大型甲醇合成塔的制造技术

第50卷第6期化工设舀与道VoL 50 No 62013年12月PROCESS EQUIPMENT PIPINGDec.2013大型甲醇合成塔的制造技术王文全,王风友,岳伟,符治,杨文(中核集团西安核设备有限公司,西安71001)摘要从材料、成形、加工、焊接、热处理和无损检测等方面介绍了250kta甲醇合成塔的关键制造技术特点。关键词甲醇合成塔;成形;加工;焊接;热处理;无损检测中图分类号:TQ050.6;TH16文献标识码:A文章编号:1009-3281(2013)06-0019-006为某单位制造的250kta甲醇合成塔按结构形表1技术特性式属固定床式换热反应容器,是目前国内同类合Table 1 Technique parameter table成塔中单体规模最大的。设备规格φ4014mm技术参数管程13881mm×66mm;壳体材质20 MeMoN55;封设计压力MPa设计温度/℃C270头材质15 ArMoR;换热管材质S31803,数量4309工作压力MPa根,规格中44mm×2mm×7000m;管板材质工作温度(进/出)/℃220-250225~25520 MnMoNi55堆焊308L,规格124+7mm;换热面作介质锅炉给水合成气、触媒积3997m2;设备总质量203120kg水压试验压力MPa6875(卧试)113(卧试)气密性试验MPa甲醇合成塔结构简图见图1,技术特性见表1腐蚀裕量/mm设备主要材料化学成分见表2,力学性能见表3。该换热面积m23997设备自投入使用后运行一直良好,下面笔者就从主要零部件材料性能、成形加工、焊接、热处理和无损检11甲辭合成塔制造工艺测等方面介绍以下250ka甲醇合成塔的关键制造技由图1结构图可见,此设备结构较为特殊。术特点,希望对同行有所帮助。(1)设备的上、下管板是镶嵌在加强段筒体内部且均为双面全焊透结构,焊肉较厚,因而易使管板产生焊接变形;(2)设备的支持板为整圆,决定了筒体的最终合拢焊缝必须在筒体的中间部位,且此条焊缝只能进行局部热处理;(3)设备的上、下封头只有在换热管与管板组焊完毕,壳程压力试验合格后,才能与筒体组焊,且两道环焊缝也只能做局部热处理(4)换热管必须在组装前逐根进行水压试验,合格后才能用于组装;(5)换热管与管板连接方式采用强度焊加贴胀,管箱筒体内壁需进行带极堆焊。中国煤化工收稿日期:2013-0图↑甲醇合成塔结构作者简介:王文CNMHG以口又八,工程师。从事Fig. 1 The sketch of the equipment structure压力容器的制造工作化工设备与曾道第50卷第6期表2主要材料化学成分Table 2 The chemical composition table of Main materials化学成分,%名称材料规格数据源C球形15CrMoR供应值0150.25封头=80mm复验值0.170.270.650.0170.0020.03加强段OMnMoNiS5供应值0.1660.2551.350.0080.001100440.4940.5416=110mm复验值0.251.330.0090.0040.5220MnMoNi5供应值0.221.380.0100.18管板0.736=140mm复验值0.240.241.440.0090.0100.200.480.53筒体20MnMoNi55供应值0.1811810.2321.320.4920.5196=66mm复验值0.0100.0050.06供应值0.0200.511.130.025000122.33.225250.171换热管S31803复验值00240.531.110.023000122.753.105.350.18表3主要材料力学性能Table 3The mechanical property table of Main materials冲击试验(V型缺口)300℃抗拉屈服断面名称材料规格数据源强度/强度/延伸率伸缩率温度MPa MPa A,%冲击功/180曲抗拉屈度延伸率备注UTD=4sz,%℃强度/强度/MPa MPaA,%球形15cMoR供应值48029530封头-80mm复验值49035375D=3S加强段20 MnMoNi55供应值60949524602022,185.219D=3.5s412合格6=110mm复验值6205102465.50160,204,199D=35s59043020.5管板20 SiMoniS5供应值60043523730140.164.104=3.5a合格140mm复验值6755152050D=3.5S57537022.5筒体20 MnMoNi55供应值6505342160.6207,206,254D=3.5S合格6=66mm复验值630515240240,211,194D=3.5560435Ⅱl供应值6184962245880191,176,223D=3.5S413换热管S31803复验值62550525.56650197,187,197D=3.5s57042020.5为此,在甲醇合成塔的制造中,根据工厂已有性能的焊后消除应力热处理等热加工,封头毛坯厚度起重、倒运、焊接工装系统能力和工艺特点,综合考尺寸增加10%-14%。