P T A锻焊反应器的制造

李 艳（中国石化集团南京化学工业有限公司化工机械厂 南京 210048）

P T A锻焊反应器的制造

李 艳
（中国石化集团南京化学工业有限公司化工机械厂 南京 210048）

本文对PTA装置上的大型铬钼钢锻焊反应器,在制造过程中的几个关键技术进行了介绍：控制材料的化学成分提高铬钼钢材料的抗回火脆化能力；采用先进的冶炼工艺和锻造技术保证大型锻件的质量；优化铬钼钢封头正火热处理中的冷却工艺来保证材料的性能指标；采用合理的焊接工艺，既保证了厚壁环焊缝的焊接质量，又降低了制造成本；优化堆焊工艺，保证了反应器内壁的堆焊质量；正确选择热处理规范，对铬钼钢压力容器至关重要。

PTA反应器 材料 成形 焊接 热处理

随着国内化工装置规模的不断升级,推动了化工装备的大型化，锻焊结构也更多地被采用。笔者公司在2013年为某石化公司PTA主装置承制了一台精制反应器（以下简称反应器），其结构为锻焊形式，即中间筒体部分为筒形锻件，上、下封头为用板材冲压成形的球形封头，设备的总体长度为25300mm，直径为4300mm，筒体壁厚达到180mm，其结构如图1所示。反应器主材为SA387 Gr11级。由于反应器的直径较大、壁厚较厚，Cr-Mo钢材料的回火脆化敏感性及焊接性能需要在材料、成形、焊接、热处理等方面进行控制和工艺的优化，以保证反应器的制造质量。

1 设备简介

1.1 设计、制造和检验标准

反应器的设计标准为JB 4732-1995《钢制压力容器-应力分析设计》；材料选用标准为ASEM SA-387/SA-387M、ASEM SA-336/SA-336M；制造和检验标准为JB/T4710-2005《钢制塔式容器》、 工程标准《锻焊式结构PTA精制反应器制造、检验和验收》、TGS R0004-2009《固定式压力容器安全技术检查规程》。

图1 反应器结构简图

1.2 主要设计参数(见表1)

表1 主要设计参数

2 主体材料的选用

2.1 壳体材料的选用

●2.1.1 材料标准的选用

上下封头为ASME SA387 Gr11 Cl2板材，筒体材料为ASME SA336 Gr F11 Cl3锻件。

若筒体、球形封头采用相同材料，通过强度计算，筒体厚度约是球形封头厚度的两倍，筒体所用SA336 Gr F11 Cl2锻件的强度要低于封头所用SA387 Gr 11Cl2板材的强度。两者厚度相差较大，不仅影响反应器的制造，而且对反应器的安全运行带来一定影响。因此采用提高筒体锻件材料级别的方法，选用强度较高的 SA336 Gr F11 Cl3锻件，以减薄筒体厚度，缩小筒体与封头的厚度差。

●2.1.2 材料回火脆化敏感性

铬钼钢材料长期服役于325～565℃或在此温度区内缓冷，当处于环境温度时，出现的金属脆化现象称为回火脆化。回火脆化表现为材料的韧度变差，冲击功明显下降［1］。

选材时，应对材料提出严格的化学成分要求。尤其是对有害元素磷、锡、锑和砷的含量应该严加控制。许多研究资料表明：当磷、锡、砷和锑等微量元素向原奥氏体晶界偏析时，就会发生脆化现象。锰、硅的成分则应控制在一个适当范围内。硅能够提高材料强度，但又促使材料脆化。猛是强化元素，研究资料指出，在得到完全贝氏体组织的前提下，应尽可能降低锰含量，以改善步冷后的韧度，即提高材料的抗回火脆化能力［1］。

研究表明，很多元素是相互作用影响着材料的回火脆性。目前采用X和J两个特定回火脆化系数来反映铬钼钢化学成分与材料回火脆性之间的关系：

J=(Si+Mn)(P+Sn)×104

X=(10P+5Sb+4Sn+As) ×10-2［2］

在本台反应器中，要求控制X≤15×10-6。

2.2 筒体锻件的锻造质量的控制

反应器筒体由5件筒节锻件组成，单个筒节锻件长度为3250mm，直径为4300mm，壁厚为180mm，重约65t。作为大型锻件因其尺寸大，工序多，周期长，工艺过程中不均匀，不稳定因素多，所以造成组织性能严重不均匀，易产生较大程度的偏析，存在纵向与横向、表面与心部的性能差别，并且有高的白点敏感性和回火脆性等问题。因此笔者根据以往的制造经验，选择可靠的锻件制造商，并制订严格的锻件采购技术要求。

