大型塔器制造过程中的质量控制

胡开龙

（陕西升力科技能源服务有限公司，陕西咸阳 712000）

0 引言

大型塔器是石油化工、新能源行业必不可少的重要设备，常用于热量交换、气体分离、化学反应等过程，一般具有耐高压、耐高温、耐腐蚀等特点。大型塔器的结构复杂，主要由筒体和管道组成，常用材料为Q345R，制造过程中焊接成型量大、开孔接管多、生产周期长，所以生产过程的质量控制尤为重要。

以国内某新能源项目中的大型吸附塔生产制造为例，该塔器涉及到大量焊接，并且需要进行无损检测、焊后热处理，检测合格后方可进行水压试验，必要时进行气压实验和气密试验。所以塔器质量控制要点就在制造前塔器结构分析，制造过程中划线开孔、组对焊接、无损检测、热处理，制造完成后压力试验。本文将从这3 个方面分析其制造过程中的质量控制。

1 塔器结构分析

塔器的结构多种多样，有的结构简单，仅分为筒体和内件两大部分，如精馏塔；有的塔器结构很复杂，有筒体、半管、翅片管、汇管，如活性炭吸附塔。本文将从参与过的项目活性炭吸附塔入手，该塔直径3.3 m，直筒段高14.0 m，上封头高度1.2 m，下封头及底座3.0 m，设备总高近22 m。因为结构复杂的塔器有很多部件，很难全部把控到位，一些影响产品质量的一定要严格把关，而对一些辅助结构件，则可以依靠程序文件内控。这就要求对塔器结构非常熟悉，明白主次，做到避轻就重。

1.1 筒体

结构上，活性炭吸附塔筒体的成型比较简单，但功能却很重要。筒体就是设备本体，主要是作为承压容器，利用活性炭吸附分离氢气中的氯化氢、氯硅烷，提纯氢气浓度。氢气是易燃、易爆炸气体，泄漏危害特别大，所以筒体对密封性要求很高。

筒体一般由一定数量的筒节组成，筒节是由钢板卷制而成，根据筒体长度，再把一定数量的筒节组对在一起形成筒体，筒节纵缝和筒体环缝都是埋弧焊接。需要注意的是，筒节组对时，相邻两纵缝需相隔180°，目的有两个：一是防止环缝对接时纵缝接头搭接，二是防止筒体划线开孔时孔开在纵缝上。这也是国家标准不允许的情况。另外，塔器筒体有好多接管，在筒节组对时需要整体结构考虑，避免划线开孔开在焊缝上，影响筒体焊接质量。

1.2 夹套半管

半管即一定直径钢管的1/2，呈螺旋状环绕在筒体上，它作为冷却水循环系统，能快速冷却筒体温度，同时也承受一定压力。为了满足换热面积，半管在筒体上均布有42 圈，总长度约430 m，焊缝总长度约860 m，这是非常大的焊接量，而且半管还要避开筒体上的接管孔，还得考虑半管进水口和出水口在筒体上角度位置，与外接管定位尺寸。这就要求半管组装时整体考虑接管位置、角度，避免出现半管进出水接口位置变化，实际上也出现过类似问题，半管组装时没有考虑螺旋结构的特点，先定位进水口还是先定位出水口？导致进出水接管口位置出现变化，最终经过很大调整才符合图纸要求。

1.3 夹套翅片管

夹套翅片管是由规格Φ88.9×8 mm 和Φ60.3×5 mm 的无缝管套在一起，两支钢管壁间隙为6 mm，两支钢管形成一个闭合循环，外套管周向间隔60°焊接有2000 mm 的翅片，整个14 m长的外套管分布焊接翅片，应力比较集中，外套管壁厚比较薄，导致外套管焊缝容易开裂，所以在焊接翅片时注意焊接线能量，尽量减少能量集中，减少应力集中。整台吸附柱有66 支夹套翅片管，这种结构就需要焊接完成后必须进行整体退火热处理，防止翅片焊缝开裂，翅片管变形。

