维普资讯 http://www.cqvip.com 尿素级不锈钢高压洗涤器的制造 安庆石化机械厂胡晓峰 摘要：针对高压洗涤器抗强腐蚀性能的要求，从设备主要部件的焊接、加工、组装及热处理等方面 进行了制造工艺分析，并根据设备结构特点和生产实际情况，提出了工艺保证措施，为同类设备的 制造工艺优化提供参考。 关键词：高压洗涤器；尿素级不锈钢；制造；工艺分析 中图分类号：ＴＱ０５１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—４８３７（２００２｝０８—００３１—０４ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｃｒｕｂｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｕｒｅａ Ｃｌａｓｓ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ａｎｑｉｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅ￣Ｆａｃｔｏｒｙ ＨＵ Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｔｅｘｔ ａｎａｌｙｓｅｄ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｒａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｃｒｕｂｂｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ —ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｗｅｌｄ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｓｓｅｍｂｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｈａｎｄｌｅｄ ｏｆ ｍａｉｎ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｆａｃｔｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｏｆｆｅｒｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｏｆ ｃｒａｆｔ． Ｋｅｙ ｗＯｒｄｓ：ｈｉ ｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｃｒｕｂｂｅｒ；ｕｒｅａ ｃｌａｓｓ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ；ｃｒａｆｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 安庆石化化肥厂的尿素装置主要设备之一—— 原进口的高压洗涤器运行多年，于１９９９年报废更 新。新设备由中国五环化学工程公司重新设计，安 庆石化机械厂制造，投用后安全运行至今。 高压洗涤器是一台立式鼓泡吸收设备，结构型 式为高压管箱带尿素级不锈钢衬里的固定管板换热 器，运行环境为强腐蚀且高温高压。本文主要针对 其关键部件——上下高压管箱（包括管板）焊接、加 工、组装及热处理所涉及的主要工艺难点及工艺措 主要零部件 名称 上下管板 上下管箱简体 上下管箱法兰 施进行分析，并提出讨论。 １ 主要技术参数及结构特点 １．