文丘里洗涤塔制造工艺技术探讨

（西安核设备有限公司，西安 710021）

文丘里结构是根据流体力学原理测量流体压差的一种装置，结构典型，先收缩而后逐渐扩大的管道，测出其入口截面和最小截面的压力差，算出流量，使用广泛。主要结构特点：①流体产生的作用力小。②压差大，精度高，测量范围宽。③稳定性好，有平滑的压差特性。④使用范围广，一般气体、烟气含杂质较多的高炉煤气等长期使用不发生堵塞现象。⑤安装方便，能长期维护。这种结构主要用煤化工、航空、石油化工、冶金、电力等行业高中压、大管径、低流速等各类气体、流体的系统控制与精确计量。

公司制造的540 t/a 煤炼油项目煤气化装置设备（文丘里洗涤塔），为系统气化及洗涤关键设备，采用典型文丘里设计结构。设备是Ⅱ类中压容器，总长度9 200 mm，高度2 100 mm，最大外径φ1 176 mm×（34+6）mm，最小外径φ762 mm×（44+6）mm，主要由灰水接头组件、弯头组件、筒体组件等零部件组成，结构如图1所示，技术特征如表1所示。主体材料为14Cr1MoR，工作介质为中毒危害的水煤气、黑水。由于工况条件要求，内壁堆焊6 mm 不锈钢耐腐蚀性材料。设备外表面用厚度130 mm 的耐高温玻璃棉进行保温。数量6 台。设备采用强制性密封结构，密封形式使用八角槽+金属环垫。设备主要功能是完成水煤气和黑水在设备内混合净化、排放处理。

由于材料、结构和工况条件限制，以往同类设备制造和使用过程中常常出现裂纹、微泄漏、局部腐蚀等制造质量缺陷，从而影响设备使用的可靠性和安全性。本次根据同类材料、制造工艺要求和同类设备制造经验，对关键部件90°弯头成型工艺改进优化，焊接、堆焊过程确定合理、规范的工艺技术参数，解决了设备制造的难点，提前顺利完成了设备的制造任务。

1 材料

文丘里洗涤塔设备材料为板-锻结构，主体壳体材料14Cr1MoR，规格34、44 mm，正火+回火状态供货，除按照GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》要求进行验收和复验外，还应符合专用材料技术条件对夹杂物、晶粒度、高温拉伸试验以及无损检测等的要求。法兰材料为14Cr1Mo Ⅳ锻件，符合NB/T 47008—2017 中Ⅳ锻件的要求。材料按照技术要求进行复验合格后用于设备的制造[1]。

2 工艺

2.1 弯头成型

90°弯头是设备关键零件，直接连接工艺气体进口、出口法兰，影响到设备法兰焊接和整体外型公差尺寸要求，所以必须严格控制加工质量。由于弯头外径φ762 mm×44 mm，弯曲半径R1143 mm 较大，以往对大直径板卷管采用前、后两瓣对接成型的方法，制造模具需内、外半圆2 种规格弯曲半径模具，这种成型工艺虽然节省原材料，但制造过程复杂，效率低，适合单件成型工件加工制造。根据同类材料大直径管材的制造经验对成型工艺进行优化，工艺上采用上、下两瓣中温成型后对接的工艺方式，单套模具即可完成上、下半圆管结构成型操作，成型质量稳定可靠。更重要的是制造后续工序焊接、无损检测操作方便，成型模具可重复使用，适合批量工件的生产，结构如图2所示。

图1 文丘里洗涤塔结构Fig.1 Structure of methanol synthesizer

表1 设备技术参数Tab.1 Technical parameters of equipment

图2 弯头成型结构Fig.2 Structure of methanol synthesizer

经实践，改进后的成型工艺方法加工质量稳定可靠，加工效率显著提高，充分利用了原材料，极大缩短了设备加工周期，节省了制造费用[2]。具体工步操作如下：

（1）放样在长度方向留工艺余量100 mm 下展开料，刨纵缝坡口，坡口表面进行100% MT 检测，符合NB/T 47013—2015 I 级合格。

（2）采用专用压型胎具中温上、下单瓣成型，成型温度控制480℃以下。组对、焊接成型，焊缝清根表面100% MT 检测，并进行100% UT 按NB/T 47013—2015 I 级合格。严格控制错变量±1 mm。焊前预热温度150～200℃，层间温度150～250℃，焊后立即消氢处理，履带加热，加热温度325±25℃、保温时间120 min，空冷。RT 合格后焊缝内表面打磨光滑。检测合格后中间消应力处理，每条纵缝放置2 个热电偶与其接触；采用电炉加热，加热温度（630±15）℃、保温时间40 min，空冷。出炉后立即热校圆，用样板进行检侧，控制圆度公差在±1 mm。焊缝进行100% RT、UT 检测。

