大型螺旋半圆管夹套式反应器的制造

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(1.太重(天津)滨海化工装备分公司，天津 300450；2. 哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150001)

0　前言

随着化学工业的发展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反应设备的大型化，主要表现在其直径加大，筒体加长，特别是承受外压的内筒壁厚增加，给反应设备的制造工作增加了难度。太重(天津)滨海化工装备分公司承接了某化工新材料有限公司的60Kt/a有机硅单体工程流化床反应器(螺旋半圆管夹套式反应器)的制造，其特点是结构复杂、技术要求高、制造困难。

1　技术参数

1.1　反应器外形尺寸和材料

反应器主要由上管箱、反应器床芯、反应器主体和下管箱四段组成，如图1所示。主体内径φ3 100 mm厚度20 mm，总高19 450 mm，材料Q345R；外部螺旋半圆管φ108 mm厚度4 mm，材料为Q345R；反应器床芯中双层导热管φ133 mm×5 mm,φ89 mm×4 mm，材料为20 G。

图1　反应器示意图

1.2　反应器主要设计参数

反应器主体材料Q345R，净重78 458 kg，属于三类容器。制造技术条件按GB 150—2011执行，焊接规程按NB/T 47015—2011执行，监察规程按TSG 21—2016执行，探伤标准按NB/T 47013—2015执行，主要设计参数见表1。

表1　主要设计参数

1.3　主要材料的化学成分和力学性能

主要材料的化学成分如表2所示，力学性能如表3所示。

表2　钢材主要化学成分(质量分数，%)

表3　钢材主要力学性能

由表3可以看出，钢材的冲击吸收能量KV2值要求并不是很高，因此对焊接接头的力学性能要求也不高，只要选择合适的焊接材料、焊接工艺方法和焊接工艺评定就能满足焊接要求。

2　焊接方法和焊接参数

2.1　焊接方法的选用

为保证焊接质量，提前对壳体(Q345R)等主材做了焊接的工艺评定，最终确定筒体封头主要纵、环焊缝采用CO2气体保护焊+埋弧焊，其余焊缝采用CO2气体保护焊，并结合钢材的力学性能和焊后热处理的要求，选择相应的焊接材料。

2.2　坡口形式选择及其工艺参数

以板厚为 20 mm的Q345R对接接头为例，坡口形式为单V形外大里内小坡口，坡口角度为60°，加工时不留焊接钝边，坡口间隙为0～2 mm，采用CO2气体保护焊进行打底焊焊接，反面清根，并使用自动埋弧焊盖面。对焊缝进行射线探伤达到Ⅱ级合格，焊接接头力学性能,如表4所示，达到产品的技术要求。

表4　Q345R焊接接头力学性能

除以上壳体主材，床芯导热管(20G钢管)对接接口采用氩弧焊，其余角焊缝采用气体保护焊，都经过焊接工艺评定且合格；在制造过程中将筒节末端带焊接试板，用与筒体相同的焊接参数焊接，经射线及热处理后进行理化检验，都达到合格的性能要求。

3　设备制造

3.1　薄壁大直径筒体的制造

外壳筒体内径φ3 100 mm厚度20 mm，材质Q345R，为保证几个小筒节对接成整筒后的直线度，必需控制其各个小筒节椭圆度及纵缝错边量，筒体质量主要通过以下几方面控制：