封头始压温度控制在950~980℃,虑筒体的成形、坡口加工、带极堆焊、焊后热处理、终压温度不低于800℃,热压过程中母材试板同封工序倒排和科学衔接等工艺难点,将甲醇合成塔按结头毛坯采用相同的热循环过程,热压后做恢复性能构分为4个工艺部分热处理。在立式车床上加工封头端口坡口:组焊接(1)上封头及其附件;管、法兰等件后整体进行中间消除应力热处理。(2)下封头及附件、裙座12筒体成形(3)上加强段、上管板、筒体上段由于设备的管板镶嵌在加强段筒体内部,要保(4)下加强段、下管板、筒体下段。证管板能顺利地装入加强段筒体内,应对上、下加对毎个工艺部分单独进行制造、焊接及整体炉强段筒体的内径偏差和椭圆度严格控制。按GB150内消除应力热处理。对各工艺部分相互组焊的环焊缝对直径3800m、壁厚107mm加强段圆筒的椭圆进行炉外局部消除应力热处理。度的要求为≤25mm,而笔者公司对该设备加强段1.1上、下封头成形圆筒椭圆度中国煤化工虽段筒体内径要根据设备封头厚度72mm,采用整体热压成形。求为DN38CNMH《形质量和椭圆考虑热压封头的减薄量、加热时烧损量和之后的恢复度及棱角度要求,来用下料、切割、加工坡口,加热2013年12月王文全,等大型甲醇合成塔的制造技术21后用压力机预弯压头,在卷板机上温卷成形,经焊接、板超差形变进行点压校正后热、焊缝磨平、校圆及焊缝检验后进行中间热处理。1.5换热管与管板胀接考虑温热成形材料的延展性及管板顺利组对等因素为保证液压胀管时的胀接质量,管板孔的加工在筒体下料过程中应严格控制下料展开对角线尺寸垂直度、管间距和孔的公差尺寸至关重要,应在数误差<2mm。筒节宽度按排板图的尺寸,两侧各留控钻床上完成管板孔的加工工序,管孔粗糙度不大15mm的环焊缝坡口车削余量。于3.2μm13坡口加工胀接前先计算胀接压力进行试胀并确定合理的筒体纵、环焊缝均采用窄间隙坡口,筒节拼接胀管率,换热管伸出长度、胀接长度和位置应符合工焊缝采用对称双U窄间隙坡口,合拢焊缝采用U+艺要求。V坡口形式,刨边机上完成坡口加工。合拢焊缝采用1.6无损检测V十U坡口形式,筒体削薄及环焊缝坡口在大型立对铬钼钢焊接接头,需在消氢后经24h间隔做式车床上加工完成,对坡口进行磁粉检测(MT)。RT或UT检验。1.4管板堆焊及加工对壳体A、B类焊接接头进行100%RT+20%由于管板直径(3800mm)较大,相对厚度(124UT,RT-Ⅱ级合格+UTI级合格;对壳体C、D类mm)较小,在带极堆焊时易产生较大的变形。为最焊接接头,100%MT-I级合格;对DN≥250mm大限度消除管板焊后变形,堆焊工艺采取以下措施接管与长颈对焊法兰、接管与接管连接的对接接头进1)确定合理的焊接工艺和焊接次序;行100%RTⅡ级合格;DN<250mm时100%MT2)板材粗加工时对非堆焊面留量,堆焊后与I级合格。管板与壳体焊接接头100%UT-I级合格。堆焊面同时加工到图样尺寸;对管板与换热管角接接头进行100%PTI级合格。3)将两块管板背靠背贴紧,刚性固定,在完除管板与换热管角接接头外,壳体上所有焊接接头在成过渡层堆焊、消氢处理,面层堆焊并消除应力热处热处理和水压试验后均需进行100%MT-I级合格。理后解除钢性连接固定;1.7总装4)采用带极堆焊,交叉堆焊两块管板,即从根据设备结构及热处理工序的设置,确定设备中心起焊,相邻两层堆焊方向相互垂直组焊、总体组装顺序(见图2)。(5)在压力机上对采用以上措施难以消除的管焊接、无损检测下封头+裙座+接管下封头组件热处理焊接、无损检测上封头+接管上封头组件热处理焊接、无损检测下管板+加强段+下筒体+接管下管板组件热处理焊接、无损检测拉杆、支撑板热处理上管板+加强段焊接、无损检测上管板组件+上筒体+接管程减压试[楼(第以后气密性试】[接壳程泄漏试验焊接、无损检测和热处理管程液压试验程泄漏试验循环凵环管接中国煤化工图2组焊组装工艺CNMHGFig. 2 The artwork of the welding-assemble化工设与豐道第50卷第6期2焊接工艺5裂纹。消除应力热处理时,接头再次处于高温,易产设备的设计选材较为特殊:生再热裂纹。低合金耐热钢具有比较明显的淬硬性和(1)换热管选用进口的S31803双相不锈钢无缝冷裂倾向,焊接时可采用提高预热温度及焊接热输人钢管,要求满足 ASME SA-789M中的相关要求量的方法来避免此问题,但过高的预热温度和焊接热输入量会造成热影响区过热区的组织脆化。