1.4 进出水汇管

吸附柱底部有两层环形汇管，每层有4 圈汇管，上面一层汇管和66 支夹套管的内套管连接，下面一层汇管和66 支夹套管的外套管连接，这样内外套管通过两层汇管串联起来，形成一个闭合回路，饱和热水从下面一层汇管进入外套管，流经内套管，再从上面一层汇管流出。因为每一支环形汇管都与夹套翅片管通过接管焊接连接，最内圈汇管要焊接4 支接管，最外圈汇管要焊接21 支接管，焊接量非常大，对接难度也很大，所以在焊接前汇管划线开孔很重要，如果孔的位置没有定位好，在接管组对时就很难找正，影响汇管焊接质量。

2 制造过程质量控制

从以上对吸附柱结构分析可以看出，在生产过程中有大量的划线开孔、组对焊接，那么焊缝的焊接、无损检测及焊后热处理就是我们制造过程中质量控制的重点。

首先是划线开孔，塔器筒体上有温度计接管，需要划线开孔，半管上有进出水接管，需要划线开孔，汇管要和夹套翅片管连接，也需要划线开孔。划线开孔的位置尺寸、角度直接决定组对质量，在划线时一定要先和图纸核对确认，孔的位置、角度、直径，这道工序非常重要，要专门作为关键停止点。塔器设备尺寸很大，筒体上的好多接管位置、角度很接近，比如相同位置上30°和45°上各有一个接管，很容易将两个孔混淆，一旦开错孔，这节筒体很可能就报废。而且孔要用油漆笔画出，标出中心位置不能简单用石笔画，很容易磨损掉。

其次，划线开孔下道重点工序就是就是焊缝组对检查。划线开孔一般要求机械加工开孔，但实际过程中塔器筒体上的孔无法机械加工，只能火焰切割开孔，气割坡口无法做到和机加工一样平整，承插接管组对时焊缝间隙不均匀，焊接工人也不好焊，同时由于开的是圆形孔，焊缝坡口也不容易打磨均匀，所以这个焊缝组对是焊接控制的第一个要点，需要专业的铆工来完成。在实际生产我们发现焊缝组对间隙太小容易造成未焊透，间隙太大容易造成焊缝能量过于集中而产生缺陷，因此采取相关措施，加强焊缝组对检查控制，对焊缝间隙小的部位重新打磨，对组对间隙大的部位先进行长肉，这样保证焊接时环缝连续性，最终水压试验过程中接头泄漏点大大降低，取得了很好的效果。

最后，要注意焊接过程的质量控制。前面介绍了吸附塔的结构和主要工序，可以看出该设备成型方式主要是焊接。因此焊接过程质量控制是设备整个制造过程的重中之重，直接决定着设备最终能否合格、如期交付使用。焊接过程的控制点大体分为焊前检查、焊接过程控制、焊缝无损检测及热处理4 个部分。下面对此过程就简单展开分析。

（1）焊前检查。焊接前的准备工作很重要，是焊接合格的前提条件。焊前检查主要是一些焊接准备工作：首先要审核焊前相关资质文件，必须提交焊工资格证、焊接设备的检定证书、焊接材料的质保书、焊接工艺规程（Welding Procedure Specification，WPS）及焊接工艺评定（Welding Procedure Qualification Record，PQR），满足焊接相关标准及技术文件方可施焊；其次检查焊接坡口，接管焊接坡口主要是气割加工，气割造成坡口有高温氧化皮，需要彻底打磨出金属光泽，保证组对间隙均匀；最后检查焊材是否满足焊接要求，焊条、焊丝是否无油污，焊条、焊剂是否烘干到指定温度并保温等。

