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压力容器局部腐蚀缺陷修复技术的研究 摘要 l u llli ll lii i iii i i iiii y 18 10 8 4 6 碳沈塔是燕化公司地毯厂合成氨生产装置中的关键设备，在定期 检验中发现存在严重局部腐蚀，本文就该容器的局部腐蚀缺陷的修复 技术开展工程研究。论文详细介绍了碳洗塔检测分析方法和腐蚀情 况；对该容器严重腐蚀部位进行安全分析，并根据压力容器标准和有 关法规制定了碳洗塔局部加固的修复方案；采用多层钢板缠绕包扎技 术成功实施了容器修复，获得了良好的修复效果，使这台即将报废的 碳洗塔重获新生，继续为化肥生产出力，也为类似的设备缺陷修复提 供了一条新的技术路线。 关键词：碳洗塔，修复技术，腐蚀，多层包扎容器 w h i c hi st h ek e yd e v i c ei nt h es y n t h e s i sa m m o n i as y s t e m w er e p a i rt h e v e s s e lb y h o p i n gi tt i g h t l yw i t hs e v e nl a y e r sa r cm e t a lp l a t e a p p l y i n gt h i s t e c h n o l o g y , w em a yg e tag o o de f f e c t w es i l lr e v i v et h ev e s s e la n ds e r v e t h ef e r t i l i z a t i o nf a c t o r ya g a i n a f t e rr e t r i e v i n ga n dc o n s u l t i n gi nm a n y w a y s ，n od o c u m e n t sc l o s e dt ot h i sp a p e ra r ef o u n d t h ea i mo ft h ep a p e r i st of i l li nt h eg a p si nt h ef i e l do fs t u d y i n g ，p r o v i d es c i e n t i f i cb a s e sf o r t h ed e v e l o p m e n to fr e p a i ro fp r e s s u r ev e s s e l s k e y w o r d s ：a m m o n i aw a s ht o w e r , r e p a i r , e r o s i o n ，m u l t i l a y e r _ t w i s t e d v e s s e l 目录 引言2 第一章碳洗塔局部腐蚀缺陷3 1 2 碳洗塔的腐蚀情况3 1 3 腐蚀部位检验一4 1 3 1 腐蚀部位检查 4 1 3 2 腐蚀原因、机理 7 第二章安全分析8 2 1圆柱壳体开子l 。8 2 2 设计壁厚1 0 2 3 应力校核1 0 2 4自身补强面积1 1 第三章修复方案的确定1 4 3 1初始方案1 4 3 2 有效性和技术可行性分析1 4 3 3 层板包扎结构设计18 3 4 拉紧工具设计2 0 第四章模拟加固实验2 6 4 1试验目的2 6 4 2 试验方法2 6 4 3 实验结果2 6 第五章实施包扎加固2 7 5 1包扎板预制2 7 5 2 塔体缺陷部位包扎组装一2 9 5 3 内壁衬里防腐3 0 第六章技术总结3 2 6 1 包扎加固结果3 2 6 2 结论。3 2 参考文献3 3 用来清除生产系统中的一氧化碳。该塔由上、下封头，上、下筒体四个主要部分构成，塔 高2 0 8 m ，内径8 0 0m m ，壁厚1 0 0l m ，材质a 。3 ，塔内壁有衬里材质为1 c r l 8 n i l 9 t i ，壁 厚为6m i l l 。碳洗塔的工作压力3 2 m p a ，塔体采用整体锻造。类似的高压容器在使用过程 中，经常会在塔体内部产生严重的腐蚀或裂纹等危及安全使用的缺陷。我厂在定期检验时 发现，碳洗塔内壁存在一处严重的局部腐蚀缺陷，缺陷呈喇叭状，腐蚀范围直径达2 1 0 m m ，最深处达8 01 1 1 1 1 1 。经过强度校核，由于该腐蚀的存在，此塔已无法安全使用。对高压 容器严重缺陷的修复，往往进行补焊或堆焊处理。