(1)采用半自动切割下料，板材长度留有压头，为保证下料准确要测量下料长度，对角线长度并划出压头线，责任线。

(2)宽度两边坡口上铣边机铣出坡口，铣边公差：长度±1 mm，宽度±1 mm，对角线尺寸≤2 mm。

(3)上圈圆机预弯压头，并根据相配的封头外周长尺寸再次测量筒体以确定其准确长度，之后用半自动切割机割掉压头并切割出坡口。

(4)小筒节焊接后经过校圆满足椭圆度e≤ 7为合格，用弦长大于300 mm的内样板检查，其对接纵缝处所形成的棱角E≤3.6 mm为合格。

(5)按NB/T 47013—2015标准进行纵缝100%RT探伤，需达到Ⅱ级合格。

(6)为了防止起吊过程中的变形，制作了辅助工装环抱箍如图2所示，箍住筒节外端以防止其变形。

(7)标出方位线(0°，90°，180°，270°)，按方位线依次组对点焊，并从4个方位线处吊线测量筒体直线度，以保证整体组装后直线度达到设计要求。

图2　环抱箍示意图

3.2　大法兰变形控制

该反应器介质为毒性，密封要求很高，要求焊接后法兰不能有任何的变形。采用如下两种方法解决变形问题。

(1)采用米字形工装如图3所示支撑法兰内部，减少焊后变形。

(2)留下1 mm加工余量，如果焊后经测量变形不大则不用加工,若超出误差允许范围则可以焊后部件整体加工，保证法兰密封面的平面度。

图3　米字形工装示意图

3.3　筒体外部螺旋半圆管的组装

螺旋半圆管如图4所示的加工制造工艺复杂，既有螺旋半径的变化，又有螺旋导角的变化，增加了制造难度，一旦制作尺寸不到位，将会使装配及焊接更加困难。螺旋半圆管对接接头多，环角焊缝比较长，为保证其焊接质量，对接接头必须全部焊透，而半圆管环角焊缝的探伤有一定困难，表面探伤很难发现内部缺陷(如夹渣、未焊透、气孔、裂纹等)。这给设备的使用带来不少潜在的危险，为此制定了专门的工艺措施来解决以上难点。

图4　螺旋半圆管示意图

3.3.1筒体焊前准备

先将装焊好的筒体如图5a所示及实物照片如图5b所示竖立于平台之上，再次确认筒体上方位(0°，90°，180°，270°)，在以上4个方位线上，将螺旋半圆管的轨迹线划出，这样可以保证装配的准确性，之后将螺旋半圆管从下往向上依次装焊，为此制作了工装卡块和楔形块，使半圆管能够与筒体紧贴，这样使对接接头错边量很小，有利于保证焊接质量。

图5　筒体示意图及实物图

3.3.2焊接过程

为了能够全焊透对接接头，采用V形坡口，钝边(1±1) mm，间隙2～3 mm，单面焊双面成形，并专门培训焊工进行施焊。对于环角焊缝，为确保其焊接质量，分别在焊接和热处理后，除进行表面探伤检查外，还作了水压试验及气密性试验，一旦发现泄露及时补焊并重新探伤及再次打压(经过严密计算将试验压力增加到一定倍数，并保压足够长的时间)。

3.4　反应器床芯导热管回路的制造

床芯管束如图6a所示及实物照片如图6b所示共分5组，每一组都是由φ133×5 mm,φ89×4 mm双层钢管、弯头、三通组成的一个复杂回路，且单组回路长度不同，而其回路内流量速度又要求相同，所以必须保证每组管束制造精度及焊接质量。由于其结构复杂，技术要求高，制造工艺性差，很多接头焊缝很难施焊和探伤，给制造带来很大困难，主要通过以下工艺措施和必要的工装实现。

图6　床芯管束示意图及实物图

3.4.1管束制造

按管束Ⅰ、管束Ⅱ、管束Ⅲ、管束Ⅳ和管束Ⅴ分别装焊成部件，组装并焊接，焊接后对管焊缝总数20%进行RT检查，Ⅲ级合格。每个管束组件装焊后先进行一次水压试验，以确保各焊缝无渗漏。

3.4.2管束焊接

φ133×5 mm，φ89×4 mm钢管材料为20 G，其内部流通的是导热油，因此不能有任何泄露。为了能够全焊透对接接头，采用V形坡口，钝边(1±1) mm，间隙1～2 mm，单面焊双面成型，采用氩弧焊施焊，并进行100%RT探伤，达到NB/T 47013—2015标准的Ⅱ级合格，焊接及热处理后分别进行压力试验，由于结构原因只进行气压试验，一旦发现泄露及时补焊并再次打压(经过严密计算将试验压力增加到一定倍数，并保压足够长的时间)。

4　总装和耐压试验

总装时，床芯部分是难点，管子长12 m，起吊时刚性差容易产生变形，会使根部焊缝产生裂纹，因此专门制作了一套起吊工装，使导热管另外一端能够平稳放置，起吊时又不会产生局部弯曲，完成床芯和壳体的总装。

耐压试验分壳体和夹套，由于反应器结构复杂，焊缝过长及施焊位置很差，为保证焊接质量，必须采取在焊接后和热处理后对外部盘管及床芯管束进行两次试压，且水压和气密性试验均做，达到产品要求。

5　结论

(1)此类螺旋半圆管夹套式反应器技术要求高，结构复杂，制造困难大，必需充分考虑其制造，装配过程中的难点，预先制定合理的工艺措施和制作必要的辅助工装。

(2)制造过程中严格按照图纸和工艺要求使零件成形，装焊过程中防止大法兰焊后变形，提高盘管和导热管焊接质量以及控制好各个关键难点。

[1]全国标准化委员会.TSG 21—2016固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2016.

[2]全国锅炉压力容器标准化委员会.GB 150.1～150.4—2011压力容器[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2011.

[3]全国锅炉压力容器标准化委员会.GB/T 151—2014热交换器[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2014.