聚丙烯环管反应器的国产化制造

。26.中国锅炉压力容器安全第14卷第3期聚丙烯环管反应器的国产化制造李宝宪(北京市特种设备检测中心北京100029)摘要介绍了环管反应器首次在国内制适中,其关键部位的焊接质量控制和形位公差控制,且首台环管反应器的制造成功结束了此设备长期依摘进口的局面。AbstraetItintrodueesweldingqualityeontrolandelearaneeeontroloftl、ekeypartoftheRingTubeHeatExehanger.eq、一三pmentkeypointsforthefirsttimesueeessfullyinn、anufaeturingandfinishingthesituationthatforaverylongtimewehavetodependonimportedtogetsuehequipments.关键词环管反应器焊接质量形位公差聚丙烯是由丙烯聚合而成的一种热塑性塑料,聚合反应器是生产聚丙烯的主体设备,目前在国内投产运行的有釜式和环管式两种。现在由我国自行的,年产7万吨,具有国际同类水平的环管反应器已顺利制造成功,它预示着我国聚丙烯装置完全国产化时代的开始。1结构简介环管反应器的结构简图如图1示,Rl,RZ,R3,…,R6为六根各长为26m,规格为小609.6mm火14rnm的直管,外附规格为争69omm又lomm的套管,由其下端的支座固定于地基上,组成环管反应器的主体部分;Al,AZ,A3,Bl,BZ为六个规格为争609.6mm只14mm的1800弯头,顺次连接直管成一循环整体。六段直管间通过工字梁连接,形成若干个平台面,这些平台面既做为固定整个环管反应器的作用,同时也是聚丙烯系统其它辅助装置的安装平台。丙烯液在循环泵的驱动下,由IA进入环管反应器的循环系统,在3.4MP。的压力下,通过六段直管和五个弯头,在催化剂的作用下,在系统内循环往复,停留大约15小时后,形成浆状聚丙烯,从IB外泄出,进入一F一段工序。环管反应器里的温度是通过夹套中的闭路脱盐水循环系统来控制的,循环水在循环泵驱动下,由ZA处进入夹套,六段夹套间由直管相连成为连通系统,在ZF处退出水循环。当需要增加聚丙烯的年产量时,可通过加长直管长度或增多直管数量,来实现其聚合能力的增加。单根环管反应器的具体结构如图2示。lll,,,1.声声{{{{{{{lll{井{{{}}}口口——-一州州}——}}}一一—-一.}}-一一—布布布口口...............:::竺日!!!1.上法兰2.:波赛胀节3.内筒4.外筒5.支座6.单波膨胀节7,厂法共第14卷第3期中国锅炉压力容器安全上、下法兰与内筒对接,外筒通过与封板相焊与内筒连成一整体,组成一夹套容器;与外筒对焊的单波和三波膨胀节起温度补偿作用;焊接在外筒上的支撑梁与其它筒体顺次连接成一支撑平台,与焊接在外筒上的支座一起组成整个装置的支撑系统。制造质l控制环管反应器的设计和工作参数(表1):表1工作压力}设计压力_!】介簿入11Ja}MPa}最高工作温度C设计温度内简夹套一45/150014}0.54黑黔东90/150由工作参数得知:环管反应器应按低温孤类压力容器设计,环管反应器的制造关键有三点:(1)内筒内壁抛光。由于丙烯液为浆状,若内壁光洁度达不到一定要求,易和催化剂一起粘附于筒体内壁上,轻则影响聚合效率,重则堵塞管路流通,影响设备正常运行(2)焊接要求。各部件间焊接质量是影响反应器好坏的关键。(3)形位公差控制。是实现环管反应器顺利装配和成功运行的关键。下面就焊接质量和形位公差控制两方面做一阐述。