（3）考虑到工件壁厚、弯曲半径较大，采用热压成型进行正火+回火恢复性能热处理。机加去除接管多余工艺余量并加工两端坡口，保证两端面垂直度±0.5 mm。

2.2 焊接

母材14Cr1MoR 属于低合金珠光体耐热钢，材料本身碳当量较高，有一定的淬硬倾向，易产生冷裂纹、氢致裂纹和再热裂纹以及回火脆性等问题。坡口宜采用机械加工，避免淬硬层。为避免Cr-Mo 钢400～700℃的回火脆化敏感区，根据材料特性和焊接工艺评定证实，焊前预热、焊后消氢能降低焊缝冷却速度，消除焊接接头的高温抗蠕变强度和组织的稳定性，降低焊缝及热影响区的硬度，有效防止冷裂纹、再生裂纹及回脆性等缺陷产生。焊前预热、控制层间温度、焊后消氢的温度必须严格控制，焊接坡口及两侧100 mm 范围内的母材温度始终不低于预热温度，基层预热温度150～200℃，层间温度150～250℃，堆焊层层间温度≤100℃。

基材规格44 mm 较厚，选用“U”坡口，选用小的热输入和较低的焊接速度，提高焊接接头的冷却速度，利于细化接头各区的晶粒，改善显微组织提高冲击韧性。焊接过程应连续施焊，保证层间温度与预热温度，如中途中断焊接，应有保温和缓冷措施。

焊材选含碳量≤0.12%低氢型焊接材料，其熔敷金属的扩散氢含量不高于4.0 mL/100g，以提高接头的抗热裂和冷裂能力以及韧性，结构如图3所示，焊材、焊接技术参数如表2所示。

具体焊接工步如下：

（1）清理干净每侧坡口表面及附近50 mm 范围内域油、锈、积渣及其他有害等杂物；

（2）钨极氩弧焊点固并施焊序1；

（3）焊条电弧焊施焊序2，3，并立即进行消氢处理；

（4）消氢处理合格并打磨内表面焊缝后，分别焊接过渡层及耐蚀层序4、5；

（5）注意层间清渣及焊后表面飞溅的清理[3]。

图3 弯头与短节结构Fig.3 Welding technical parameters

表2 焊接技术参数Tab.4 Welding technical parameters

2.3 堆焊

按照设备工况和制造要求，内表面堆焊6 mm 不锈钢耐腐蚀层。采用单件堆焊组对成型的工艺焊接方法。由于设备数量多，堆焊面积较大，为提高堆焊质量和效率，采用带极埋弧堆焊，熔深较浅，稀释率较低，并且焊道表面平整，易实现过程的自动化，以改变以往堆焊效率低下、质量不稳定且操作过程中弧光对人员的伤害等问题。

分两层堆焊：过渡层焊带材料E309L、面层焊带材料E316L。预热温度≥100℃，层间温度≤100℃，结构如图4所示，堆焊技术参数如表3所示。

为获得理想的堆焊层厚度、较低的稀释率和较好的堆焊表面质量，采用小热输入、低焊接速度的要求，具体焊接工步如下：

图4 堆焊结构Tab.4 Welding technical parameters

（1）清理干净待堆焊区域油、锈、积渣及其他有害杂物等，对待堆焊基层表面进行磁粉检测，不得有任何裂纹等缺陷存在。合格后进行堆焊焊接。

（2）堆焊过渡层序1，过渡层厚度2.7～3 mm，并进行100% PT 检测。检测完毕后用棉纱沾丙酮清除检测留下的污物，待挥发后用干净棉纱擦拭过渡 层。

（3）堆焊耐蚀层序2，堆焊层厚度≥3 mm，堆焊层总厚度保证6 mm。

（4）注意层间及焊后焊缝表面渣及飞溅物的清理。堆焊后进行目视检查，堆焊表面平整，相邻焊道之间的凹陷不得大于0.5 mm。焊道接头的平面度不得大于0.5 mm，不得有气孔、夹渣、凹坑及未熔合等缺陷。堆焊后表面进行100% PT 检测、100% UT检测，保证堆焊质量稳定可靠，堆焊厚度符合设计图纸要求。同时，测定堆焊层的铁素体含量，检测方法以磁性法为主、赛弗勒图核查作为参考，要求δ铁素体含量在4%～9%。

表3 堆焊技术参数Tab.3 Welding technical parameters

3 结束语

根据设备材料特性、结构特点和工况条件要求，参考了同类设备制造加工经验，通过各项工艺试验和焊接工艺评定要求，将关键零部件成型的改进，焊接、堆焊结构规范、合理的工艺性技术参数，应用于设备的制造过程中，使6 台设备加工质量稳定可靠，加工效率显著提高。设备后续各项试验检查和水压试验均一次性合格。根据设备加工特点和制造技术经验，先后完成14Cr1MoR 等Cr-Mo 钢材料为主的高压混合管、烧嘴冷却水冷器、碳过滤器、预反应器等多台设备的制造加工。

设备投入使用至今运行已5年多，运行稳定，质量可靠，未出现任何质量、安全事故。实践证明，设备制造过程中的成型改进和焊接、堆焊各项技术参数符合要求规范，为后续煤化工大型设备的制造加工积累了成熟经验。