大型塔类空中组对焊接热处理施工技术的探讨

何延鹏

（陕西化建工程有限责任公司西安分公司，陕西西安710200）

1 前言

随着化工产业不断调整，新型、大型的化工厂不断涌现，化工设备也不断向大型化、新型化发展。作为重要设备的塔类设备的安装也日趋复杂，安装施工技术要求越来越高。

2 工程特点

（1）塔类设备几何尺寸大，高度高，且施工工期短，现场焊接、安装施工技术含量高，需大型吊装设备进行作业。

（2）塔类设备均不在DMTO装置烯烃分离单元各个区域，南北西东都需修吊装临时便道。

（3）设备吨位重：丙烯精馏塔（一）重671吨，丙烯精馏塔（二）重1480吨，10台塔共计吊装重量2876.2吨；设备高度高，丙烯精馏塔（一）吊装高度65.5m，丙烯精馏塔（二）吊装高度105.8m，乙烯精馏塔吊装高度78m，脱甲烷塔、脱乙烷塔吊装高度都超过65m。

（4）焊接量大，10台塔共计组对焊缝18道焊口，焊缝长度达到226m，最厚塔壁厚度52mm。焊接工艺复杂，其中3台塔为低温设备。

（5）塔组对都在2012年11月到2013年3月，榆林靖边在此期间的平均温度都在-5℃以下，且风量较大，焊接环境差，预热、后热、热处理难度大。

3 塔类空中组对焊接热处理施工工艺流程

4 塔类空中组对焊接实施方法及步骤

4.1 施工前准备

（1）施工机具及胎具的准备：焊机、索具、工具棚运入组装现场，施工机具设备性能应可靠，所用计量器具要检测合格。劳动保护组装平台铺设，吊装场地平整。

（2）对塔器组对各班组进行施工技术交底及焊接技术交底。

（3）设备基础施工单位提供基础质量合格证明书、测量记录及其它施工技术资料，基础应有明显的标高基准线、纵横中心线。

4.2 塔类设备相关参数（表1）

4.3 吊装前检验

（1）设备四心线应准确无误，环缝对口上、下环口划好明显组对基准圆周线，定位基准标记及找正测量标记是否齐全、准确。

（2）分段口处的椭圆度允差≤25mm；组对环口上、下应每隔1m左右点焊定位板、限位板及放置间隙片，符合要求后进行定位焊。核对塔底座圈上的地脚螺栓孔距离尺寸，应与基础地脚螺栓位置相一致。

表1 塔类设备相关参数

4.4 基础验收

基础各部位尺寸及位置偏差数值不得超过表2中的偏差值。

表2 基础各部位尺寸及位置偏差

基础混凝土强度应达到设计强度，周围土方应回填，夯实整平，基础表面不得有疏松层、露筋、气孔、裂纹、蜂窝、空洞等缺陷，地脚螺栓的螺纹部分应无损坏和生锈。

4.5 垫铁安装

（1）清理摆放垫铁的基础表面污物并铲平。

（2）每个地脚螺栓旁边至少放置一组垫铁，垫铁组尽量靠近地脚螺栓，相邻地脚螺栓间距大于500mm必须增加一组垫铁。有加强筋的设备，垫铁垫在加强筋下。

（3）每组垫铁不超过5块，斜垫铁搭接长度不小于全长的3/4。

（4）垫铁放置平稳，接触良好。垫铁放置合格后基础四周100mm×100mm范围内砸麻点不得少于3～5个，深度为10mm。

（5）垫铁组数量经计算平垫铁规格为（以丙烯精馏塔为例）：

计算公式：A≥C*（G1+G2）/nRmm2

其中 G2=[σ]n1πd2/4

式中：A-单组垫铁面积（mm2）；G1-设备等加在垫铁上的载荷（N）；G2-地脚螺栓拧紧时加在垫铁上的载荷（N）；C-安全系数，取 1.5～3；n-垫铁组数；n1-地脚螺栓数；d-地脚螺栓直径（mm）；[σ]-地脚螺栓材料许用应力（MPa）；R-基础混凝土的抗压强度（MPa）。

丙烯精馏塔（一）：G1取1480t=14800000N，C取2.3，n1为 60，d=56mm，n取 120，地脚螺栓材料视为 Q345，其许用应力为170MPa，C30混凝土抗压强度为30MPa。

单组垫铁面积为：

4.6 劳动保护用具、附塔结构安装

（1）分段设备整体热处理前应将附塔平台（包含组对临时平台）、爬梯及管道支撑垫板与设备壳体进行焊接。

（2）塔类设备分段到货时，进行吊装组对作业前，应进行附塔爬梯、平台及附塔管线安装，尽量减少高空作业。两台丙烯精馏塔在地面铺设组对平台，立置搭设脚手架安装劳动保护后，进行吊装空中组对。