2.1焊接质量保证(1)膨胀节间的对接膨胀节是环管反应器的一个重要部件,从耐腐蚀性和强度方面考虑,选用ICr18NigiT奥氏体不锈钢材料,结构如图3:奥氏体不锈钢间的焊接,无论焊缝或热影响区都可能发生丧失抗晶间腐蚀的能力。从材料ICr18iNgiT的成分分析,由于它的含碳量很低,在焊接加热时,碳扩散的数量就相对地减少,从而使奥氏体晶粒边界处形成碳化铬(Cr23C6)的机会减少,也就是晶粒处发生贫铬的机会减少,从而提高了抗晶间腐蚀的能力。同时母材中的iT元素是形成碳化物比较强烈的元素,比铬强烈得多,在加热和保温时,晶粒边界处,钦首先与碳形成碳化物,防止了碳夺取铬而发生贫铬现象,保持了奥氏体晶粒和晶界的含铬量都在耐腐蚀浓度以上,从而防止了晶间腐蚀。由以上分析可知,ICr18NigiT的可焊性是可以保证的。由于奥氏体钢的导热系数小,它的焊后散热冷却速度就慢,存在近缝区过热,而使晶粒粗大,塑性降低,同时晶间腐蚀的倾向也会增加,因此,在焊接过程中采取了减少焊缝截面积,使用小线能量焊接,控制层间温度,用湿布冷却焊缝的,缩短了过热时间,防止了晶间腐蚀的发生,具体焊接工艺如表2:裹2焊焊条条焊接坡JJJJ焊接电流流焊接电压压冷却方式式(((((((A)))(V)))))AAA13777口口口70~1100020~2555湿布冷却却用上述焊接工艺施焊后,采用固溶化热处理,经10。%射线探伤后,得到较为满意的焊接质量。(2)膨胀节与外筒的对接外筒材料是16MnR低合金钢,膨胀节与筒体的焊接属于异种钢间的焊接,其结构如图4:因为焊缝金属的化学成分对焊缝的组织和性能影响较大,因此保证焊缝的化学成分是个很重要的问题。在选择焊接材料,接头形式及焊接规范时都要考虑到膨胀节(ICrl8NigTi环焊缝筒体(I6MnR)膨胀节(l价z8N,gT,)连接环焊逢图3图428中国锅炉压力容器安全第14卷第3期它们对焊缝化学成分的影响,防止在焊接时产刃生热裂纹,晶间腐蚀等缺陷。焊缝金属的成分就是两个被焊金属与填充金属混合的成分,尤其在奥氏体不锈钢的焊接,合金元素烧损很少.基本可以按熔合比计算化学成分,只要知道焊缝金属的成分,就可以根据组织图估计焊缝的组织状态。根据膨胀节和筒体的板厚,选用单V型坡口,其接头型式和熔合比如图5示:70绒一3%以下,对防止热裂纹等缺陷和保持塑性都有好处,符合焊接这两种异种钢的要求,具体焊接工艺如表3:表3焊焊条条焊接坡!JJJ焊接电流流焊接电压压(((((((A)))(V)))AAA3O777已曰曰90~1100020~222215%15%图5由计算得知,选用A307焊条,按选用的熔合比3(}%,计算所得的铬当量和镍当量,在组织图查得,其焊缝组织为奥氏体十铁素体,而且铁素体含量在2%焊接完成后,经过l帕%射线探伤合格,进行水压试验,其焊接质量完全符合设计要求。(3)低温法兰与筒体的焊接环管反应器最低设计温度为一40C,属于低温压力容器。低温容器对材料低温韧性的要求较高。用于环管反应器的内筒材料为从国外进口的SA672,C70一22钢,对比其化学成分和机械性能和我国的16MnDR相似,与内筒相对接的大法兰,其材料为09MnNDI,两种材料同属于低温用钢,其化学成分如表4:表4(%)CCCCCCCSiiiMnnn(少rrrN---SSSPPPCuuuNbbbSSSA672,C70000`17770.23331.11110.028880.36660.006660.01110.018880.0025550009MnNIDDD0111021111.3222006660.4666000999O。00777O`06660、00生生在其化学成分中,含碳量对钢的韧脆性转变温度影响较大,含碳量升高,韧脆转变温度升高,因此无论是从低温韧脆性,还是从焊接性来考虑,低温用钢的含碳量都必须限制在0.2%以下。