限制其强度级别为300MP；3）钢材中0.5%的Mo提高组织稳定性；4）Cr起固溶强化作用，同时组织石墨化倾向。从操作工况看，该加氢反应器的基材选15CrMoR即满足要求。4.3.2材检4.3.2.1材料要求 （1）锻件和钢板用15CrMo钢硬是采用电炉冶炼加炉外精炼炉精炼，和真空脱气等工艺方法生产的本质细晶粒镇静钢。 （2）钢板和锻件均应进行正火（允许加速冷却）加回火热处理，热处理工艺应根据材料化学成分和截面尺寸大小由钢材生产厂确定，冷却速度的大小以保证达到力学性能的要求为原则。 （3）材料力学性能试板应进行模拟焊后热处理，即模拟制造过程中壳体材料可能经历的最大程度的焊后热处理（Max.PWHT）和最小程度的焊后热处理（Min.PWHT），包括所有482以上的中间和最终焊后热处理过程。15CrMoR钢板经正火+回火热处理，再经模拟焊后热处理的力学性能应符合下表规定；力学性能试验逐张进行，其取样位置，试件数量按下表规定。 表一序号试验项目单位力学性能值1室温拉伸强度MP4505852室温屈服强度MP2753室温延伸率%224室温断面收缩率%45515720夏比冲击功J三个试样平均值41一个试样最低值316室温弯曲实验d=2a，弯曲180无裂纹7高温屈服强度MP204注：筒体和封头钢板使用状态为正火+回火热处理，钢板生产商必须以试板进行正火+回火+模拟焊后热处理其各项性能均应满足本技术条件的要求。钢板应按JB/T4730.3-2005进行超声检测，必须进行100%扫查，验收标准为级。 4.3.2.2.化学成分分析钢板的化学成分符合下表二的规定，熔炼分析按炉（灌）号取样，成品分析按轧制张张取样（可以从室温拉伸试验断裂后的试样上切取），按GB/T223标准规定 表二 15CrMoR钢板的化学成分 （Wt%）化学成分CSiMnPSCrMoCuNiSn熔炼分析0.050.170.150.400.400.650.0100.0100.801.150.450.600.200.200.012成品分析0.040.170.130.450.400.650.0120.0120.741.210.400.650.200.250.015筒体 封头用15CrMo钢板除应满足GB6654-1996（含1、2号修改单）的规定外，尚应满足技术条件的要求。4.3.3划线 4.3.3.1筒体的展开计算a.已知筒体高度H、公称直径Dg、中性层直径Dm、壁厚，计算时以中性层为基准。b.分析确定零件展开后图形的形状及所求的几何参数，圆柱形筒体展开后为矩形，所求的几何参数分别为长和宽。则 L=Dm=（Dg+）； h=Hc.筒体公称直径Dg表（JB1152-82）,Dg选取4000 L=（4000+101）=12877 H=38544.3.3.2.号料 a.加工余量筒节卷制伸长量冷卷伸长量较小，通常忽略，约78焊缝收缩量对接接头双边焊，34焊缝坡口间隙单U型坡口，23边缘机加工双边余量根据加工长度，查表10切割余量钢板切割加工，查表14划线公差保证产品符合国家制造标准，取1展开尺寸12868b.划线技术要求实际用料线尺寸=展开尺寸-卷制伸长量+焊缝收缩量-焊缝坡口间隙+边缘加工余量 =12877-7+3-2+10=12880切割下料线尺寸=实际用料尺寸+切割余量+划线公差 =12880+14+1=12895。c.合理排料排料必须符合国家标准规定，充分利用原材料。在钢板上划线下料，规格L=128951945，128951935，并号试板一对6001201014.3.4下料下料的加工方法分析及选用常用的切割方法有机械切割、氧气切割和等离子切割。机械切割操作简单，成本低，但其生产效率低，切口精度差，而且不适合用于切割太厚、形状较复杂的钢板，它只适用于切割矩形或棒料。等离子切割机的特点是切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小、工件变形度低、操作简单，并且具有显著的节能效果。它是用于任何材料的切割，但是它的成本太高。气割是用可燃气体与氧气混合燃烧的预热火焰，将金属加热到燃烧点，并在氧气射流中剧烈燃烧而将金属分开的加工方法。可燃气体与氧气的混合及切割氧的喷射是利用割炬来完成的。气割所用的可燃气体主要是乙炔、液化石油气和氢气等。氧炔焰气割过程是：预热一燃烧一吹渣。并不是所有金属都能被气割，只有符合下列条件的金属才能被气割： (1)金属能同氧剧烈反应，并放出足够的热量。 (2)金属导热性不应太高。 (3)金属燃烧点要低于它的熔点。 (4)金属氧化物的熔点要低于金属本身的熔点。 (5)生成的氧化物应该易于流动。与机械切割相比较，气割的最大优点是设备简单操作灵活、方便，适应性强，它可以在任意位置，任何方向切割任意形状和任意厚度的工件， 生产效率高、切口质量也相当好。依据以上分析，筒体钢板切割选用氧气切割。4.3.5筒节弯卷4.3.5.1.筒节弯卷成形分析筒节的弯卷成形时用钢板在卷板机上弯卷而成形的。根据钢板的材质、厚度、弯曲半径、卷板机的形式和卷板能力，实际生产中筒节的弯卷基本上可分为冷卷和热卷。 