由于该塔的工作压力高，塔壁厚，塔体 材料的焊接性能差，因此焊接修复非常困难，即使采取有效措施防止焊接缺陷的产生，由 于无法将其进行整体热处理，存在残余应力，致使投入使用后也不能完全避免产生新的裂 纹。况且内径小于8 0 0 栅容器，更是无法进行内部施焊。遇到这种情况，许多单位只好进 行报废处理。这样做，一是要花费高昂的设备更新费用，二是因停机而造成巨大的间接经 济损失。因此，需要研究一种从容器外部进行加固的修复方法来解决这个问题。 我厂的工程技术人员经过多方面联机检索和文献查阅后，未曾发现与本课题相近的 学术论文及成果。为此，工厂努力一条新路，并专门成立了技术攻关组，解决这一技术难 题。针对众多的建议和方案，选定了采用层板包扎加固修复方法，进行研究和实施。结果 证明这一修复技术在实际应用中取得了良好的效果，具有重要的现实意义和推广价值。 本篇为碳洗塔局部腐蚀缺陷的多层包扎加固修复技术的技术总结，研究的重点，一 是层板包扎加固，二是强度校核。 方案实施流程图 2 第一章碳洗塔局部腐蚀缺陷 1 1 碳洗塔的概况 燕化公司地毯厂合成氨系统由造气、脱硫、转化、压缩和合成五个部分组成。采用低 压造气，原料( 重油、空气、蒸汽) 在气化炉内燃烧，生成h 2 、c o 、c 0 2 和不参与反应 的n 2 以及有害气体h 2 s 。经脱硫装置，把混合气体中的h 2 s 脱掉，进入转化装置，在触 媒的作用下，用蒸汽将混合气体中的c o 转化为h 2 和c 0 2 ，进入压缩装置，将混合气体 压缩至3 m p a ，用水洗去c 0 2 ，然后进一步压缩到3 2 m p a ，再进入合成装置，在氨合成前 先用铜氨液洗去c o 再回到碳洗塔，洗去c 0 2 。最后剩下n 。和h ：到合成塔合成氨气( n h 。) 。 碳洗塔的作用是在3 2 m p a 压力下，用碳化氨水洗去混合体中的c 0 2 。混合气体由碳洗塔的 底部进入，由塔体的顶端流出，而碳化氨水的流向与混合气体相反。碳洗塔内装有磁环以 扩大气体与碳化氨水的接触面，提高吸收效率。 碳洗塔是“( 前) 苏联机器制造厂”制作，1 9 5 5 年出厂，是我国第一个五年计划重点 工程之一，由苏联援建的设备。从1 9 5 7 年始燕化公司地毯厂第一期工程安装使用到现在 为止己用4 4 年。该塔材质为a 3 ( 前苏联牌号) 塔体分为二节，整体锻造，上、下两节用 法兰和螺栓连接，上、下塔盖均为锻造、平型。下塔盖设有气体入口和碳化氨水出口；上 盖设有气体出口和碳化氨水入口，上、下塔盖与塔体采用法兰连接，此上、下法兰与塔体 用螺纹连接。塔体及上、下盖与生产介质接触部分均内衬材质为1 c r l 8 n i 9 t i ，厚度3 m m 不锈钢板。塔体下部装有不锈钢垫子，壁厚l o o m m ，法兰下盖厚4 0 0m m ，塔体总高2 0 8i i l i n 。 塔体、上、下法兰及上、下塔盖材质均为a - - - 3 ( 原苏联牌号) 钢，与我国标准对照，相当 于3 5 c r m o 钢。使用压力为3 2 m e a ，温度常温、介质为炭化氨水。该介质对所用材料有一 定的腐蚀性，该塔为i i i 类压力容器，按规定每六年进行一次无损检验，在前6 次全面检 验中，经宏观检查、无损探伤、水压强度实验均未发现超过标准规定的缺陷。9 9 年全面 检验过程中，对不锈钢衬里进行检查，发现塔体受到局部严重腐蚀，腐蚀情况见检验报告。 经过强度校核后，得出结论：该塔继续使用是不安全的。 1 2 碳洗塔的腐蚀情况 我厂在1 9 9 9 年全面检验过程中，对不锈钢衬里进行检查发现，距塔顶往下5 2 m 有 泄漏处，进一步割丌该处衬里，发现塔体受到局部严重腐蚀，塔内壁存在一处严重腐蚀坑， 坑内充满黑色堆积物，缺陷呈唠, j n a 状，腐蚀范围直径达2 1 0 r a m ，最深处达8 0 m m 。经过强度 3 校核，由于该腐蚀的存在，严重影响到碳沈塔的正常使用。 1 3 腐蚀部位检验 1 - 3 1 腐蚀部位检查 l 、腐蚀部位和状态 腐蚀部位在距塔顶往下5 2 m 处，最初发现不锈钢衬里有处( 见下图) ，割丌衬板后， 发现塔壁存在腐蚀坑，坑内充满黑色堆积物。腐蚀坑内壁处直径最大达21 0i n l l i ，往深度 方向逐渐逅小，最小直径5 0 栅，腐蚀深度达8 0 r a m ，呈喇叭状。 。 