脱硫反应器制造难点分析及工艺改进

2023-10-26孔祥伟

设备管理与维修 2023年17期

孔祥伟

（大庆石油化工机械厂有限公司，黑龙江大庆 163711）

0 引言

脱硫反应器是S-Zorb 系统内的核心设备，同样是化工行业的重要反应装置。由于该装置的主要制备材料为12Cr2Mo1R，具有特殊性质，因此制备过程复杂，工艺细节要求极高，必须重视脱硫反应器制备环节的难点与质控措施，以确保后续投产的安全使用。

1 脱硫反应器的构造特征与关键制备工艺

本次大庆石油化工机械厂有限公司承制的脱硫反应器为立式构造，类别为Ⅲ，投产后处理介质为汽油、氢气、吸附剂（图1）。其主要制备材料为12Cr2Mo1R，焊接系数标准为1.0，其他设计参数见表1。

表1 设计参数

图1 脱硫反应器结构

1.1 上封头制备

本装置的上封头结构选用“整体拼接+热压冲型”工艺，拼接成型后采用正火（可调节冷却时间）配合回火热制备流程。由于热制备工艺会降低母材12Cr2Mo1R 的性能，因此在回厂后要将拼缝部位的焊肉置换。置换焊肉时，为避免封头变形，首先需在封头顶部安装内箍圈，拼缝里、外两侧要安装拉筋板；然后要先置换外侧的焊肉、再置换里侧的焊肉[1]。

1.2 下封头制备

与上封头一致，下封头同样选用整体热压冲型工艺，成型后采用正火（可调节冷却时间）配合回火热制备流程。回厂后，对封头的内侧进行堆焊、接管部位进行组焊，经探伤检测合格为标准。

1.3 筒节制备

因本装置筒体直径偏大，壁厚48～62 mm 不等，为保证筒节直线度，纵环缝坡口需采用刨边机加工，控制对角线尺寸偏差小于2 mm。筒节需先拼接、后卷制，板材拼接时注意预留焊接缝，后续卷制时板材两侧还需预留出150 mm的直头（在筒身合口之后再去除），以确保筒节卷制的弯曲度合格。筒身合口之前，需测量卷制后的筒身周长，以保障筒节成型后直径规格与设计参数相符。

1.4 锥体的制造

本装置包括两节锥体，锥体为翻边形式，选用“分瓣组装+组焊成型”方式制备。成型后的锥瓣，需要与对应的主材12Cr2Mo1R 元件一同经热处理。

2 制造难点与工艺质控措施

2.1 焊接难点

12Cr2Mo1R 材料的性质非常特殊，存在淬硬倾向，在热制备条件下极易发生裂痕，因此焊接工作需要重点把控预热环节、热制备环节以及焊后去应力热处理环节的焊接温度。

2.1.1 预热

预热环节的作用主要是为避免钢材发生焊接冷裂痕与再热裂痕[2]，预热温度需要根据所用钢材的碳当量、焊接接头的拘束度以及焊接部位的氢含量来确定。针对12Cr2Mo1R 钢材，为避免出现氢致裂痕，需要调节较高的预热，同时不能超过马氏体转变结束点的临界值Mf（表2）。

表2 国内外标准中对于12Cr2Mo1R 钢材的建议预热温度

2.1.2 热制备与消氢环节

API RP 934-A—2019 标准中，12Cr2Mo1R 钢材的热制备工艺为593 ℃条件下，持续制备2 h，最低消氢温度为300 ℃。我国普遍采用的消氢工艺，在300～350 ℃持续制备2 h，但只适用于厚度偏薄的接管环形焊接与纯角焊接。而针对脱硫反应器的热制备，需要保持620 ℃条件下持续制备2 h。如果钢材厚度大于100 mm，则持续制备时间不能少于4 h。

热制备环节的热电偶应至少布设4 个，布设如图2 所示，其中L 为接头的厚度。

图2 热制备环节中热电偶的布设

2.1.3 焊后去应力热处理

12Cr2Mo1R 钢材在焊接完成之后，需要进行焊后热处理，这一步主要是为清除焊接残留的应力，优化接头部位的力学性质，减少由于温度骤变而引起的焊接裂缝与硬化组织。当前，针对12Cr2Mo1R 钢材的焊后热处理，主要采用调节回火参数［P］的处理工艺，690±14 ℃持续处理8～10 h，此时回火参数约为20.13，满足12Cr2Mo1R 钢材回火参数［P］的标准范围（20～20.5）。

2.2 分配盘的堆焊

分配盘的堆焊作业即为管板部位的堆焊，如果分配盘使用环形带极堆焊方式，那么其堆焊的焊口分为内、外两部分，需要注意不同焊口的焊接速度，尽量保持一致，同时在焊接之前需要调整好焊机的转速，不同直径的焊口需选择适宜的堆焊方法。当前对于分配盘部位的堆焊主要有以下3 种方法[3]：

（1）方法1：焊口直径小于500 mm 时，焊机需平行或垂直于焊点部位，然后盘旋堆焊，将焊口调整为直径500 mm 的圆，再以环形方向焊接、层层堆焊剩余部分。焊接全程需使用带极电渣焊。

（2）方法2：使用带极电渣焊以环形方向进行堆焊，将焊口调整为直径小于300 mm 的圆，之后换用熔化极气体保护焊或电弧焊，将焊机平行或垂直于焊点，盘旋堆焊剩余焊口。

（3）方法3：加装环形挡焊支架，使用带极电渣焊，将焊机平行或垂直于焊点，盘旋堆焊全部焊口。堆焊结束之后拆除挡焊支架。

2.3 焊缝置换

上、下封头部位的焊缝置换十分关键，必须保证原有焊肉被全部剔除干净，同时坡口部位的尺寸需要符合成型封头的拼装与焊接，封头的最终形状需达到GB 150—2011《压力容器》的设计标准。

为避免封头部位发生变形问题，可在焊缝置换前加装防变形支架（图3）。根据直边段部位的取样检测结果，确定封头处热制备受影响区域，清除原有焊肉与热制备受影响区域的焊肉之后，封头坡口部位如图4 所示。

图3 封头置换防变形工装示意

图4 去除原焊缝和热影响区后的焊缝坡口

为避免置换后的焊缝出现变形，可将全部焊缝均分成数段，先从中间部位开始，逐步向两端置换。置换过程中注意焊缝的坡度需保持一致，置换结束后封头的坡口不能小于原有尺寸。

整个置换流程为[4]：预热处理（温度控制在180～200 ℃）→清除中间部位的原焊肉与热制备影响区焊肉→检查焊缝坡度→焊接中间部位→清除两端部位的原焊肉与热制备影响区焊肉→检查焊缝坡度→焊接剩余部位→焊缝实施热制备与消氢（620 ℃条件，持续制备2 h）→翻面→预热处理（温度控制为180～200 ℃）→另一面，清除中间部位的原焊肉与热制备影响区焊肉→检查焊缝坡度→焊接中间部位→清除两端部位的原焊肉与热制备影响区焊肉→检查焊缝坡度→焊接剩余部位→焊缝实施热制备与消氢（620 ℃持续制备2 h）→打磨（符合设计尺寸）→进行无损检测（MT、UT、RT、VT 或DT）。