筒体选用材料15CrMoR 属低合金珠光体耐热钢筒节的最小冷弯半径计算公式Rmin=10 （双向拉伸）筒节实际壁厚101允许最小冷弯半径的最大值Rmin=10=1010筒节内径d=4000即筒节的实际半径D/2大于允许的最小冷弯半径Rmin，可以冷弯卷制。冷卷成形通常是指在室温下的弯卷成形，不需要加热设备，不产生氧化皮，操作工艺简单且方便操作，费用低。4.3.5.2.成形设备的选择卷板机有三辊卷板机、四辊卷板机、和立式卷板机，其中对称式三辊卷板机的主要特点如下：与其他类型卷板机相比，其构造简单，价格便宜，应用很普遍。被卷钢板两端各有一段无法弯卷而产生直边，直边长度大约为两个下辊中心距的一半。直边的产生使筒节不能完成整圆，也不利于校圆、组对、焊接等工序的进行。因此在卷板之前通常将钢板两端进行预弯曲。4.3.5.3.筒节弯卷的设计和计算1）直边预弯1 X$ ?# + Q# i/ j# G$ x: h! ( U 预弯是筒节成型的一个关键工序，制造完成预弯模具后将下料钢板放在油压机上进行预弯工序。为了保证预弯曲率的一致性，在钢板两端进行每隔50mm划线工作，每次压机的下压点均落在线上，而且保证每次的压力大小均等。预弯成型后预制样板进行检查，间隙保证小于0.5m 2）筒节弯卷的回弹估算弯卷钢板在辊子压力下既有塑性弯曲，又有弹性弯曲，故钢板卸载后，会有一定的弹性回复，即回弹。筒节在热弯卷时，回弹量很小，不予考虑。但是，在热弯卷时，回弹量较大，钢材的强度越大，回弹量越大。为了尽量控制回弹量，冷弯卷时要过卷。同时，在最终成行前进行一次退火处理。a.冷卷回弹量的计算 筒节回弹前的内径Dn1可按下式估算： Dn1=（1- 2Kos/E）Dn/1+K1SDn1/E b.过卷量l可按下式计算： l=（Dn-Dn1）/2 式中 Dn筒节内径，4000mm s 钢材屈服极限，MPa E钢材弹性模量，MPa K1钢板界面形状系数，矩形K1=1.5 钢板厚度，98mm Ko钢材相对强化模数，15CrMoR钢材的Ko=5.8查阅标准，得s=275MPa，E=200GPa.根据设计数据，筒节回弹前的内径Dn1=（1-25.8275）0.000005/（1+1.5275Dn1）200000984000 得Dn1=3664.1 mm过卷量l=（Dn-Dn1）/2=3.14(4000-3664.1)/2 =527.5 mm3）筒节弯卷成形预弯工序结束后即采用对称式三辊卷板机进行筒节的成型工序。为保证卷圆的质量及椭圆度指标，按照工艺要求规定卷板机下压成型的次数在6次以上，保证椭圆度在5mm以内。4.3.6装焊纵缝焊接基本金属为15CrMoR，筒体规格4000101 mm，所要求的焊工资格代号SAW-1G(K)-07/09,焊接方法为埋弧自动焊，焊接姿势为平焊，焊接材料为R307C(点焊)，焊丝H08CrMoC，焊剂SJ110.工艺要求：预热温度120，层间温度控制在（120-250），后热温度及时间（300-350）2hr，坡口加工方法为机加工坡口，清除油锈，清根方法为碳弧气刨并打磨，焊缝外形要求为焊缝与母材圆滑过渡，e2，并打磨平齐。焊后采用SR热处理,并进行100%UT、RT、MT检测,分别按JB/T4760.3-2005中级合格、JB/T4760.2-2005中级合格、JB/T4760.2-2005中级合格。 4.3.7筒体内壁堆焊4.3.7.1堆焊原理石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。带极电渣堆焊是利用导电熔渣的电阻热熔化堆焊材料和母材的，除引线阶段外，整个堆焊过程应设有电弧产生。堆焊技术可以改变零件表面的化学成分和组织结构, 强化机械零件表面或修复磨损和崩裂部分，为材料表面改性，完善其性能,延长零件的使用寿命,具有重要的经济价值. 常用的工艺方法有:手工电弧堆焊、振动电弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊、等离子堆焊等。几种堆焊方法特点比较堆焊方法 稀释率（%） 熔敷速度埋弧堆焊 单丝 3060 4.511.3 多丝 1525 11.327.2 单带极 1020 12 36 多带极 815 22 68等离子弧堆焊 手工送丝 515 0.53.6 自动送丝 515 0.53.6 双热丝 515 1327 熔化极气体自保护电弧堆焊 1040 0.95.4带极电渣堆焊 1014 1575 为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能.带极电渣堆焊技术具有比带极埋弧难焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的焊缝成形等优点，得到迅速发展和较普遍的应用。4.3.7.2工艺参数的控制影响带极电渣堆焊质量的工艺参数最主要的有焊接电压、电流和焊接速度，其次还有干伸长，焊剂层厚度，焊道间搭接量、焊接位置等。 控制焊接电压，当电压太低，有带极粘连母材的倾向。电压太高，电弧现象明显增加，熔池不稳定，飞溅也增大，推荐的焊接电压可在2030V