外壁 图) ： 2 、 壁厚 图l 塔内壁腐蚀剖视图 测定结果 针对此处腐蚀部位，共测量1 6 1 点，其数值在o - 8 0 m m 之间，测点部位和测定值( 见下 正视方向测量记录 3 、材质鉴定结果 为了确定塔的材质，进行了光谱分析、化学成份分析。光谱分折分析结果表明，含 4 c r 、m o 。因此，确定为铬钼钢。化学成分分析在筒体取样，分析结果如下表： 元素分析结果表：( 表1 ) n ， 元素本次分柝结果原出厂证明书提供的成份 ? c 。0 3 7 0 3 4 - 0 3 8 二 ： ； s i o 2 3 0 2 4 - 0 3 0 ； m n ，。，0 4 20 0 3 0 4 7 ， o ：0 1 50 0 1 8 0 0 1 9 d ， ? so 1 3 5o 0 1 3 0 0 2 0 ， + c r 1 2 21 1 6 1 1 7 女j ；+。m o ，0 1 9 3 0 2 1 - 0 2 2 ， ；。 n i ，0 0 4 60 2 1 一o 2 9 雾t ，7 o ：j d i7。一 一j ? ：城 ? v 一。，。+ o # ? ； 材质分析结果表明：筒体材质a - - 一3 ( 原苏联牌号) 十分接近我国的3 5 c r m o 钢。产品 出厂证明提供的筒体ss 实测最低值为4 1 7 m p a ，实测最高值为6 2 2 m p a ，我国g b l 5 0 - - - 9 8 标准关于3 5 c r m o 锻件的规定是：ss 的保证值是4 4 0 m p a ，sb 为6 15 m p a ，4 0 的许用应 力为2 0 7 m p a ，a 3 的许用应力为19 5 m p a 。 4 、硬度测定结果 在简体内部选测2 0 点，其h b 值在1 7 4 - - 一2 0 9 之间，2 0 点的平均值为1 9 2 ，比3 5 c r m o 的硬度值稍偏高。测点的实测位置如下图： 各点实测 图2 测点位置图 值如下表：( 表2 ) ， ，。i 簟 “二， 序号t t b 。序号 黪 序号 h b 序号 b ， 11 9 i6 1 9 7ll1 8 51 61 9 0j ? t ， 22 0 0 7 2 0 81 21 9 8l71 8 0 ： 1 7 6 2 3 “ 1 9 9 ，82 0 91 3 2 0 11 8 7 4，1 9 891 9 21 41 8 31 91 8 1 ，“ 一： 女* 琵，：5 。 1 96 ；1 0：1 9 7王5i2 0 2 2 01 8 l i ： 霹? ：jo i，：i 备捌器群奄? 。? 盎。7 二一：j 擎二一。一，一撅。 ， j ：。：一? ，童t 5 、金相检验结果 塔体主体材料a , - - 一3 ，为珠光体耐热钢。由于碳洗塔内壁缺陷处腐蚀严重，是否 会使材质出现劣化倾向，需作出正确判断。为此，在内壁腐蚀部位进行金相检验。分析仪 器为6 0 1 2 型大工件金相检验仪。 金相检验结果认为：塔体腐蚀处，基本组织为珠光体+ 铁素体，未见其它显微缺陷。 由此可知，腐蚀部位材质无劣化倾向。 金相见下照片： 图4 腐蚀部位金相照片 6 、无损检验结果 1 ) 外表面探伤 对腐蚀部位的塔壁外表面进行了磁粉探伤。使用仪器为马蹄形磁粉探伤仪，标准试块 为a 型试块。灰粉类型为黑色。3 0 0 目的磁粉悬浮液。采用通磁连续法进行局部探伤。探 伤过程中未发现任阿纵向和横向缺陷。 2 ) 塔壁内部探伤结果 6 根据该部立的特点，从内壁对腐蚀部位进行了超声波探伤。使用c t s 一2 2 型超声波 探伤仪，2 5 p 探头。机油耦合剂。耦合补偿4 d b ，用工件底面来调整探伤灵敏度。 探伤表明：探伤区域内未见内部夯在2 衄当量以上的缺陷，且底波无下降显示。说明 该部位的材质较好。 1 3 2 腐蚀原因、机理 l 、腐蚀原因 介质具有腐蚀性、介质压力波动及强烈的流动加剧了腐蚀速度。 塔体用材a 3 对塔内介质不具有耐蚀性。 塔体内衬有不锈钢板，不会造成大范围内的均匀腐蚀。由于该处不锈钢板有漏液现象， 造成局部腐蚀。一旦腐蚀坑形成，腐蚀产物便堆积在坑内不易排出，进一步加快了腐蚀速 度。 2 、腐蚀机理 这是较为典型的电化学腐蚀实例之一。处于高电位的不锈钢衬里( 阳极) 大面积地和流 动的介质相接触。从而导致极强烈的阴极腐蚀。 7 第二章安全分析 2 1 圆柱壳体开孑l 圆柱壳受双向拉伸( 见图5 ) 船 x 6 x2 面 y 图5 圆柱壳体受双向拉伸图 其径向薄膜应力仃j ：面p r ，其环向薄膜应力q = 竺2 b “ 2 s 采用叠加方法，孔边缘处的应力为： 0 = o ，处，0o = 3 0t - - o ，= 2 50y 0 = 三处，3 0x - - 0 ，= 0 50 ， 因此，2 圆柱壳开小孔的最大应力发生在径向截面上，应力集中系数k = 2 5 。 