低压加氢反应器焊接结构优化

杨美昆

（ 西安核设备有限公司，西安 710021）

1 设备简介

公司制造某6×104t/a 1.4 丁炔二醇项目复合材料设备低压加氢反应器，属系统关键设备，加工数量为6 台。设备是Ⅲ类压力带夹套容器，内筒体内径φ2 800 mm，壁厚（32 + 4）mm；夹套筒体内径φ2 972 mm，壁厚10 mm，主体总长度6 810 mm。设备主要由内筒体、夹套筒体、人孔、支座等部件组成。内筒体主要由上、下椭圆封头、筒体、搅拌器入口、人孔等件组成；夹套筒体主要由夹套封头、隔板、夹套筒体、接管法兰等零部件组成，结构如图1所示、技术参数见表1。工作介质为易燃易爆、高度危害性质。设备主要作用是通过入口处机械搅拌和气流搅拌装置，使液相单向反应过程和进行气液固等多相反应过程的设备，常应用于煤化工、石油化工、石油冶炼工业等领域[1]。设备外表面用厚度50 mm 的泡沫玻璃进行保温。设备在制造过程中由于技术条件要求高和焊接结构限制，造成组装外筒体隔板、夹套筒体困难，根据设备工况要求和结构特点以及以往类似设备加工的制造经验，对焊接结构、外筒体成型进行工艺性优化改进：采用局部内坡口焊透的形式代替原有的双面角焊缝联结；将原留有合拢缝的外筒体调整单件整体成型套入装配的方法，降低了制造加工难度，保证设备加工质量，提高了加工质量和效率，解决了制造进度的难题。

图1 低压加氢反应器结构Fig.1 Structure of low pressure hydrogenation reactor

2 材料

LP 加氢反应器采用板-锻结构，内筒体主体材料采用复合板材料：16MnR + 00Cr19Ni10，符合JB 4733—1996《压力容器用爆炸不锈钢符合钢板》B1 级，其余接管等采用16MnII 锻件内壁堆焊结构；夹套封头、筒体材料等件16MnR 材料，正火状态供货，符合GB 713—1997 的规定要求。16MnR 是普通低合金钢，含碳量0.16%，S、P 含量较少，是压力容器常用的钢材，其焊接性能良好，有成熟的工艺，能保证焊接质量，可以满足复合钢板对强度、刚度和韧性等力学性能的要求。复层00Cr19Ni10 是超低碳奥氏体不锈钢，碳含量较低，耐晶间腐蚀性能优越，常用在对空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学腐蚀等设备中。根据《容规》要求对主体材料化学成分和力学性能等按材料标准复验合格后用于设备制造过程中[2]。

表1 设备技术参数Tab.1 Equipment technical parameters

3 工艺过程

3.1 内筒体对接焊接

内筒体主要是封头与筒体、筒节之间的焊缝。封头基层材料为16MnR，厚度（36 + 4）mm，筒体厚度（32 + 4）mm，均为复合板材料，基层16MnR材料碳当量0.32% ～ 0.47%，材料淬硬倾向较大，焊接过程中应采取适当的预热温度和层间温度，防止冷、热再生裂纹的产生。焊缝由基层、过渡层、面层组成，基层焊接时，不得触及和融化复层母材，过渡层焊接应保证熔合良好的同时，尽量减少基层金属的熔入量。焊接时焊缝圆滑过渡。根据材料特点和焊接评定技术要求，焊前预热温度≥100 ℃，施焊层间温度≤250 ℃，并用红外线测温仪对预热温度、层间温度进行有效的监控。基层下封头与筒体焊接结构如图2中所示，技术参数如表2所示，具体操作工步如下：① 清理干净焊接区油、锈等污物；② 手弧焊点固并施焊序1、2，焊至距复层1.5 ～ 2 mm；③ 待反面清根后，打磨至露出金属光泽，然后埋弧焊施焊序3；④ 手弧焊堆焊序4、5；⑤ 注意对不锈钢复层的保护，并注意层间及焊后焊缝表面渣及飞溅物的清理。设备外夹套筒体由于使用工况为低压低温状态下，焊接主要为连接定位作用和支撑作用，母材材料相同规格不同、均采用手弧焊完成角焊缝联结[2]。