（2）焊接过程。焊接过程的质量控制主要在于焊工技术水平和焊接参数的控制，焊接检查时：首先要检查焊接工人是否与所提交的资格证书一致，是否定期复审；其次，焊接时组对焊缝要按照WPS 进行预热，塔器主要材料为Q345R、属于普通碳钢，一般厚度低于30 mm 无需预热，厚度大于30 mm 的需要预热80～100 ℃，而且也和当地气候有关，当地多雨潮湿应必须预热，至少烘干焊缝水汽；最后是焊接过程的控制，主要是电流、电压、速度等参数的控制，正确的做法是按照WPS 执行。但是有些焊工为了加快焊接速度，私下把焊接电流调大，增加线能量来提高焊接速度，这表面上是增加了焊接速度，但是可能为焊接质量埋下隐患，如熔化温度不够，易造成未熔合、焊缝成形不良等缺陷。

（3）焊缝无损检测。塔器设备有大量的焊接工作，夹套翅片管、夹套半管、汇管、接管等都有大量焊缝，虽然生产过程中严格控制质量，但总是不可避免的出现一些缺陷，外部缺陷可以目视检测出来，内部缺陷需要通过无损检测找出。按照技术要求，塔体所有AB 类焊缝，以及管口接管法兰对接环缝，100%RT（Radiographic Testing，射线检测），射线技术等级AB，NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2 部分：射线检测》Ⅱ级合格；所有C、D 类焊缝，吊耳和支耳根部焊缝，接管与接管对接接头、接管与高颈法兰对接接头，在水压试验前后，都要进行100%PT（Penetrant Testing，渗透检测）探伤，Ⅰ级合格；设备吊耳或耳座或支座与其垫板的焊缝、垫板与壳体间的焊缝，均应按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5 部分：渗透检测》进行100%MT（Magnetic Particle Testing，磁粉检测）或PT 检测，不允许任何裂纹和分层存在，符合MT-Ⅰ级（或PT-Ⅰ级）合格。通过无损检测可以有效的检测出焊缝缺陷，及时在工厂返修处理。

（4）焊缝热处理。这些焊缝存在巨大焊接应力，在后期使用过程中，设备一直处于循环水冷热交替中，就会把焊缝撕裂。所以设备所有焊接工作及无损检测工作均合格后，设备进行炉内整体消除应力热处理。热处理时，应将设备装入热处理炉后按热处理工艺卡要求点火升温，达到620 ℃后保温100 min，然后随炉缓冷，设备出炉时，炉温不得大于300 ℃，设备出炉后在静止的空气中继续冷却。在生产中发现夹套翅片管弯曲变形，经过热处理侯恢复原状。热处理需要注意的是保温温度和时间，以及冷却方式，都会影响焊缝质量，应严格按照热处理工艺进行。

3 设备压力试验

塔器所有管路连接完成，水循环系统、气循环系统组装完毕后，进行相应的压力试验。夹套翅片管、夹套半管等水循环系统进行强度试验，试验介质为氯离子含量小于20 mg/L 的清洁水，试验压力为设计压力的2 倍，容器强度试验也采用水压试验，试验压力为1.1 倍设计压力。由于本项目设备体积庞大，水压试验注水量大，焊接接头总数有数百个，焊缝总长上千米，所以水压试验时极微小的焊缝泄漏点难以识别，很容易造成漏检，为此需要延长保压时间，比如技术要求稳压30 min，实际中稳压60 min，通过焊缝100%检查和观察压力表是否掉压，确保焊缝无泄漏。在实际生产中，通过上面的三大措施，有效降低了水压试验焊缝的泄漏点，统计结果见表1。

表1 水压试验焊缝漏点统计情况 处

4 总结

吸附塔是石油化工、新能源行业的重要设备，结构相对复杂，焊接量相对较大，具有一定的耐高压、耐高温、耐腐蚀功能，生产过程质量控制非常重要。根据它的特性，采取了一系列措施，制造前分析结构、抓重点，制造过程中严控焊接、探伤、热处理，制造完成后进行压力试验，有效地控制设备的质量，确保每台出厂设备都是合格产品。