得， 旷三( 4 + 3 等+ 3 等) 当r - - 8 ，2 a ，3 a 时，各点应力相应为： 0 。，= 2 50 ，1 2 30 ，1 1 00 ( 见图6 ) o 笙盟尸：堕盟3 2 ：1 4 6 胁2 丝勰 i l q y 式中：k 磐：一1 0 0 0 ：1 2 5 k 2 = 1 5 6 = 内径8 0 0 查3 5 c r m o 许用应力 0 = 2 0 7 m p a 按钢制石油化工压力容器设计规定1 9 8 5 版，受压元件应力强度许用值评定依据， 塔壁开孔： o 。，= 2 50 = 2 5 1 4 6 m p a = 3 6 5 m p a 3 0 = 3 2 0 7 ：6 2 1 m p a 0 。， i ll i ：r 坳 幽 图8 补强面积图 f = f 1 + f 2 + f 3 ：2 6 + ( 2 1 0 + 1 9 0 ) 一2 4 + ( 1 9 0 + 1 0 0 ) 一1 9 ：1 3 0 0 0 硼z 2 2 2 4 自身补强面积 补强面积图 f 5 = f 帅一f 4 = 4 2 0 x 3 1 一( 1 0 0 + 5 0 ) x 1 1 2 = 1 2 2 0 0m m 2 计算结果表明：身自补强面积小于应补强面积。因此是不安全的。 腐蚀坑剩余厚度强度校核： 计算模型建立： 依据g b l5 0 钢制压力容器版平面封头( 无螺栓) 建立校核模型： 图9 腐蚀坑剩余厚度模型图 w 图1 0 剩余厚度应力模型图 仃。戤：。盯，：。仃口，：。：三学 由上式推导出： i 告仃。、= 号等+ p 2 用【盯】代替盯腑。 计算安全厚度 仁v瞩6 3 + t 1 = 3 + 0 3 焉1 枷砌m t ：计算所用安全厚度 p ：公称压力p = 3 2 m p a r c ：封头半径 r 。= 5 = 2 5 ( 朋m u ：泊松比u = 0 3 0 ：3 5 c r m o 许用应力 o 2 0 7 c r m o 因该处最小厚度为2 0 r a m 1 0 9 m m 所以该处壁厚安全可靠。 从计算可知：腐蚀坑的最薄处6 = 2 0 r r 壁厚部位是安全可靠的； 自身补强面积是不安全的，因此，要对自身补强面积进行补强。 为了使保证包扎能够一次成功，有必要进行一次模拟实验第三章加固方案的确定 1 2 1 3 针对以上的三种方案进行了分析和选择： a 方案是用美国生产的贝尔多那对塔内壁的腐蚀部位进行刷涂，这种方法可以在塔的 内壁表面形成一层防腐隔离层，对塔内壁表面进行保护。这种方案优点是：施工简单、成 本低。缺点是：防腐层使用的寿命短( 一般6 9 个月) 无法侵碳洗塔正常运行一个检修周 期( 1 2 个月) ，不能恢复塔壁的强度，因此，不选择此方案。 b 方案是用堆焊的方法进行修补，优点是：施工简单，可以对塔体补强；缺点：焊接 的应力难以释放，整体热处理有困难，易产生延迟裂纹。 e 方案是采用外包扎方法对塔体进行加固；优点：比前两个方案都安全可靠；缺点： 工艺复杂，工期长、成本高。要使包扎加固成功还需进一步实验工作。 2 、确定方案 对于该塔的处理，要么进行报废、更新、要么进行修复。报废处理，不管从影响生产 的角度或是制造费用的角度都是不可取的。对于修复，经过全面的研究提出一些方案，经 过比较、取舍之后，最终确定：采用钢板外包扎加固技术对碳洗塔的腐蚀部位进行修复。 为了使方案能够行之有效还需要对方案的有效性和技术可行性进一步研究和分析。 3 2 有效性和技术可行性分析 层板包- ) j h 固修复，从结构和原理上看，与多层包扎式结构的高压容器基本上是相同 的。应用层板包扎法对碳洗塔腐蚀部位的加固包扎是行之有效的，这一点化工设备设计 全书高压容器设计( 第四章筒体结构有表述) ，可以满足安全生产需要方法是有效的；t 厂有多年的检修和制造经验而且有一些有经验、有能力的工程技术人员，有一些可利用的 丁装机具，要完成这项修复工作也不会有特别大的投入。层板加固方案是可行的。 1 4 ( 一)包扎方式有如下特点 l 、材料 我们这次使用多层包扎方法对碳洗塔进行包扎使用的是应选用为薄板，因此各层钢 板的材质、强度等都是均匀的。 板材应符合y b 3 6 3 9 8 多层式高压容器用碳素钢及普通低合金钢板技术条件。 