(2)设备筒体选用进口20 MnMoNi55,属于技根据上述特点,要消除材料焊后延迟裂纹倾向、术要求高的钢材;再热裂纹、热影响区过热区的组织脆化及回火脆性,(3)管板选用6124的20 MaMoN55板材堆焊就必须在热切割前及焊前进行(200±5)℃预热,焊87厚的不锈钢。对设备的筒体及换热管所选的材料,后立即进行(300±5)℃×24h的消氢处理或者立均为本公司过去未曾使用过的,需要做各种焊接工艺即进行(625±15)℃×3h的消除应力热处理。评定。管程、管板为低合金钢堆焊304L型不锈钢,堆21焊接性分析焊方法为手工电弧堆焊及带极电渣堆焊;堆焊采用碳当量能粗略反应材料的焊接性,依据国309型焊材堆焊过渡层,釆用308型焊材堆焊耐蚀层际焊接学会推荐的计算公式CE=C%+Mn%6+以达到复合层304型不锈钢的耐蚀要求(Ni%+Cu%)/15+(Cr%+Mo%V%)/5,由表1中22焊接工艺评定各主要材料的化学成分分别计算出20 MnMoni55根据设备选用的材料和拟采用的焊接方法,按l5 ArMoR的CE分别为05312%和0.532%。由此可照JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》以及设备知,20 MnMoN55、5 CrMoR焊接时冷裂纹倾向严制造专用技术条件,在编制产品焊接工艺规程前进行重;同时20 MnMoN55为低合金高强钢,封头材料相应的焊接工艺评定,焊接工艺评定项目见表415CMoR为低合金耐热钢,焊接过程中极易产生淬23产品的焊接工艺硬的显微组织,在焊缝区富扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用使焊接接头易产生氢致延迟(冷)23.1设备焊接工艺规程(见表5)表4焊接工艺评定项目Table 4 The assess items of welding procedure材料评定规格坡口形式焊接方法焊接材料焊丝:Hl0 Mn2NIMoAOMnMoNi55埋弧焊焊剂:CHF603焊丝:H10Mn2NMoA手弧焊20MnMoNi55焊剂:CHF603埋弧焊焊条:J607Ni焊丝: HIICrMo45B15CrMoR埋弧焊焊剂:CHF603焊丝:H10Mn2NiMo20MnMoN155手弧焊+15CrMoR埋弧焊焊剂:CHF603焊条:J607Ni氩弧焊焊丝:TGS-CM15CrMoR16 mm+手弧焊焊条:R307BS3l803换热管:中44mm×2mm氩弧焊焊丝:ER2209+20 MnMoNi55/304管板:24mmTH中国煤化工308L20 MaMoN55堆焊42 mmCNMHG3O8L2013年12月王文全,等大型甲醇合成塔的制造技术23表5焊接工艺规程Table 5 The welding procedure焊接部件焊接方法焊接材料规格/mm焊接电流/A电压V速度(cmmi管壳程纵环焊缝埋弧焊焊丝:H1OMn2 NIMo中4550~60029-3246-50焊剂CHF603封头纵焊缝埋弧焊焊丝: HIICrMo45B550-62030~3246-56焊剂CHF603焊丝:H10Mn2 NiMA中4550-60029-3246-50焊剂:CHF603壳程合拢焊缝手弧焊+埋弧焊140-180焊条:J607Ni壳程与管板焊接中3.290-120手弧焊焊条:J607Ni中4140-180管程基层与管板焊接180-220焊丝H0Mn2 NiMA中4550-60029-3246-50封头与加强段焊接手弧焊+埋弧焊焊剂:CHF603焊条:J607Ni中4140~180焊带:D309LSHD202850-90018.3~20管板、管程堆焊带极堆焊60×0.5焊剂:D308LSHD202850-9005~27管子与管板焊接手工钨极氩弧焊焊丝:ER2209成分Ar+2%N流量:10~15Lmin2.3.2堆焊工艺道焊口。管板材质为20 MeMoN55堆焊309L+308L在管程筒体、管板堆焊中,选用焊带规格均为换热管与管板焊接材料选用 Sandyκ2.8.3J,做到焊60mm×0.5mm,以便于加入的合金元素焊接时通过接提前送气和焊后滞后停气,以达到良好的氩气保护焊剂过渡到堆焊层中。过渡层的堆焊过程中若电流效果,同时在焊接过程中要求焊接第1遍时不加送或过大、熔深加大,则稀释率也增大,势必影响堆焊层少加丝来保证换热管与管板根部熔合好。的化学成分。若电流过小则易造成电弧燃烧不稳定边缘不均匀甚至未焊透,因此应严格控制过渡层的焊接电流和电压,尽量偏下限值。管板的堆焊采取从中心向外同心圆周逐步堆焊。随堆焊轨迹半径的增加相应调节转胎的转速,使每圈堆焊线速度一致,厚度控制在3~5.5mm,为得到平滑的焊缝,焊缝的搭接量必须控制在5~8mm,焊带的伸出长度为3040mm。