１ 高压洗涤器的设计技术参数（见表１）。 表１主要设计技术参数 ＼ 目 设计压 设计温 操作压 操作温 介质 试验压 部 ＼ 力（ＭＰａ） 度（℃） 力（ＭＰａ） 度（℃） 名称 力（ＭＰａ） 管程 壳程 １５．６ １．Ｏ １８３ １５０ １３．９ １６０ 甲铵液 ２３．５ Ｏ．９ ８０～９０ 水 １．５ １．２主要材料（见表２）。 表２主要零部件材料 主体材料 基层材料牌号 ２０ＭｎＭｏ ＩＶ ２０ＭｎＭｏ ＩＶ ２０ＭｎＭｏ ＩＶ 复层材料牌号 ＢＭ３１０Ｍｏ—Ｌ（堆焊） Ｘ２ＣｒＮｉＭｏｌ８１４３（ｒｏｏｄ） Ｘ２ＣｒＮｉＭｏｌ８１４３（ｍｏｄ） 规格 ＝２１８＋８ ＝５６＋８ 焊接材料 ＢＭ３１ＯＭｏ—Ｌ ＢＭ３１ＯＭｏ—Ｌ ＢＩ １ＯＭｏ—Ｌ 换热管 中心管 Ｘ２ＣｒＮｉＭｏ２５—２２—２（２ＲＥ￣代用） Ｘ２ＣｒＮｉＭｏ１７１３３（２ＲＦ￣９代用） ５×２．５ １９．０８×２３．０１ ２５—２２—２Ｉ ＢＭ３１ＯＭｏ—Ｌ 注：低压壳体 膨胀节、端盖、主螺栓、内件等材料略。 ・３１ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 尿素级不锈钢高压洗涤器的制造 Ｖ０ｌ１９．Ｎｏ８ ２００２ １．３上下高压管箱（包括管板与换热管）的主 要结构特点 高压管箱与管板采用整体锻焊结构，内径为 ￣ｉ９５９ｍｍ，上管箱长１６８４ｍｍ，下管箱长８７０ｍｍ；管程 元件与介质接触一侧均设有尿素级不锈钢复层，管 板管程侧采用堆焊，管箱筒体与法兰密封面采用尿 素级不锈钢板套衬焊接；换热管与管板连接型式采 用焊接（凸管式），管头伸出长度上管板为７± ０．５ｍｍ，下管板为＞７ｍｍ，不允许定位胀；为加速甲 铵液的循环，管束中心设有一个０２１９．０８×２３．０１的 中心管，中心管伸出下管板长度为４８６ｍｍ。 ２主要制造技术要求 尿素级不锈钢材料（包括熔敷金属）在焊后或最 终热处理后应为单相奥氏体组织，不应存在连续网 状碳化物或ｄ相，铁素体含量≤０．６％；化学成分及 力学性能应符合相应材料标准和工程标准３０一 Ａ１０Ｓ一９５的规定。上述材料及焊接接头还应进行 晶间腐蚀倾向试验（休氏试验）和选择性腐蚀试验。 其合格指标见表３。 表３尿素级不锈钢材料及焊接接头 的休氏试验和选择性腐蚀试验合格指标 休氏试验 选择性腐蚀 试验代表 五个周期平均 试验最大 铁素体 的部位 腐蚀速率 选择性腐蚀 含量（％： （ｔ￣ｍ／４８ｈ） 深度（ｍｎ） 管板堆焊层 ≤３．３ 任意方向≤１００ ≤０．６ 衬里板、衬环母 材及热影响区 ≤３．３ 平行轧制方向垂直轧制方向≤７０ ＜２０Ｇ ≤０．６ ￣衬里板、焊接接头 衬环 ≤３、３ 任意方向≤１００ ≤０．６ 换热管及管子 管板焊接接头 ≤１．５ 任意方向≤１００ ≤０．６ 中心管母材及 热影响区 ≤１．５ 平行轧制方向≤２０Ｏ垂直轧制方向≤７０ ≤０．６ 中心管焊接接头 ≤１．５ 任意方向≤１００ ≤０．６ 高压管箱衬里与母材贴合间隙≤０．５ｍｍ；换热 管的装配垂直度≤１／１０００ｍｍ；管板管孔的垂直度≤ ０．５／１０００ｍｍ；尺寸公差按Ｉ级换热器要求；高压管 箱焊后消除应力热处理；水压试验后，管箱衬里、换 热管与复合管板的连接接头进行氨渗漏检查。其它 常规技术要求略。 ３工艺技术分析与工艺难点的技术措施 ３．１ 上下管板尿素级不锈钢过渡层和耐蚀层 的堆焊 ・３２・ 管板的堆焊层直接接触高温高压的甲铵溶液， 腐蚀条件相当恶劣，其耐蚀性直接影响设备的长期 安全运行。