2 、包扎 由于多层容器是用薄板层层相迭达到设计壁厚，所以其制造过程所需的仅是专用拉 紧包扎装置。近年来国外使用龙门架式包、扎装置，如图所示： 图1 1 龙门架包扎装置图 卜翻转台；2 一导轨；3 一轮子；4 一层板；5 一立柱；6 一液压缸；7 一驱轴；8 一支撑板；9 一 销子；1 0 - 槽孔；1 1 一吊杆；1 2 - 油泵；1 3 - 拱形架：1 4 - 钢架；1 5 一纵缝；1 6 一内桶；1 7 一滑轮； 1 8 - 支撑轴； 它是用两组扁平钢丝绳捆扎层板，绳宽l o o m m 、厚5 m m ，两组绳间距约5 0 0 唧。先从 筒节中部捆起，绳由油压缸拉紧，油压缸的拉力可根据产品规格及层板强度加以调整，筒 节固定在包扎装置的芯轴上，由电机带动翻转，捆紧后在钢丝绳的两侧点焊纵缝，然后龙 门架沿轴向向两侧移动，逐段捆紧点焊，最后全部焊满纵缝。这种装置的优点是自动化程 度较高，并易于包紧。 类似碳洗塔的压力容器不可能运到制造厂去进行包扎加固修复，我们也没有像制造厂 那样专用的拉紧设备，我们只能设计制作一种特殊的一次性的专用工具进行包扎加固。我 们自制的拉紧装置经过调试和模拟实验能够满足使用要求。 3 、焊后热处理 容器壁厚愈厚，焊接坡口形状就愈要开成深槽形。在单层容器上，熔化金属冷却凝固 后会产生很高的收缩应力，使焊接区附近在局部地方存有很大的残余应力。多层容器焊接 坡口的有效深度与薄钢板的板厚相等，焊接时各层单独地收缩，每一层上由于焊接收缩产 生的应变分散到纵轴方向，不会产生如单层厚壁圆筒那样大的残余应力。为此，多层简体 与多层简体或单层筒体的焊接，对于碳钢和普通低合金钢不进行热处理。 4 、应力分布 多层板包扎压力容器，利用焊接收缩，使塔体内壁产生压应力。属于预应力压力容器。 在使用压力下，环向应力的叠加。使内壁应力减小而外壁应力增加，见下图。可以克服单 层压力容器内壁应力高于外部应力，应力不均的缺点。 内筒 12 34567891 0 l 包扎层 5 、 强度 a 、耐压强度 图1 2 应力曲线图 1 6 多层包扎容器在制造过程中难免在层与层之间出现问隙，由于间隙的存在，在升压过 程中内壁应变显然要大于理论值，外壁应变则小于理论值。但是，如果在卸压以后重新升 压至第一次升压数值以下，则仍然和单层容器一样呈现出弹性特征来。由于多层容器制造 完成后，必须进行1 2 5 倍工作压力的水压试验。因此，在正常操作压力下，多层容器具 有单层容器相同的弹性特征。 b 、破坏特性 多层容器由于采用较薄的钢板制造，所以就是总壁厚增大，也无厚度方向应力的产生， 因而避免了三向应力状态。且由于多层材料的韧性好，具有不易引起脆性破坏的特性。多 层容器爆破时，由于内压使容器产生很大的塑性变形后，达到最大内压并由外层至内层依 次开裂，形成缓慢的塑性破坏。 c 存在缺陷的危险性 当容器壁产生缺陷，就意味着容器使用中存在危险性。当这种缺陷( 尤其是纵向缺陷) 不断延伸发展时，其危险性也随之加大。例如，单层容器内壁出现纵向裂纹，该裂纹一直 可以向外壁发展，而产生脆性破坏。但多层压力容器纵向裂纹的发展只限于一个层板，所 以产生脆性破裂的危险性会小得多。 但对容器进行多层包扎加固，具有与多层压力容器相同的特征。 ( 二) 材料来源 层板厚度可以选用卜1 2 舢的钢板，材质可选用一般的低合金钢。所以，可选择的材 料范围较宽。 ( 三) 装备和工具 燕化公司地毯厂设有一定规模的铆焊车间，具有制造i 、i i 类压力容器的能力。多层 包扎修复用剪板机、拉边机、卷板机及交、直流电焊等设备，全部能满足要求。同时，具 有较强的金属切削加工能力，可以制造拉紧工具。 ( 四) 该厂有国家i i i 类压力容器修理资格 该厂质量保证体系完备，工程技术人员和铆焊工人技术素质较高，完全可以保证修 复施工质量。 ( 五) 容器检验 该厂设有压力容器检验机构，由国家劳动部授予i 、i i 、i i i 类压力容器检验权。 能完全满足层板包扎加固修复检验工作的需要。 ( 六) 现场施工环境 现场可以动火，设备和生产工艺管线的布置有足够的空问，满足包扎施工要求。 3 3 层板包扎结构设计 ( 一) 层板材料 材质选择1 5 m n v r 厚度为6 m m 的钢板。 板材应符合y b 3 6 3 - - 9 8 多层式高压容器用碳素钢及普通低合金钢板技术条件 ( 二) 层板包扎厚度及层数 按与原塔壁等强度考虑，需要被强面积( 见下图) 图1 3 层板包扎结构图 腐蚀部位的总面积： f = f 。