2.33筒体焊接图3对接焊缝坡口形式窄间隙埋弧焊是近年发展起来的一种高效、省Fig 3 The slope form of the welding-joint时和节能的厚板焊接方法,可以缩短焊接时间、减少焊后热处理焊接材料消耗或费用。此外还有焊接热输人小、改善接头韧性和减少焊接变形的特点。该方法对坡口质量甲醇合成塔各部分热处理工艺曲线见图4~7。要求非常严格,筒体对接坡口形式见图3。采用冷加工方法进行刨削。内侧10mm坡口深度采用埋弧焊,665-690℃由于折流板及定位管要先进入筒体定位,故最后一道100℃l50℃/h对接环焊缝内侧只能釆用焊条电弧焊焊接,外侧焊缝炉冷至300℃后空冷全部采用窄间隙埋弧焊。23.4换热管-管板焊接中国煤化工换热管为S31803,数量为4309根,共计有8618Fig 4 TheCNMHGe head-unit化工设萏与道第50卷第6期根据产品的结构特点及材料性能要求,将甲醇610-640℃合成塔各部分分别进行热处理,各部分按顺序组装,00℃h<150℃h最后对接的环焊缝采用局部热处理,管程筒体和管板2.25h炉冷至300℃后空冷过渡层堆焊后进行热处理。时间h在甲醇合成塔制造过程中,材料必须经过多次图5加强板、管板及筒体热处理过程中间焊后热处理。因此,热处理是最重要的工序之一,Fig. 5 The process of heat treatment for the stiffening-platetube-sheet and shell它必须在焊接工作全部完成24h且经检验合格确认不再施焊之后才能进行625±l5℃4结束语<150℃/h250kta甲醇合成塔制造难度大,采用文中所述炉冷至300℃后容冷的制造、焊接、检验和热处理工艺措施确保了甲醇合图6封头加强板局部热处理过程成塔的制造质量,设备投入使用后的安全可靠运行说Fig.6 The process of the local heat treatment for the head-明制造工艺过程是合理的。stiffening-plate参考文献[1]GB151-199,管壳式换热器IS]s|100℃/h<150℃h[2]GB150-1998,钢制压力容器[S]炉冷至300℃后空冷[3]聂杰,杨炜,史庆和,等.甲醇合成塔的研制[压力容器,2003,20(3)图7管板过渡层堆焊热处理过程[4]JB4708-2000,钢制压力容器焊接工艺评定[SFg.7 The process of heat treatment for the tube- sheet[5]陈泰炜.压力容器焊后热处理技术M北京:中国石化出overlaying版社,2002Manufacture Technology for Large Methanol Synthesis TowerWANG Wenquan, WANG Fengyou, YUE Wei, FU Zhi, YANG Wenfeng(Xi'an Nuclear equipment Co, Ltd, Xi'an 710021, China)Abstract: The technical characteristics in manufacture of 250 kt/a methanol tower, including material, forming, machining, welding,heat treatment and Non-destruct examination were introduced in this articleKey words: methanol Synthesis tower; forming; machining; welding; heat treatment; Non-destruct examination四川日机公司研制的高压及大轴径干气密封通过工信部组织的国家级鉴定2013年11月21日,四川日杋公司公司“千万吨级炼油加氢装置循环氨压缩机高压干气密封及其控制系统”和“大型煤化工煤制丙烯装置丙烯制冷压缩杋大轴径干气密封”两项科技成果,在成都通过工业和信息化部组织的鉴定。清华大学王玉明院士担任鉴定委员会主任、中国机械联合会重大装备办公室叶大蓉副主任和中国液压气动密封件工业协会沙宝森理事长担任鉴定委员会副主任。鉴定委员会其他委员由国内产学研用等多方面专家担任。国内三十多家石化及煤化工和压缩机制造企业的代表出席了会议。在对生产现场和样机试验进行了仔细考察、并经过质询和讨论后,鉴定"址心担供的项目技术资料、图纸和工艺文件齐全,数据可信,符合鉴定要求。研制产品均属国内首中国煤化工了国内空白,主要技术指标达到国际同类产品水平,其经济效益和社会效益显著,具有很高的CNMHG(四川日机公司供稿)