钛制脱碳四塔填料塔的制造及安装

魏小红，刘瑞君，王哲

（1.宝钛装备制造（宝鸡）有限公司，陕西 宝鸡 721014；2.天合东方（西安）安全气囊气体发生器有限公司，陕西 西安 710201；3.宝鸡市质量技术检验检测中心，陕西 宝鸡 721000）

塔器是石化企业中特别重要的设备之一，随着石化产业的快速发展和装置设备的逐步大型化，高径比大的塔器日渐增多，这就对塔体直线度提出更高的要求。本台脱碳四塔属于填料塔，塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面，液体从塔体上部进入，沿填料表面下降。气体则由塔体的下部通过填料空隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。此类设备广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。塔器整体使用钛合金，而钛合金的焊接容易产生气孔及接头脆化等缺陷，因此合理选择焊接工艺参数能保证焊接质量[1-3]。设备制造过程中，进行了焊接工艺评定、产品施焊、无损检测、水压试验、酸洗钝化、涂装及包装发货。文中主要从制造工艺、技术难点及现场安装等方面探讨了脱碳四塔的质量控制措施。

1 设备结构特点及主要参数

脱碳四塔的主体材质为TA2，高度为50 m，直径为1.8 m，高径比大。采用TIG焊接，焊接材料符合NB/T47018，牌号为ERTA2ELI。其主要设计参数见表1，结构示意图及实物图如图1及2所示。

2 焊接坡口设计

鉴于脱碳四塔设备壳体主要材质壁厚20 mm，设备整体采用TIG焊接方法，其坡口设计相对于该工艺本身的研究显得尤为重要。不合理的坡口型式，容易造成焊缝夹渣、未焊透、未熔合、应力集中和变形等缺陷，还会增加焊接工艺编制的难度，甚至无法形成较好的焊接接头。

图1 脱碳四塔结构示意图

采用双Y型坡口，两面施焊，受热均匀，变形较小，焊丝消耗量较小，在板厚相同的情况下，双Y形坡口比Y形坡口节省焊接材料1/2左右，而且脱碳四塔的筒体和封头双面焊接的可达性好。由于焊接过程中的接头的横向收缩影响，双面施焊后坡口角度在焊接过程中及焊后有所减小，正面和背面Y型坡口角度大小相等，收缩减小基本一致，因此根据材料物理性能确定合适的坡口角度，以使焊接过程中焊缝宽度变化与工艺参数和焊枪宽度相匹配，从而保证焊接质量。

表1 设计参数

图2 脱碳四塔实物图

针对坡口设计与可能产生缺陷的关系考虑，主要针对钝边厚度B、根部间隙P、钝边的高度S、坡口角度β等参数进行正交优化试验，寻找最佳匹配方式。并通过实际焊接最终确定坡口尺寸示意图如图3所示。

3 制造工艺

脱碳四塔设备的制造过程主要包括下料、刨边、卷筒、组焊、校圆、无损检测、划线、开孔、内件组焊、外部预埋件施焊、水压试验、酸洗钝化、除锈涂装及包装发货、现场组对施焊、安装等工艺流程。

3.1 筒体的组对和焊接

筒体总长度43.25 m，分21节卷制成型后施焊，然后再拼接组焊。由于环缝数量多，累积误差大，直线度及椭圆度不易控制，故首先把所有筒体置于操作平台上，在其距上下端各100 mm处划定位圆周环线。组对时以定位环线为基准测量高度差，能到达到要求允差后，再施焊。其次，施焊过程中采用间断对称焊，减少热输入，进而减少焊接变形，从而保证直线度要求。最后，采用防变形工装，在筒体内部设置米字型焊接支撑工装，对筒节的椭圆度进行控制。

图3 坡口尺寸示意图

3.2 人孔与筒体的组对与焊接

整个设备共有人孔8个，均带补强圈，人孔筒体为Φ530×18，开孔直径大，且所有人孔均位于一个方位，焊接任务量大，合理的焊接节点图能很好地控制变形，并且减少焊接材料的用量。人孔与筒体焊缝简图如图4所示，可以看出，筒体的壁厚和补强圈上的坡口组成了双Y型坡口。塔体内外变形量一致，且互相限制。焊接时采取双面焊热输入小，线能量低，焊缝成形质量好。另外，焊接时在人孔内做背板，反向支撑，也可以很好地保证焊接质量的同时减小焊接变形。

焊接过程中，采用正交试验，通过合理组合焊接电流、焊接电压及焊接速度，保证焊接质量减小变形，得到合理的焊接工艺参数见表2。为了防止角变形及保证焊缝质量，1、2层打底焊采用小电流低电压，小的焊接速度。TIG 焊打底背面焊缝成形外观良好，可以保证填充焊的实施。7、8层盖面焊，由于焊缝表面积大，填丝时需要采取S型环绕法，且保证焊丝的横向横摆幅度小于焊丝直径的3倍，可以减少热输入，控制焊缝质量。盖面层应减慢速度，形成外观良好的鱼鳞型焊缝。按照以上焊接参数施焊，TIG 焊时焊缝表面成形美观，呈现出均匀波纹状，从外观上看无任何缺陷。经PT检测，能达到Ⅰ级合格。

图4 人孔与筒体焊缝简图

4 现场安装施工方案

脱碳四塔分上、下塔体分别施焊运输，在上、下端筒体内设置米字型支撑，防止运输变形及椭圆度超差。在现场组对上、下段。现场安装包括裙座组件基准找正、裙座组件与下塔体组件组对、下塔体组件与上塔体组件组对、安装塔外部件、安装塔盘及塔内部件等。脱碳四塔设备运到现场后，应先将基础找平。将裙座组件整体吊装按图方位安放到位，先将裙座下端找平后，定为塔整体找正基准，将下塔体组件吊装，以裙座组件下封头端口面为基准，按方位将下塔体与裙座组件进行组对并把上裙座螺栓。然后组对上下两个塔体，校正合适后，采用环撑刚性固定方式，合理布局施焊顺序，以减少焊接变形对塔体安装精度的影响。

表2 人孔与筒体焊接工艺参数

5 结 论

1）采用双Y型坡口能很好地减少变形量，与Y型坡口相比节省焊接材料1/2。

2）制造过程中对定位圆周环线的控制能保证直线度满足要求。

3）采取合理的焊接工艺参数及人孔内部设置背板，能很好地减小焊接变形。

4）塔体分段处的筒体内部设置米字型支撑能保证椭圆度要求，降低现场安装的难度。