+ f ：+ f 。 = 2 1 0 2 6 + ( 2 1 0 + 1 9 0 ) 2 4 1 + ( 1 0 0 + 9 0 ) 3 0 2 = 1 3 8 6 0 m m 2 强度削弱系数： 1 5 m n v r 钢板许用应力低于3 5 c r m o 锻件，强度削弱系数 m ：胖：堡型堕：o 8 4 p j 2 2 0 7 式中 o 。一1 5 m n v r 钢板许用应力 o ，= 1 8 3 m p a 巾一焊缝系列 咖= 0 9 5 l5 m n v r 层板补强面积 f 。：土f ：1 1 3 8 6 0 朋聊2 ：1 6 5 0 0 朋m 2 彳0 8 4 式中卜原塔壁需要补强的面积 f = 1 3 8 6 0 m m 2 有效补强宽度： b = 2 d = 2 2 1 0 = 4 2 0 m m 式中：卜按保守计算的最大缺陷直径d = 2 1 0 m m 补强厚度： 6 = _ 1 6 5 o = 3 9 2 9 r a m 式中：f 。一一1 5 m n v r 层板应补强面积f 。= 1 6 5 0 0 衄2 b 有效补强宽度 b = 4 2 0 m m 包扎层数： 刀= 鲁= 半黾5 5 层 数据取整，即包扎层数为7 层 式中：b 补强厚度 b = 3 9 2 9 m m 6 层板厚度 6 = 6 m m ? 包扎板材厚度层数 层板补强面积 1 5 m n v r6 m m71 6 5 0 0m n 2 每层板采用两瓣式以便于组装。焊缝接头坡口几何尺寸如下图 a 部放大图 图1 4 焊缝接头坡口几何尺寸图 3 4 拉紧工具设计 ( 一) 对拉紧工具的要求 1 、有足够的拉紧力，使层板贴紧。 2 、工具尺寸不可过大，以便于施工。 3 、机构尽可能简单，便于加工制造。 ( - - ) 采用形式 a 钢丝绳捆绑螺栓拉紧式 b 顶丝式 ( 三) 结构设计 1 、钢丝捆绑螺栓拉紧式工具 a 、结构( 见下图) 及工作原理 用扳手转动双头正反扣螺栓1 ，拉动座板2 ，座板用固定耳环5 与钢丝绳3 连接， 在调节钢丝绳长短后，用卡环4 锁固。由于拉紧过程中，座板的角度微有变化，因此由球 形垫8 保持螺母7 与座板之间的正常接触。 专j 亡 物卜 一 一一 捋黝。广 l 一 厂 - | t r 一 嗲涩 图1 5 钢丝绳捆绑螺栓拉紧式工具图 1 双头反j 下扣螺栓2 座板 3 钢丝绳4 卡环5 固定耳坏6 防转板7 球型 螺母8 球形垫 b 拉紧力的计算 拉紧螺栓的规格采用m 3 0 3 5 、材质为4 0 c r 螺栓的轴向拉紧力按下式计算： q = 百1 刀d ；【仃】= 丢万2 6 7 2 x2 1 2 = ll8 0 0 0 式中d 。计算直径 2 0 d c = d 一0 9 4 t = 3 0 0 9 4 x 3 5 = 2 6 7 m m d 螺栓外径 d = 3 0 m m t 螺距t = 3 5 m m 0 螺栓4 0 c r 的许用应力 0 = 2 1 2 m p a 计算结果：拉紧器中拉紧螺栓的最大许用拉紧力为l1 8 0 0 0 n ， c 钢丝绳选择 a ) 钢丝绳工作拉力 t = q n 。= 1 1 8 0 0 0 2 = 5 9 0 0 0 n 式中：卜拉紧工具的最大许用拉紧力q = 1 1 8 0 0 0 n n l 根数n ，= 2 钢丝绳的最大许用工作拉力为：5 9 0 0 0 n 。 b ) 钢丝绳的最大许用拉力 s = n t = 4x5 9 0 0 0 = 2 3 6 0 0 0 n 式中：n 安全系数 n = 4 t 乓冈丝绳工作拉力 t = 5 9 0 0 0 n c ) 选择钢丝绳： 根据钢丝绳的最大许用拉力2 3 6 0 0 0 n 选择钢丝绳的规格型号： 牌号：钢丝绳6 x ( 3 7 ) 一1 9 5 - 1 7 0 0 - i - 甲镀一右交g b 8 9 0 3 - - 9 8 型号性能尺寸如下： 抗拉强度1 7 0 0 n 栅2 破断所拉力2 3 9 5 0 0 0 n 钢丝绳总截面面积1 4 1 1 6l n m 2 钢丝直径1 9 5 栅 绳 6 3 7 股i ( 1 + 6 + 1 2 + 1 8 ) 绳选用纤维芯钢丝绳。 d 、固定耳环直径 材质采用：q 2 3 5 a 耳环直径： 2 l d = 式中，q ，耳环单根柱的轴向负荷 q ，= q n = 11 8 0 0 0 4 = 2 8 0 0 0 n 卜总拉紧力 n 柱数 q = 1 1 8 0 0 0 n n = 4 6 _ q 2 3 5 一a 的许用应力 6 = 1 1 3 m p a 制造耳环的钢筋选择直径d = 1 8 m m e 、座板厚度及几何尺寸 ： 彩：9 z ： 彩：f 。 