图2 封头与筒体焊接结构Fig.2 Connection between the head and the cylinder

表2 焊接技术参数Tab.2 Welding technical parameters

3.2 原结构组装工艺过程

为实现设备夹套筒体设计要求的结构，隔板是分割反应空间、联结夹套筒体、封头的重要零件，材料16MnR、厚度50 mm，规格尺寸φ2 992/φ2 882 mm×50 mm，外型带上、下外坡口呈环状，通过机加成型。按图纸要求与封头采用上、下双面15 mm 角焊缝焊接在封头直边段，两隔板相距2 500 mm，其主要作用支撑和连接夹套筒体、封头作用，如图3所示。这种双面焊接角焊缝的结构成型好、焊接质量高，操作方面一般用于厚璧的容器，适用于不直接承受动力载荷的结构中，但存在应力集中严重、疲劳强度差、操作空间受限等缺陷。根据结构特点，组装工步如下：① 分别按照定位高度焊接2 处隔板进行定位；② 将设备立式放置，套入上端夹套筒体，点焊定位并焊接；③ 将预先留有一道纵缝的下端夹套筒体套入设备主体上，焊接合拢缝。④ 焊接封头及其余各件，完成外夹套筒体的组装和焊接。这种组装工艺未能充分考虑制造过程中的累计误差和焊接变形，导致装配下段夹套筒体困难，多次调整位置才完成装配要求，尤其是最终合拢缝的成型和焊接，由于受到焊接时机和位置限制，操作极为不便，消耗了大量人力、吊装等辅助工作和时间，严重影响生产的进度要求。

3.3 优化后组装工艺过程

根据设备工况要求和装配结构及以往类似设备的加工经验进行全面分析，参照以往同类设备焊接结构的焊接评定和制造经验对焊接结构、夹套筒体成型进行合理工艺性优化：将下端隔板增加一边10×45º内坡口，将原有的两面焊接与内筒体联结修改为单面内坡口局部焊透的结构，其焊接强度与双面焊接强度相当，并且有利于设备夹套筒体装配和焊接；同时，将原有的夹套筒体预留最终纵缝合拢调整为直接筒体成型，套入上端隔板上焊接，优化后的结构如图4所示，能够根据实际情况对隔板的定位尺寸进行调整；焊接过程和操作不受空间限制，施工难度降低；采用单面焊接连接也节省了焊接材料，解决制造中的难题。组装工步如下：① 先焊接内筒体上端隔板，作为定位基准，套入夹套筒体焊接；② 套入下端夹套筒体、隔板，调整适当位置，焊接隔板；③ 组焊其余各件，完成套筒体的组装和焊接。通过后续各项检查和试验，完全符合设备技术、使用工况、安全性能的要求，极大的提高了生产质量和效率。按照优化后的结构进行制造，操作简单、定位准确，质量稳定可靠，累计节省大量的焊接材料和焊接工作，提前完成加工任务。

图3 原有结构Fig.3 Original structure

图4 优化后结构Fig.4 Optimized structure

4 热处理

由于焊后残余应力较大，为了消除设备焊接应力，稳定组织结构，对设备进行整体焊后消除应力热处理。由于基层材料规格为厚度较薄的16MnR，材料属低合金钢，复层00Cr19Ni10 为超低碳不锈钢，材料本身含碳量低，Cr 元素含量提高，保证复合材料的耐腐蚀性。根据同类复合材料制造经验和热处理评定结果，热处理时应尽量减少热输入和保温时间，避免因复层材料敏化对设备内表面耐腐蚀的影响[4]。热处理时采用热处理支座，卧式装炉，并在设备环焊缝顶部、中部和底部均匀放置热电偶，对温度进行有效监控。装炉时注意保证夹套的隔板处在支座上，同时应保证设备的水平位置，防止变形的产生。消应力热处理技术参数：装炉温度≤400 ℃；加热速度150 ℃/h，加热温度（610±10）℃；保温时间90 min；冷却方式≤200 ℃/h 缓冷至≤400 ℃空冷。

5 结束语

设备制造过程中，通过对低压加氢反应器设备外筒体隔板联接结构进行工艺性改进优化，根据实际装配需要采用单面内坡口局部焊透结构联结代替原有的双面角焊缝联结；对夹套筒体成型工艺进行调整，操作简单、加工质量稳定可靠，并应用于设备的制造中，成功的解决了设备加工中的装配困难和加工效率低等问题，提高了生产加工质量和效率[5]。低压加氢反应器设备水压试验和各项试验检查均一次性合格，提前顺利完成6 台复合材料设备的制造任务。经实践证明，低压加氢反应器设备投产使用至今运行已10 多年，运行稳定，质量可靠，未出现任何质量、安全事故隐患问题。极大地提高了我公司在夹套设备制造方面的技术水平和能力，为公司非标大型夹套类反应器的加工提供了技术支持和制造经验。