锰是提高钢材低温韧性的主要元素,并起到固溶强化的作用,从表4可以看出,二者的含碳量都不超过0.2%,且含锰量也都比较高,完全满足环管反应器一40C设计温度的使用要求。大法兰是弯头与内筒相连的重要部件,其质量的好坏直接影响环管反应器的安全运行。大法兰中较高的含镍量,提高了钢材的低温韧性,同时,镍不和碳发生作用,全部溶入固溶体中而使材质强化。为了进一步提高其低温韧性,在制造法兰毛坯时对其进行了一次调质处理,如图6。经过调质处理后,能够得到铁素体十粒状碳化物组织,进一步提高了材质的低温韧性。法兰和筒体的焊接采用手工焊,根据两种钢的成分和性能,选用W707焊条,其成分如表5:焊条化学成分与所焊钢种成分相差不大,匹配较650400散夕广长补八卜匕」图表CCCCCSiiiMnnnNiiiSSSPPP000.05550.21111.34440.84440,007770.0111好,完全满足低温焊接的要求,其焊接工艺如表6:焊缝经100%射线探伤合格后,进行消除焊接应力整体热处理,如图7。经水压试验后完全达到设计要求。2.2形位公差控制第41卷第3期中国锅炉压力容器安全29表6首先做一符合内筒上档块外围尺寸的夹子对挡块逐一斗袋侧丫个进行测量通过修磨处理使其符合尺寸要求而后用一长28Omm与外筒内径相同的圆筒对各内筒进行预套装以保证内外筒套装时同心度和各段外筒间对接焊缝错边量在技术所要求的允差范围内为保证法兰密封面与筒体轴线的垂直度在允差范!尹但丝土;9二围内首先在下法兰面与筒体对接完成后校正法兰十1/夕/}l\冷字线在镬床上加工法兰密封面(法兰在锻造时端面毯3500卜二-/】}、一一、留余量)在焊上内筒上端法兰后校正法兰十字线键1一上端法兰密封面控制总长通过这样的工艺即保证o--一-一一一-一一了总长在允差范围内同时也保证了法兰密封与筒体h一图7轴线的垂直度和上下两法兰的平行度(2)弯头部件环管反应器的结构特点决定了各单件及部件间质量要求弯头两端的法兰内径必须与弯头在相形位公差的控制下面就筒体部件弯头部件预组装连处的实际内径相同弯头两端法兰密封面应垂直于等关键环节在制造工艺及其合理实施方面加以阐述弯头的轴线并应在同一平面在法兰外径范围内检查(l)筒体部件允差lmm两法兰中心距允差士3mm质量要求筒体组焊加工完毕后长度允差士为满足以上质量要求将弯头先在平台上划线根Zmm筒体上下法兰内径必须与内筒实际内径相同据弯头中心距校正法兰紧固于平台进行焊接焊接筒体上下法兰密封面应垂直于筒体的轴线其允差在完全冷却后再松开法兰然后校正弯头法兰中心十字法兰范围内士lmm每个筒体的支座底板应垂直于筒线在落地幢床精修法兰端面和密封面用设计制造的体的轴线其允差在支座范围为士Zmm六个筒体上专用夹具支撑弯头一次装夹惶出使密封面在同一平的支座底板应在同一个水平面上其允差自筒体下部面控制密封深度允差士0.lmm法兰密封面到支座底板下表面距离范围为+smm三(3)预组装段内筒调直全长不直度小于smm外筒应顺利套入预组装时主要有以下要求内筒①上下各六个法兰密封面应在同一平面允差士为满足上述质量要求某制造厂对三段内筒的不lmm并垂直于筒体的轴线直度进行测量首先通过拉钢丝的方式测量钢丝各点②六个支座底面应在同一平面允差士lm。并处与筒体直径方向切线间的距离控制直线度而后用垂直于筒体的轴线水平精位仪校核③两筒体中心距4200mm两端法兰和支座处允为使支座制造满足质量要求采用如下工艺差士3mm其余位置士smm(l)预先卷制好一段外径为小844mm的简体然后为满足以上要求做以下工艺处理利用该筒体按图组对底板筋板及环板环管反应器采用卧式预组装下面三条筒体置于(2)按相应的焊接工艺卡施焊已校正好水平的平台上上面三条筒体置于钢构架上(3)以筋板围成的一个圆的中轴线为基准校正待调整筒体轴线水平六个端法兰同一个平面六个支座加工面垂直于中轴线后加工底板的底面最后车去假底面同一平面筒体轴线两端中心距420。