一 ， 饧野 j l d a ； i | 。t 卜 、 厶 、 l嘲 ，一| 图1 6 座板的厚度及几何尺寸图 两端钢丝之间距离 座板宽度a = 6 0 m m 材质选定3 5 c r m o ( 锻造) ( b ) 计算厚度 仃一m 一昙4 舛 仃弯2 谚2 巧 l = 1 4 0 m m 许用用力 6 = 2 0 7 m p a ( a ) 根据结构 亟m 甓 整理得出座板厚度 6 ：、罢：j 6 x l1 8 _ _ 粤0 0 0 x1 4 0 ：6 5 4 ( t l g , 6 6 2 1 1 1 ：t m 研) 仃= f 一= =m 卅j v 4 a o - 1 y 4 2 8 2 0 7 式中，0 厂中心孔处的弯曲应力0 弯= 0 = 2 0 7 m p a 卜中，t ) c l 处的弯矩 卜中心抗弯截面模量 卜中心孔处的拉紧力q = l1 8 0 0 0 n l _ 支点( 两钢丝绳的中心距) l = 1 4 0 m m a 座板的有效宽度 a = 6 0 - - 3 2 = 2 8 m m 卜所求板厚 由此可知座板的规格：长x 宽x 厚= 2 0 0 6 0 6 6 2 、二种顶丝式贴紧工具 删均匀弗 序 丝4 个 擐母8 8 十 厂p焱 k 图1 7 顶丝式贴紧工具图 如图，由环形圈座1 、顶丝2 、和螺母3 组成。 环形座根据包扎层板外径、顶丝行程决定环形座直径。首先，预制两瓣环形圈，在卷 制之前，按硕丝分布位置钻孔。孔径大于顶丝外径2 。钻完孔后进行卷制。加工焊缝坡口， 组焊顶丝螺母。为了使项丝稳定性好，在环形座板的上下各焊一个螺母，项丝间距8 0 r a m 。 b 强度校核 a 项丝的项力 q = 丢万铂盯】_ 丢万1 5 2 x 8 7 = - 5 4 0 0 式中， d 。螺丝计算直径d 。= 0 9 4 x 1 6 = 1 5 m m d 顶丝外径d = 1 6 m e 6 螺栓材料( q 2 3 5 一a ) 的许用应力 5 = 8 7 m p a 顶丝的最大许用顶力为：1 5 4 0 0 n b 、环形圈板厚 环形圈板在顶丝力的作用下产生弯曲应力和拉伸应力，但项丝分布越密集，越接近内 压容器壁的应力状态。现用容器受内压。计算壁厚的公式近似计算环形圈的板厚。 引入当量压强的概念， 压强p = o s = 1 5 4 0 0 6 4 0 0 = 2 4m p a 式中， 卜单个顶丝的顶力q = 1 5 4 0 0 n s 顶丝顶力作用范围的面积 s = 8 0 x 8 0 = 9 4 0m m 2 环形圈设计板厚： 万：一p d i ：兰：型塑：1 2 3 聊删( 取1 2 m m ) 2 f 仃12 1 1 3 式中， 卜当量压强p = 2 4 m p a d i 环形国内径 计算得环形圈的设计壁厚为1 2 3 m m 当塔体外径1 0 0 0 m m 时 包扎第七层时，外径= 1 0 0 0 + 2 6 x 7 = 1 0 8 4 m m ， 项丝顶紧时，伸出长度取l o m m 螺母高度1 5 m m 则d i = 1 0 8 4 + 2 ( 1 0 + 1 5 ) = 1 1 3 4 m m 6 环形圈材料( q 2 3 5 一a ) 的许用应力 2 4 6 = 1 1 3 m p a c 、拉紧力的估算 q = 丁p d i b = 2 4 丁x 1 0 8 4 x 8 0 = 1 0 4 0 0 0 n 式中， p _ 当量压强 d i 层板内径 b 板宽 拉紧力为1 0 4 0 0 0 n p = 2 4 m p a d i = 1 0 8 4m m b = 8 0 m m 两种工具优缺点见下表：( 表3 ) 。工其种类” 。i ? i ? ：j 嚣，；? + i 。f 、2 ：。 一“口“；一7 d 。t ，。”、，魄 i 7 第种螺栓拉紧第二种顶丝顶紧； i 项脊 。 材料消耗 7 ，j ? 较好 + 较差 工时消耗较好 j 较差 制造难易 ，4 桶等相等 j 矽一 施工操作夸“较好“7 。较差。 ? 拉紧力 近似近似 7 作用力均匀程度较差较好 j 实没拉紧殖f 积 弧i 。9 ；。警溱一_ i 。一 较好，j 缸一一一 、， ， jt # 2 5 第四章模拟加固实验 4 1试验目的 ( 1 ) 检验拉紧工具操作是否灵活。 ( 2 ) 检验拉紧工具的拉紧力是否满足使用要求，是否能够把层板拉紧。 ( 3 ) 确认设计制作的拉紧器是否能够满足使用要求 ( 4 ) 检查拉紧器的安装位置是否合理。 ( 5 ) 检查层板的拉紧效果，确定两种工具的取舍。 ( 6 ) 按方案施工步骤进行验证存在问题。 4 2 试验方法 l 、按塔体外径预制两套试验层板， 2 、取层板宽度为1 4 0 l i h n ( 实际宽度的1 3 ) 。 3 、将预制好两瓣层板安放在塔体上，分别用两种拉紧工具拉紧包扎层板。 4 、厚度o 0 5 塞尺沿一周检查层板与塔体壁有无可塞入的间隙。层板的上端用灯光， 下端用反射镜( 中间遮避光线) 检查塔壁与层板存在间隙的大小和分布情况。 5 、用小锤敲击层板，检查贴实和松动情况。 4 3 实验结果 1 拉紧工具操作灵活好用可以满足使用要求。 2 拉紧工具的拉紧力能够满足实际施工的需要。 3 拉紧器安装的位置合理 4 经检查层板的包扎效果良好， 5 根据贴紧质量检查情况，做具体分析，提出改进措施。 2 6 第五章实施包手l j n 固 5 1包扎板预制 1 下料： 按照下面的框图的顺序进行 2 准备： 按照下面的框图的顺序进行 行清理和打磨 5 施工前的确认工作 6 包扎板预制流程 1 、尺寸测量 a 在层板包扎完成焊道磨：平，探伤合格，贴紧度检查合格后进行。 b 分上、中、下三个部位测量圆周长度，做好记录，并有第二者复核。 2 7 查 位进 3 、下料 a 按确定尺寸，在钢板上划好剪切线。 b 、检查上下剪刀的间隙，保证剪切端无“弯边 现象。 c 剪完后，板宽方向尺寸误差应小于2 m m 。 4 、卷板 卷板事先应按内径尺寸做样板。样板尺寸要小于实际测量尺寸2 3 姗，使预制层板 与前次包孔层板留有间隙，如图所示： l ； l-一一二-一一二 f 图18 层板间隙示意图 层板之间留出间隙的理由是： a 当层板组装时，两侧成平行线接触。因而比较稳定，防止，歪斜。 b 层板项紧是从背部中间开始的，该部位顶紧后，则其它部位会与前层板达到贴合 状态。有利于提高包扎质量。 5 、卷制成型后，弧形应保持均匀，不允许有喇叭口现象。 ( 5 ) 割去直边 a 用气焊割去直边 b 注意按要求留出加工余量。 6 、焊缝坡口加工 a 焊缝坡口按图纸要求在拉边机上进行。 b 在坡口加之前应注意检查，直边割去是否留有加工余量。 5 2 塔体缺陷部位包扎组装 1 ) 第层层板组装之前，应在塔体上划好第一层层板上、下及焊缝位置。 2 ) 清除塔体表面杂物，如漆膜、污垢等。 3 ) 使用两套顶紧工具，套在塔体包扎层板位置的下部，各焊接两个纵缝。 图1 9 层板包扎施工图 4 ) 分别焊好两瓣包扎层板吊环，并吊装层板，扣在塔体上，保持两个纵缝坡口之问隙 相同。 5 ) 安好两个顶紧工具，布置位置见上图。 6 ) 先从两瓣层板背部丌始微紧顶丝，再向两侧延伸。其目的在于依次项紧顶丝过程中， 不受磨擦阻力的影响，可以自由位移。 把所有顶丝微紧后，次性顶紧层板背部的第一个顶丝再依次向两侧延伸操作。这样 做，不会影响层板在顶紧过程的位移，能够取得满意的效果。 7 ) 焊接 ( 1 ) 焊条的选择 选择与母材强度相当的焊条，并综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及焊接接头的抗裂 性。只要焊缝金属的强度不低度于或不高于母材强度的下限时即可。焊缝强度过高，将导 致焊缝的塑性、韧性及接头抗裂性的降低。 2 9 根据上述分析，选择牌号为j 5 0 7 的焊条。 ( 2 ) 焊条规格和焊接工艺 a 包扎焊缝是立焊，应采用小直径的焊条( 选直径3 2m m ) 。 b 焊接电流应比平焊小1 0 1 5 ，因此，选择焊接电流9 0 a 。 ( 3 ) 焊缝坡口 层板包扎的焊缝必须保证全焊透。坡h i e 边要求卜1 5 嘲，间隙3 4 棚坡口角度 3 卜3 5 度。 ( 4 ) 第一道层板的焊缝须挚板。垫板的厚度为3 衄，在焊第一层时，不得击穿垫板， 使塔壁受到损伤。 ( 5 ) 先进行点焊，然后拆除顶紧工具。分段进行焊接。由于焊缝的两端是薄弱环节， 因此，先焊两端的l 6 焊缝，再焊中间的2 3 焊缝。这样，由中间焊缝在焊后收缩的作 用下，使两端焊缝的在塔体有内压时，焊缝两端环向应力小于中间焊缝的应力。 5 3 内壁衬里防腐 为了使壁腐蚀部位不再继续产生腐蚀，必须采取有效的防腐蚀措施。 1 )