国内首台千吨级板锻加氢反应器若干制造检验关键问题讨论

2022-09-11

一、综述

中国石油广西石化含硫原油加工配套工程200万吨/年柴油加氢改质项目的核心关键设备是加氢反应器, 主体材质是2.25Cr1Mo板材和锻件, 封头为整体成型, 结构设计国内首次采用板锻混合结构, 为国内首创, 也为加氢反应器的结构设计提供了一种新的选择方案。

广西石化的加氢反应器, 空重1000吨, 内径4.1米, 筒节厚度190mm, 内壁堆焊6.5mm的不锈钢材料, 全长44米, 拥有当前世界最大的整体封头。

一般而言, 壁厚较厚的加氢反应器, 都采用锻焊结构, 而较薄的反应器则采用板焊结构。该台反应器采用复合结构, 可以节约资金达千万元以上, 同时还会缩短制造工期。

该台反应器直径大、壁厚也厚, 板材卷制、筒体焊接、小管堆焊、弯管焊接、热处理等均提出了不同以往的要求, 难度更大, 本文结合制造实践, 对几个重点关键问题进行重点讨论。

二、卷板问题

因为本台设备筒节有板焊结构, 而板材厚度190mm以上, 对卷板机和卷板工艺都有严格要求。卷板前, 制造单位聘请有关科研机构对卷板进行了第四强度理论变形分析, 分析图如下:

a.实际卷板前, 板材侧边进行倒圆角处理。b.实际卷板前, 板材侧边进行倒圆角处理。卷板前预热测温

为了确保卷圆效果, 降低卷制过程中板材的硬度值, 实际卷板采用温卷处理。

制造实践证明, 制造单位选用先进的意大利卷板机, 并采取厚板两侧边打磨R角和温卷的工艺措施是合理可靠的。所有卷制筒节均一次成功, 没有出现质量问题。

三、焊接问题

为确保焊接质量和一次合格率, 制造过程应尽最大程度采用自动焊机具, 这样效率高、合格率也会高。Cr Mo钢焊接, 特别是本台反应器2.25Cr1Mo材料焊接, 更应特别强调对焊接问题的重视。除了正常编制政务的p WPS、PQR和WPS外, 更应重视对过程中预热、道间温度和后热的严格控制。

本台板锻混合反应容器, 接管与筒体、接管与封头、筒体纵缝、环缝、弯管焊接、小管内壁堆焊等在国内率先采用了自动焊工艺技术。筒体纵环焊缝采用了双丝窄间隙埋弧自动焊;筒节内壁采用不锈钢带极电渣堆焊;小管内孔采用自动TIG焊接;90°整体弯管自动堆焊;接管 (包括45°斜接管) 单丝埋弧自动焊接;凸台铬钼钢和不锈钢309L+347都采用埋弧自动堆焊。由于尽最大限度采用了自动焊, 焊接成功率达到前所未有的高度, 一次性合格率接近100%。

该项目, 由于最大限度采用了自动焊工艺, 使得焊接质量受到人为的影响降至最低。

厚壁加氢反应器生产中采用的窄间隙双丝埋弧自动焊, 优点明显, 主要表现在: (1) 从焊缝坡口根部到坡口表面各层焊道数相同; (2) 各焊道对两侧母材熔化深度相同、各焊道的熔敷金属厚度相同, 后一道焊缝对前一道焊缝有相同的热处理作用。焊缝具有相近的化学成分和良好的力学性能; (3) 焊缝一次合格率高。

同时, 制造单位、业主、第三方检验人员在制造过程中始终注意焊接控制, 每天多次现场巡查焊接工艺的执行情况, 重点检查焊前预热温度及焊后消氢情况, 对于耐蚀层堆焊, 重点检查待堆面的表面质量, 过渡层堆焊的预热, 过渡层、面层厚度、表面质量、铁素体检验等。

实施自动焊工艺和过程中严格控制和有效创新是焊接成功的关键。

四、热处理问题

热处理分为几种, 加氢反应器的制造中, 主要包括预热、消氢、中间热处理、焊后热处理。热处理问题, 在加氢反应器的制造中起着举足轻重的作用, 没有好的热处理工艺, 反应器不可能制造成功。

业内人士均有所了解, 以上几种热处理目的和意义不同。

中间消应力热处理 (ISR) 既可以消氢, 又可部分消除焊接残余应力, 并改善焊接接头的韧性。

焊后热处理 (PWHT) 的是为了减少焊接残余应力和成形残余应力;稳定结构的形状和尺寸, 减少畸变;改善母材、焊接区的性能;降低焊缝和热影响区的硬度;提高断裂韧性;改善疲劳强度;恢复和提屈服强度;提高抗应力腐蚀的能力。

步冷或阶梯热处理是为了评价21/4Cr-1Mo钢焊接接头的回火脆化敏感性。

明白了热处理的不同目的, 就会更加科学合理制定正确的工艺, 并有效执行之。

反应器实际热处理时, 有完善的热处理工艺, 并按工艺核查热电偶的布置和数量, 检查相邻各焊缝的热电偶布置, 确保每条环焊缝上至少有4支热电偶。这些热电偶根据工艺要求, 分别布置在容器最上部、下部、内表面、外表面, 以确保加氢反应器的焊后热处理质量。

由于制定了合理的热处理工艺, 并在制造过程中有了严格的控制, 使得本台反应器的热处理工作有效完成, 没有出现差错。

五、结束语

广西石化板锻加氢反应器的制造实践, 解决了板卷等若干实际问题, 总结经验如下:

1、厚板板卷问题:

对于强度级别较高的厚板, 应采用温卷成型和卷制前两侧面打磨R角方案, 确保卷制成功。

2、焊接问题:

制造实践证明, 应尽最大限度采用先进的自动焊工艺, 如筒体纵环焊缝采用双丝焊自动焊工艺、接管与筒体尽可能采用埋弧自动焊工艺、小管内壁自动焊等。同时, 焊接也要创新, 如弯管一次性自动焊, 实际是国内首次采用, 并一次焊接成功。

3、热处理问题:

热处理也是设备制造能否成功的关键。整个制造过程中必须确保预热温度、道间温度得到有效控制, 并确保Cr Mo钢材料焊后及时DHT (消氢) 或ISR或进炉PWHT。热处理必须制定合理的工艺, 并按工艺严格检查和实施, 特别是热电偶的布置等, 必须保证。

对于反应器制造中有关的ITP制定、NDT方案、水压试验方案、包装运输方案等, 当也是非常重要的材料, 但受相关条件的限制, 本文仅对卷板、焊接及热处理问题进行重点讨论和经验总结, 希望对类似设备的制造有借鉴意义。

摘要：中国石油广西石化含硫原油加工配套工程200万吨/年柴油加氢改质项目核心关键设备为国内首台板锻复合结构大型加氢反应器, 其结构设计采用板焊和锻焊相结合的方式, 是一种新的设计方案。该反应器板材筒节的卷制、CrMo钢材料的焊接、封头的整体成型都具有挑战性。本文从实际制造检验的角度, 对几个典型的问题进行重点描述讨论, 力图对之后同类设备的制造和检验提供参考信息。

关键词：板锻复合,加氢反应器,卷制,焊接