由于管板的基层材料为２０ＭｎＭｏ，根据有 关资料和试验可知，堆焊时易出现以下问题： 基层金属对不锈钢有稀释作用，使得堆焊层与 母材交界面形成脆化层；若堆焊时焊道排列不好，则 铁离子有可能逸出，污染耐蚀层；堆焊层纯奥氏体组 织易产生热裂纹；由于熔合区的碳扩散作用，可以在 基层材料一侧热影响区内形成脱碳层，在熔敷金属 一侧形成增碳层；基层和堆焊层材料的线膨胀系数 和导热系数相差较大，会产生较大的焊接残余应力。 为了获得满足使用要求的耐腐蚀堆焊层，保证 堆焊层及其熔合区的质量，制定了较为合理的工艺 规范（见表４），采取了一系列工艺措施，收到了较好 的效果： 表４堆焊工艺规范 堆焊 焊接 层 堆焊材料 电流 电压 焊接 层次 方法 数 牌号 规格 （Ａ） （Ｖ） 速度 过渡层 Ｗ ３ ＢＭ３ｌＯＭｏ—Ｌ ０４ ｌ３０ ２２—２４ ０．８～０．８ 耐蚀层 ＳＭＡＷ ３ ＢＭ３ｌ０Ｍ０一Ｌ ０４ ｌ３０ ２２—２４ ０．８～０．８ 拄：焊接速度指的是焊逼金属长度与焊条消耗长度之比。 （１）工艺上控制线能量，采用较小截面的焊道， 避免形成粗状晶组织，利于低熔点夹杂物的排除； （２）焊条根据设计院推荐，并经试验比较，选用 荷兰ＰＨＩＬＩＰＳ公司生产的ＢＭ３１０Ｍｏ—Ｌ焊条，该焊 条焊接、除渣均很容易，对电流要求不苛刻，气孔和 夹渣极少，易保证焊接质量； （３）焊道的排列采用同心圆方式，焊道间搭接必 须均匀，重叠宽度为１／２焊道宽度，在重叠前或第二 层堆焊前，应将原有焊道一侧或第一层焊道的顶部 打磨，以除去表面杂质； （４）严格控制焊接速度，其焊道金属长度与焊条 消耗长度之比为０．８～０．８５； （５）管板待堆焊表面进行１００％ＵＴ和ＭＴ，过渡层 堆焊前，预热１２０￣Ｃ～１５０￣Ｃ，焊后立即进行ＰＷＨＴ，并 适当降低冷却速度，以防止基层裂纹的产生；耐蚀层 堆焊后不再进行ＰＷＨＴ，以保证良好的耐蚀性； （６）产品堆焊前，进行了严格的工艺评定，结果 见表５。 ３．２复合管板管孔的加工 管孔的设计从控制使用间隙和利于管口焊接来 考虑，采用了Ｉ级换热器管孔尺寸公差以及半Ｕ形 焊接坡口，同时为防止换热管扭曲及穿管便利，规定 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１９卷第８期 压 力 容 器 第１１７期 表５工艺评定试板及产品焊接试板检验结果 试验代表的部位 休氏试验五个周期 平均腐蚀速率（ｍ．／４８ｈ） 选择性腐蚀试验最大 选择性腐蚀深度（ｍｎ） 金相检验 相 铁素体含量（％） 晶粒度 管板堆焊评定试样 ０．５９６３ 焊接接头试样 衬里板 ０．５２Ｏ９ 管子管板连接焊试样 Ｏ．３ｌ１９ 中心管焊接接头试样 ０．３６２４ 合拢环缝模拟试样 ０．５３１６ 注：力学性能与剥层、断面检查结果略。 了管孔垂直度误差≤０．５／１０００，孔壁表面粗糙度要 求为Ｒａ６．３。由于孔深２１８＋８ｍｍ，还要考虑加工对 复层耐腐蚀性能的影响，这都给孔的加工带来了较 大的难度。根据分析，采取以下工艺措施予以解决： （１）采用分步分段的工艺方法，在专用工装辅助 下，分一钻两扩三道工序共六个工步完成管孔的加 工。即先用 ２的麻花钻进行粗加工，分三次打出 导向孔，为减ＩＪ，￣Ｌ的倾斜度，第一次用短钻头在数控 钻床上加工复层定位孔，然后改用中、长钻头加工基 层部分；扩孔采用３刃扩孔钻，其切削稳定性好，当 切削用量和切削刃几何角度合适时，可以对导向孔 进行修正，保证孔径和垂直度，扩孔时，切屑从导向 孔排出，大大减少了耐蚀层污染的机率。 （２）优化刀具几何参数（见表６），钻头的顶角设 计成双重顶角，钻芯加粗，外顶角比标准钻头适当加 大，以减少径向切削力对钻头漂移的影响，后角减 小，使切削刃强度得以增加，在后刀面上对称开出弧 形沟槽，可以在钻削中起到定心导向作用，同时有利 于切削液注人，从而降低切削区温度，横刃长度尽量 缩短。