其余各塔安装时使用胎具将分段设备水平放置于距地面1.5m处，安装劳动保护后依次吊装组对，采用临时平台进行空中组对，临时平台应在环焊缝下方1.2m处。

4.7 设备吊装

4.7.1 设备找正及找平

塔的找正及找平应按基础上的安装基准线（中心标记、水平标记）对应塔上的基准测点进行调整和测量，调整和测量的基准确定如下：①裙座的底面标高应以基础上的标高基准线为基准；②塔的中心线位置应以基础上的中心划线为基准；③塔的方位应以基础上距离最近的中心划线为基准；④塔的铅垂度应以塔上下封头切线部位的中心划线为基准。允许偏差见表3。

表3 立式设备安装质量标准（mm）

4.7.2 设备的找正及找平应符合的规定

（1）找正与找平应在同一平面内相互垂直的两个或两个以上的方向进行。

（2）由于塔高超过20m，为避免气象条件影响，其垂直度的调整和测量应避免在一侧受阳光直射及风力大于4级的条件下进行。

（3）塔体找平时，根据要求用垫铁调整精度，不应用紧固或放松地脚螺栓及局部加压等方法进行调整。

4.8 组对工艺

（1）环缝组对之前应先核对各段方位，按排板图进行组对，且对环缝坡口及两侧各50mm范围内进行清理，清除氧化物、油污、铁锈等杂物。先将单节端口周长全部进行测量，核算相邻筒节周长差值，以便在组对过程中控制错边量。

（2）设备四心线应准确无误，环缝对口上、下环口划好明显组对基准圆周线，定位基准标记及找正测量标记是否齐全、准确。

（3）上段与下段组装时，调整其方位使之与下段心线在同一直线上，采用经纬仪测量控制上段塔的整体垂直度，控制塔的整体垂直度小于等于H/1000且不大于50mm，同时复测上下口基准圆的间距，其偏差应不大于3mm。调整环缝的组对错边量，其允许偏差小于等于4mm。各部位尺寸满足要求后点焊环缝，采用与塔体材料相匹配的焊条点焊牢固，点焊长度≥50mm。

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（4）在上段及下段筒体组对环缝时，使用专用卡具，沿周向均布点焊，以便于上段筒体顺利就位及调整。组对前在下段安装间隙垫板，以保证对口间隙值。

（5）在上段筒体沿周向均布点焊限位板，以便于上段筒体顺利就位于下节筒节的上口，在中心线左侧点、上节筒节的下口以及中心线右侧各点焊一块立板，以保证上段筒体方位正确。

（6）组对塔上下同节错口时，在塔体焊接调节卡具，采用千斤顶进行调节，保证组对错边量。

表4 组对错边量允许偏差值（mm）

（7）采用双经纬仪按照4.7.2中设备找正步骤进行垂直度的调整，达到规范允许值，在对接焊缝处进行定位焊。筒体成段后的组装质量应符合规定，见表5～表 7。

表5 外圆周长允许偏差值（mm）

表6 筒体直线度质量标准(mm)

表7 筒体圆度质量标准(mm)

表8 焊条烘干参数

4.9 塔体焊接

4.9.1 焊材管理

施工所用焊材应符合国家相关标准的规定并具有合格的质量证明书；焊条烘干参数符合标准要求并做好发放、回收记录，见表8。

4.9.2 施焊环境

榆林靖边冬季多风沙、寒冷，要保证塔的焊接质量必须克服风和温度的影响。在临时平台焊接高度为1.8m的栏杆，在外侧搭设防火布，防止风影响焊缝的质量。焊接前2个小时，开始给焊口预热，经热电偶和红外线确认达到预热温度。焊接时持续加热，保证焊口和周边的环境温度。

4.9.3 焊接工艺

（1）坡口形式（图1）

（2）环缝组对焊接方法

筒体的环缝在施工现场进行组对焊接，采用手工焊，施焊位置为横焊。

（3）焊接顺序

当塔节焊口采用卡具和固定限位点焊以后，开始内侧焊缝打底。不需进行焊接预热，防止加热时将固定焊和卡具崩开。底层焊接完成后，外侧贴加热片开始预热，进行内侧焊缝的焊接。当天焊接未完，进行焊口的后热处理。内侧焊缝焊接完成，拆除加热片及卡具。在外侧进行碳弧气爆进行清根处理，必须将首层焊道清理完毕。内侧贴加热片预热，达到焊接温度时，将外侧焊缝焊接完成。焊接时，每一条环缝应多名焊工同时、同步对称施焊。

（4）焊接工艺参数（表9）

表9 分段环缝焊接工艺评定

4.9.4 焊接要求

（1）焊前坡口表面进行宏观检查，不得存在裂纹和分层等缺陷，否则应采用修补措施。

（2）补焊作业时应由具备上岗资格的焊工进行。

（3）所有焊缝坡口内部及其两侧各50mm宽的范围内进行打磨清理，且应露出金属光泽。

（4）筒体段焊接前应预热，预热温度150～200℃，预热范围应以对口中心线为基准，两侧各取不小于总厚度的三倍，且不得小于100mm。预热时应在焊口两侧均匀进行，以防止过热；预热在焊接的背面进行，采用红外测温仪测温，并在加热板加热的另一侧测量。在焊接过程中，层间温度100～150℃。