士3mm连套筒接180’弯头调整中心距并配弯头对端的梁调整中通过上述工艺措施基本可保证公差在以支座范围心距然后配其它连接梁连接试配后挠孔钻孔配连为士Zmm的要求接管膨胀节的保护罩不拆卸连接管两端法兰与筒体对内外筒同心度的保证是通过下述方式进行的法兰用螺柱拧上后再焊(下转第40页)40中国锅炉压力容器安全第14卷第3期停,造成显影温度波动较大,最高温度曾一度超过28C(时值合肥地区高温天气)暗室处理无法归一。结果三个组实习,只有一个组做出曝光曲线,且误差仍然偏大。其他两组只能参考该组曲线修正本组结果,误差更是无法避免地增大。②计算误差由于对曝光曲线的正确使用不熟悉,抽签后测量,计算过于紧张,结果往往忙中出错。这在小管条件计算中比较突出。如合锅点发现好几位考生计算时把同一管电压族曲线中黑度高线与低线弄反,结果曝光量计算误差达50%~70%。还有学员因做出的曝光曲线不同管电压线相交,计算中把不同管电压线看错,亦造成不小的误差。③操作失误a.现场拍片,有的学员将管电流定为12一15mA,但计时器调整仍按lomA(实习值)定,结果黑度偏高。b.暗室显影时,有的学员在红灯下观察小管焊缝显影,总觉得黑度不够,再加点时间,结果黑度大大偏高。4.2小管焊缝投影间隙误差△b我省考委会使用的小径考管标称管径自中25.4mm到中63mm,标称管壁厚T从2.snrm到7mm不等。考试时抽签,测量,计算均由学员独立进行见表2。表2a.靶心焦点位置偏移;b.测量S有误;c.环焊缝穿透中心实际摆放有误。③皖安点因考中级(已具有初级资格)人员比例比合锅点高,计算,操作相对比较熟练,故误差率低于合锅点。4.3灵敏度Z(l)本班未发现一例达不到灵敏度者。(2)以往各次班亦难见一例未达到Z值要求者,除非是拍摄时用错像质计号。人次/百分比(%)分b(士,}(`>1毛35结语(l)本方法实际是将X射线机曝光曲线与胶片特性曲线结合使用的一种简便处理方法。(2)本方法使用的前提必须是暗室条件归一化。(3)本方法简明易学,无需复杂计算。对不同文化程度的学员,经短期均可掌握。(4)使用本方法在阶梯试板黑度测定时若将测量表留下与曝光曲线同用,可以预测实际工件拍摄时的底片宽容度。(5)本方法只是一种近似处理法,使用时存在一定误差是不可避免的。但多年实践证明,只要曝光曲线比较准确,黑度误差控制在士0.3或更小范围内完全是可行的,因而具备一定推广应用价值。(6)本方法仅是我省多年实践摸索的经验总结,至今仍很粗糙,诚请各位同仁批评指正。(收稿日期1997一10一23)月卜司卜一月,恤门卜胆今即月卜呻卜月卜队门卜卜刁卜咖,.肛月卜今一i考点合锅皖安18/60%19/70.411/36,77/25.9斋(l)误差控制从表2可见,以!△b}毛lmin为限,合锅点与皖安点分别达60%与70.4%。与以往各次班统计值相近(58%~65%),皖安点略高。(2)误差分析①测量误差从偏心距计算式可知,焊缝宽度a测量误差在偏心距计算中占主导地位。考管焊缝皆系手工焊,其宽度不可能处处一致.若不能测出靠胶片侧焊缝穿透中心处的精确宽度,则误差是显而易见的。②操作误差(上接第29页)焊时加垫、加撑,防止变形。调整六个支座底面同一平面,且垂直于筒体轴线,使其达到允差要求,焊接支座。3小结(1)环管反应器从制造工艺的制定,技术难点的解决,充分证明我国有能力制造此类技术含量较高的压力容器。(2)焊接质量的保证和形位公差的控制说明我国厂家在硬件装备和软件技术方面已达到一定水平。(3)环管反应器的国产化成功,为我国在石化行业赶超世界先进水平,积累了实践经验。(收稿日期1998一01一05)