另外，在主切削刃外缘转角处磨成圆角，以防 止积屑瘤的产生，扩孔时采用高压大流量冷却液，以 利于切屑排出，提高孔的表面质量。 表６刀具几何参数 外顶角 内顶角 外刃宽 钻尖高 横刃 沟槽圆弧 后角 ２０１ ２０２ Ｚ（ｍｍ） （ｍｍ） ６（长度 半径 ｍｍ） Ｒ（Ｉ砌） 口０ ｌ２５ｏ ｌ０ ６～７ １．５ １ ４ ９—１ （３）优化切削用量 根据基、复层材料的切削加工性，用正交试验优 选出较合适的切削用量，在加工复层定位孔时，选用 较小的切削速度和进给量（ ＝１５ｍ／ｒａｉｎ，ｆ：０．３ ｍｍ／ｒ），加工导向孔时，提高切削速度，进给量适当 加大，扩孔时，采用较高切削速度和大进给量。精扩 前，预留裕量不能太小，避免切削在硬化层内进行， ＜７０ 未见 ７级 ０．００ ＜７０ 未见 ６～７级 ０．００ ＜７０ 未见 ４级 ０．００ ＜７０ 未见 ４级 Ｏ．００ ＜７０ 未见 ６级 Ｏ．００ 影响尺寸精度和表面质量。 （４）半ｕ形坡口采用３１６Ｌ不锈钢芯棒定位，成 形刀一次加工完成。 管孔加工后，经检验，垂直度误差＜０．５／１０００， 孔壁表面粗糙度为Ｒａ６．３～Ｒａ３．２，管口铁素体含量 ０．００％一０．３１％。 ３．３换热管与管板的连接焊 换热管与管板的焊接接头在操作中与强腐蚀介 质接触，且承受管程高压以及管壳程的温差应力作 用，其焊接质量直接影响设备运行的停工次数和使 用寿命，故其耐腐蚀性能、密封性能、力学性能以及 外观成形质量要求很高，由于设计采用的接头型式 为凸管式，管头伸出长度７ｍｍ以上，坡口采用Ｒ２．５ 的半ｕ形坡口，平均管桥宽度为６．７ｍｍ，加之当时 受设备所限，只能采用手工氩弧焊，这些都给焊工操 作带来很大难度，焊接过程中易出现凹陷、咬肉、焊 肉过大、烧穿、未熔合、热输人量过大等现象，特别是 管子熔深难以控制，过小则出现未熔合，过大则使管 子过热或烧穿。 为保证焊接质量，焊接前，经多次工艺试验，摸 索出较为有效的工艺规范（见表７），并按ＧＢ４７０８和 工程标准８一Ａ１３Ｓ一９５的要求进行了严格的工艺评 定。工艺评定试样的休氏试验、选择性腐蚀试验、金 相检验和铁素体检验结果见表５。 表７换热管与管板的连接焊工艺规范 堆焊材料 焊接电流（Ａ） 焊接 层 焊接 次 方法 牌号 规格 基值 脉冲 电压 （Ｖ） 速度 电流 电流 （ｍ／ｓ） １ ｔ ２５—２２—２Ｉ ０１．６ ４０～５０ ８０～９０ １０～１２ ０．７～０．８５ ２ ２５—２２—２Ｉ ０１．６ ４０～５０ ９０～１０ｏ １０～１２ ０．７～０．８５ 钨极直径： ，氩气流量：１０～１１Ｌ／ｒａｉｎ 我厂采用的焊接方法为手工钨极氩弧焊，焊丝 采用瑞典ＳＡＮＤＶＩＫ公司生产的２５—２２—２ＬＭＮ焊 丝，管板垂直立放，每个接头共焊两道，均为填丝焊， ・３３・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 尿素级不锈钢高压洗涤器的制造 焊前管口定位点焊时，焊点均在同一方位，并尽可能 小，以减少对焊接的影响，为了使焊口热量均匀，每 层分三段逆时针焊接，所有焊口焊完一段后，管束转 动１２０￣再焊第二段，焊接速度保持中速，不可太慢， 同时严格控制焊接电流，在保证熔深的前提下，尽量 减小管子内壁热影响区宽度，层间温度控制在 １００ｏＣ以下，避免析出连续网状碳化物。为了使焊道 均匀，减少熔深的差异，防止局部过热或未熔合，我 们自行设计了专用的半自动定位工装，有效地控制 了钨极的摆动，工装尾部接人氩气对管子焊接部位 进行保护，收到了较好的效果。 