1)利用各种先进技术与手段和采用合理的冶炼工艺。为了使锻件获得纯洁、致密、均质的金相组织和具有特殊要求的物理性能。要求锻件坯料采用电炉或纯氧顶吹转炉冶炼，再经LF炉精炼，然后采用真空碳脱氧(VCD)进行强化脱氧和脱气，尽可能降低P、S、As、Sn、Sb、［H］、［O］、［N］等有害元素的含量，为保证锻件质量打下牢固基础。筒体锻件化学成分见表2。

表2 筒体锻件的化学成分分析结果

3 制造

3.1 封头的成形工艺

上下球形封头均由厚度为112mm的SA387 Gr F11 Cl2宽幅整板压制而成，这样避免了封头拼接焊缝,从而避免了焊接接头在封头热成型及热处理过程中性能降低，达不到设计要求。

上下球形封头均采用的是热冲压成形工艺，成形过程中应严格控制封头热成形温度，终压温度大于850℃。

表3 筒体锻件的力学性能复验结果

由于热成形改变了材料的热处理状态，成形后必须对封头进行恢复性能热处理，即正火+回火热处理。有文献表明：Cr-Mo钢大型封头经热压后，通过正常（空冷）加回火处理，力学性能仍不能合格。在正火的冷却过程中采用水冷加速冷却，可使各项力学性能指标均有较大提高，并达到标准要求［4］。因此，成形后封头正火热处理工艺采用了水冷加速冷却的方式，经过对同炉热处理的母材试板的力学性能检验，试验结果见表4，验证了热处理后母材的各项性能均符合设计要求。

表4 母材试板力学性能试验结果

3.2 焊接工艺

●3.2.1 材料的焊接性能分析

根据材料的化学成分计算的碳当量和冷裂纹敏感指数，该材料具有较好的焊接性能，但是由于此类材料还是具有一定的冷裂倾向，且厚度较大，则必须有严格的措施来进行保证，也就是焊前的预热，焊接过程中的焊接规范的控制，焊接完成后的及时中间热处理（ISR），严格有效的无损检验，最终热处理（PWHT）。

●3.2.2 主体焊缝的焊接

该设备主要采用手工电弧焊（SMAW）及窄间隙自动跟踪埋弧自动焊（SAW）。

手工电弧焊（SMAW）主要用于纵、环焊缝的打底焊和接管与筒体及封头的对接焊。焊材为E8018-B2。

窄间隙自动跟踪埋弧自动焊（SAW）用于主体环焊缝的焊接。焊材为UnionCrMo+ UV 420 TTR。

使用窄间隙自动跟踪埋弧自动焊，操作人员的劳动强度及由于技能原因出现焊接缺陷的几率大大降低，另外由于采用窄间隙坡口，熔敷金属量减少三分之一上，很大程度上节约了焊接工作量和焊接材料的消耗，从而降低了制造成本，更重要的是由于熔敷金属的减少，使得对焊接接头，特别是对热影响区的热输入大大降低，从而使焊接接头的性能改善。焊接坡口形式如图2所示。

图2 焊缝坡口形式

对于主体焊缝，焊前预热温度控制在180～200℃，预热范围单边不少于施焊部位厚度的3倍，外侧加温，内侧测温，在焊接过程中，层间温度始终保持不低于预热温度，且不高于300℃，尽量保证连续焊完，如有间断，必须进行中间热处理，焊接完成后，立即进行中间热处理，以防处理不及时造成冷裂纹产生。

热处理完出炉后48h，进行无损检测，检测内容为：100%UT（JB/T4730-2005 Ⅰ级合格）、100%RT （JB/T4730-2005 Ⅱ级合格）、100%MT（JB/ T4730-2005 Ⅰ级合格）。

对于此类材料的焊接，在焊接工艺中应对每道焊道的厚度进行规定，手工电弧焊为1.5～2.0mm，埋弧自动焊为3.0mm以内。这是因为该材料的冷裂倾向较大，淬硬倾向大，后一道焊道可以对前一道焊道进行后热处理，从而细化晶粒，在一定程度上提高其韧性，如果焊道的厚度较大，后一道焊道对前一道焊道的处理深度则达不到，就不能达到处理效果。这在笔者单位曾经的焊接试验中有过验证。

●3.2.3 设备内部的堆焊

由于反应器的介质具有一定的腐蚀性，并由于氢的存在，对此类低合金钢具有相当的由于氢损伤造成的破坏，因此采用内壁堆焊耐蚀层是必需的，并且堆焊的质量直接影响到设备的安全使用。

对于设备上的内径大于150mm的接管内壁的堆焊采用CO2药芯焊丝自动焊机堆焊，内径150mm以下的接管采用氩弧实心焊丝堆焊。

首先堆焊前对内壁进行100%MT检验，合格后进行预热，温度100～120℃，先进行过渡层的堆焊，堆焊完毕，立即进行热处理，然后进行100%PT检验和100%UT检验，合格后进行耐蚀层的堆焊，堆焊结束后再进行100%PT检验和100%UT检验。