（5）焊接时宜采用多层多道焊，即进行排焊。焊接时的摆动宽度不应大于4倍的焊条直径。

（6）由施工人员和检验人员分别进行严格的过程控制和检查。

（7）焊缝同一部位的返修一般不允许超过两次，超次返修时须由制造厂的质保工程师或现场组焊质保工程师批准。

（8）每层焊接后，对表面成形差的部位用砂轮机修整后再焊接，以免出现夹渣、未熔合等缺陷。

（9）焊接完毕，及时清除焊缝表面焊渣、飞溅物等，并在设备外表面距焊缝适当位置标注焊工钢印。根据规定低温设备乙烯精馏塔、脱甲烷塔及脱乙烷塔不许打钢印，应在相关图纸上标注。

4.9.5 焊接检验

（1）所有焊缝表面不允许存在咬边、裂纹、气孔、弧坑、夹渣等缺陷，焊缝上的熔渣和两侧飞溅物必须打磨和清理干净。

（2）依据图纸要求现场组焊的B类焊缝进行100%RT检验，Ⅱ级合格。100%超声检验，Ⅰ级合格。

4.10 预热、后热及热处理

热处理工应有良好的工艺作风，严格遵守作业指导书和交底规定，做到操作无误，记录准确。

4.1 0.1 预热、后热工艺要求（表10）

表10 预热、后热工艺要求

4.1 0.2局部热处理工艺要求（表11）

表11 局部热处理工艺要求

局部热处理曲线如图2所示。

4.1 0.3焊前预热、后热

（1）施工方法：采用电加热法。

（2）供热：①加热器规格：吸铁式电加热器，10KW，220V；铁壳式电加热器，10KW，220V；②加热器分布：加热器沿焊缝对称布置于施焊一侧的背面；③加热范围：焊缝两侧各不小于焊件厚度的3倍，且不小于100mm；④加热器固定：φ14螺纹钢通过定位块固定于焊缝的上下侧，采用40*4扁钢及16#铁线将加热器牢固捆绑固定；或采用磁铁吸附于设备表面，同时利用圆钢、扁钢等材料固定加热器。

（3）供电：①电气联线采用YO接法；②一次电缆采用YC4*35+1*10电缆；③二次电缆采用YC4*25+1*10电缆。

（4）控温测温：①控温设备：HT-600和HT-2C热处理智能温控装置；②测温：采用K型热电偶，远红外表面温度仪配合进行监测、巡检，两热电偶间距不得大于4600mm；③测温点位置：在加热面的背面测定温度。当焊件焊缝处母材厚度小于或等于50mm时，测温点距离焊接接头坡口4倍母材厚度，且不超过50mm；当焊件焊缝处母材厚度大于50mm时，测温点距离焊接接头坡口大于等于75mm；④补偿导线：选用KC型补偿导线配合热电偶进行测温。

（5）保温：①预热过程中，在加热区100mm以外范围内应予以保温以减少热量损失；②后热过程中，在焊道上利用定位块等材料适当敷设硅酸铝保温棉进行保温，以保证后热温度；③焊后热处理的过程中，至少为焊缝中心至加热区以外100mm，保温材料利用扁钢及铁线固定，以保证加热器提供足够的热量。

5 质量控制

5.1 规范标准

（1）施工设计说明书和施工图纸。

（2）公司质量管理手册及程序文件。

（3）《石油化工静设备安装工程施工质量验收规范》（GB50461-2008）。

（4）《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》（GB50236-2011）。

（5）《承压设备无损检测》（JB/T4730-2005）。（6）《压力容器焊接规程》（NBT47015-2011）。（7）《质量体系、生产、安装和服务的质量保证模式》（GB/T19002-ISO9000）。

（8）YNH001-AZB-460-PRO-025-A00《起重吊装安全规定》。

5.2 关键部位及工序的控制

为确保质量目标的实施，必须对施工质量全方位、全过程进行控制，采取预防为主，重点控制工序质量，具体应做到：工序交接有检查，质量预控有对策，施工有措施，措施有交底，图纸会审有记录，材料配件有证书，隐蔽工程有复验，设计变更有手续，质量处理有复查，材料代用有审批，成品保护有措施，行使质检有否决（施工过程中如发现质量异常、隐蔽项目未验收、擅自变更设计图纸、擅自代换或使用不合格材料、无证上岗、未经资质审查的操作人员等，均应对质量予以否决），质量文件有档案（凡是与质量有关的技术文件，如水准坐标位置、测量放线记录、沉降变形观测记录、图纸会审记录、材料合格证明、试验检验报告、施工记录、隐蔽工程记录、设计变更记录、试压记录、竣工图等，按规范要求都应编目建档）。

5.3 焊接环境控制

（1）风速超过8m/s时，无有效保护措施不得施焊。

（2）焊接电弧1m范围内的相对湿度不得大于90%，无有效保护措施不得施焊。

（3）当焊件潮湿或下雨、下雪、刮风期间，焊工及焊件无保护措施时，不应进行焊接。

（4）当气温高于30℃且相对湿度超过85%时，不宜进行现场焊接。□