在第一层焊完后，用不锈钢丝刷仔细清理焊道， 然后进行１００％ＰＴ和气密性试验，以检查接头表面 质量和致密性，合格后仔细清除渗透残迹，然后焊第 二层，两层起收弧点相互错开。第二层焊完后再进 行１００％ＰＴ和铁素体检查，最后进行氨查漏。产品 检查结果一次合格。 ３．４管箱内衬筒的套衬 管箱内衬筒的套衬可以采用下列三种方案： （１）内筒卷制成形后衬人加工好的管箱，贴合好 后再焊接内筒纵缝，这种方法便于组装，容易贴合， 但在纵缝焊接后，由于焊缝收缩，造成衬筒贴合间隙 过大；（２）内筒成形焊接校圆后，再装入加工好的管 箱简体，这在理论上虽然可行，但由于内筒卷制时外 圆尺寸和局部棱角度难以控制，以及内筒和管箱内 径加工中可能产生的锥度，将导致无法组装或局部 间隙过大；（３）管箱在组焊热处理前内径留有一定加 工余量，然后根据卷制好的衬筒外圆周长，进行配 车，然后组装。 经过比较，我们采用了第三方案。在衬筒下料 时严格控制下料尺寸，展开长和对角线误差控制在 ｌｍｍ以下，纵缝焊接时注意控制焊缝间隙保持一 致，焊接后焊缝余高磨平，并反复校圆，以消除局部 棱角度，管箱内径按衬筒两端外圆周长换算直径再 加０．５ｍｍ加工。由于上管箱简体深１３４０ｍｍ，所以 在最后精加工时，应一次走刀完成加工，不得接刀， 并应考虑刀尖的磨损量和机床的加工锥度，使得成 形后的管箱内径锥度与衬筒锥度相一致。组装时可 以将管箱加热至２００℃，以利于衬筒的顺利装配。 ３．５组装与热处理 由于管箱是由管板、简体、法兰、接管等锻件组 焊而成，设计要求需要进行焊后整体热处理以消除 应力，理想的工艺顺序是：管箱各组件先行组对焊 接，再与管板焊接，堆焊连接处过渡层后进行整体热 处理，然后堆焊耐蚀层，钻管孔，内筒套衬、组焊镶 环，这个方案主体焊接接头都可以进炉处理，效果较 好，且耐蚀层避免了一次敏化过程，可以保持良好的 耐蚀性，但由于管箱较小、较深，部分换热管距管箱 筒壁较近，且中心管伸出较长，致使管板耐蚀层堆焊 和管子管板接头焊接十分困难，甚至无法操作，将直 接影响接头焊接质量。 考虑到管子管板接头和管板堆焊是这台设备的 关键所在，我们选择了第二方案，即：管板与其它管 箱组件分开组焊、热处理，管板堆焊过渡层后进行热 处理，然后堆焊耐蚀层、钻孔、开坡口，并与换热管组 装焊接，最后与管箱组对，合拢环缝采用局部热处理 消除应力，这样，焊工操作环境得到大大改善，有效 地保证了管子管板接头和管板耐蚀层堆焊质量。 管板、管箱的整体热处理在炉内进行，温度为 ５４０±１０℃，考虑到基层材料及其厚度，控制升降温 速度不超过１００℃／ｈ；合拢环缝的局部热处理，参考 有关资料并结合试验，温度定为５１０±１０℃，为了减 小局部热处理对耐蚀层的影响，我们将合拢环缝处 的耐蚀层留在局部热处理后堆焊，并适当加大宽度， 经用相同材料和工艺进行模拟试验后取样检验，结 果证明：合拢环缝两侧的耐蚀层在此温度下较为不 敏感，其休氏试验、选择性腐蚀试验、金相检验结果 均满足表３的要求。 管束组装时，采用专用工装严格控制上下管板 的同轴、平行及管孔方位的一致，以防换热管扭曲， 达到设计要求的垂直度。穿管前仔细检查管板、折 流板管孔有无毛刺飞边和缺陷，彻底清除着色剂残 迹及油污，穿管时严禁敲击，同时注意管端伸出长 度。 ４结语 上述工艺技术措施，较好地保证了高压洗涤器 关键部件的制造质量和整体性能，是切实可行的。 经第三方驻厂ｃＩ的检验确认，设备的各项技术数据 均满足设计和使用要求，并通过了尿素设备专家主 持的出厂评定。 收稿日期；２００２—０８—０５ 作者简介：胡晓峰，男，１９５１年生，安庆石化机械厂副总工程 师，高级工程师，主要从事石油化工设备的设计、制造工作。 通讯地址：中国石化集团安庆石化机械厂，邮编：２４６００２。