对于上下封头和筒体内壁的堆焊则采用过渡层用埋弧带极堆焊和耐蚀层用电渣带极堆焊的方法进行。

对于埋弧带极堆焊，它的焊接效率较低，且由于是电弧焊，所以对母材的稀释率较大，但对母材的热影响较小。

电渣带极堆焊，它的焊接效率较高，比埋弧带极堆焊高约三分之一，但由于焊剂是导电的，在电阻热的作用下形成熔融状态渣池，带极直接与渣池短路，对母材的热影响很大，试验及在役设备检验记载，其用于过渡层堆焊时，其氢剥离倾向发生率较高，但对母材的稀释率较小，且焊道的成形美观，缺陷率较低。

综合两种焊接方法的特点，所以过渡层采用埋弧带极堆焊，耐蚀层采用电渣带极堆焊的方法进行。其堆焊顺序和检验方法与接管内壁堆焊相同。

除无损检验外，对于耐蚀层的化学成分还有一定的要求，这主要目的是为防止热裂纹的产生。在最终热处理后，从堆焊层以下3mm，表面层以下1mm取样，进行化学成分分析，然后按照舍弗勒图进行计算，其铁素体含量应在3%～10%之间。

3.3 热处理工艺

1) 最大焊后模拟热处理及最小焊后热处理。前文所述，此类多元化合金强化材料，在多次热处理情况下，材料的力学性能与原来的力学性能相比会发生变化，因此为检验材料在热加工及恢复性能热处理、焊后热处理后，材料的性能是否发生不满足使用要求的变化，制定了最大焊后模拟热处理规范（Max PWHT）：690±14℃×26+20h、最小焊后模拟热处理规范（Max PWHT）：690±14℃×80-2h。对经受过这样热处理的试件进行各项机械性能试验，来验证材料的性能变化。对板材、锻件、焊接材料，工艺评定试件，都必须预先进行模拟焊后处理后的力学性能试验。

2) 中间热处理及焊后热处理。Cr-Mo钢材料的压力容器，焊后尚应采取焊后保温的消氢热处理DHT或中间消应力热处理ISR和最终焊后热处理PWHT等多种形式且又必需的热处理，方能保证焊接接头不开裂，并具有优良的综合性能。对Cr-Mo钢进行的最终焊后热处理，不仅是消除残余应力，更是改善材料力学性能的重要手段［2］。

考虑到反应器壳体壁厚较厚，环焊缝及接管与壳体焊缝焊接后均立即进行中间消应力热处理，规范为625±10℃/4h。对于此类材料的焊后热处理温度成熟的工艺为690±14℃。保温时间根据壳体壁厚计算为8h。另外对升温和降温速度及出炉温度都有严格的控制。

4 结论

1）通过对材料化学成分的控制，降低了材料回火脆化的倾向；通过采用先进、合理的锻造工艺及验收要求，保证了大型锻件的各项性能指标达到设计要求。

2）通过对正火热处理的封头采用水冷加速冷却的方式，保证了热处理后的封头各项性能指标达到设计要求。

3）正确选择主体焊缝的焊接方法，降低成本，提高生产效率；正确选择内壁堆焊方法，保证了堆焊层的质量和成形外观。

4）通过正确选择热处理规范，保证了母材及焊缝质量。

1 杨光起.加氢反应器用铬钼钢回火脆性[J].石油化工设备，2001,30(5)：53～57.

2 全国锅炉压力容器标准化委员会.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社,2005.

3 林楠.SA387Gr11.Cl2钢拼焊大型封头热处理工艺试验[J].压力容器，2007,28(60):57～58,62.

4 马容忠.压力容器焊接工艺评定过程中的问题[J].中国特种设备安全，2011,27(6):35～37.

Fabrication of Forge Welding PTA Reactor

Li Yan
( Sinopec Nanjing Chemical Industries Co., Ltd. Chemical Machinery Works Nanjing 210048 )

The article introduces several key techniques for fabrication of large Cr-Mo steel forge welding reactor in PTA unit. The chemical composition of material should be controlled to improve the antitempered embrittlement ability for Cr-Mo steel; the advanced smelting process and forging technique should be used to assure the large forging quality; the cooling process of normalization for Cr-Mo steel head should be optimized to assure the material property; the reasonable welding process should be used to assure the welding quality of thick wall circumferential seam and reduce the fabrication cost; the overlay welding process should be optimized to assure the overlay welding quality in inner surface of reactor. Finally, it is very important for the Cr-Mo steel pressure vessel to use the proper heat treatment procedure.

PTA reactor Material Forming Welding Heat treatment

X933.4

B

1673－257X(2014)07－34－05

李艳（1974～),女，工程师，从事压力容器制造工作。

2014－05－04）