低温钢大型塔类设备组焊技术成果

1、技 术 成 果中国化学工程第十四建设有限公司第四工程公司柯昊鹏2010年9月1日低温钢大型塔类设备组焊随着石油化工装置的大型化，大件设备（09MnNiDR）现场组焊是一种解决设备运输困难的施工方法。设备空中组焊经多年的施工总结，其施工工艺已相当成熟，但关于低温设备的现场组焊及热处理为数不多，以下内容着重叙说了低温设备的空中组对精度控制，焊接质量控制以及热处理的理论分析和采取的保护措施。1、运用范围目前工业对低温钢材的利用（满足低温下的力学性能，即在低温条件下具有足够的抗拉强度和冲击韧性）日益增强，如何掌握低温钢的焊接以及热处理显的尤为重要，本方法讲到的低温设备空中组焊，着重介绍了低温设备的焊接

2、与空中热处理阶段的受力分析，为以后类似的工程起到了一定的借鉴作用。2、特点2.1、本项目针对大件设备采用“空中组焊”的工艺，避免了施工场地狭窄以及工期短等不利因素；2.2、克服了大件设备吊装对大型工程机械的依赖性，也节约了成本投入；2.3、掌握了低温设备的焊接工艺，避免了低温设备常见的焊接缺陷，提高了焊接一次合格率；2.4、空中组焊设备其热处理阶段，质量控制以及设备稳定性有了确切的理论依据和实践经验。3、施工程序 场地平整加固分段设备现场交接检查验收制作安装临时平台安装设备平台、梯、爬塔管按大设备吊装方案现场分段设备空中就位组对卡具制作安装对口方位调整检查铅直度并调整组对焊缝间隙及错边量调整焊

3、缝组对点焊固定后检查正式焊接焊缝外观检查无损检验热处理前准备热处理前稳固（必要）焊缝热处理焊缝硬度检测联合检查3.1、施工准备、制定施工方案，编制技术交底卡、自检记录、安全交底卡并书面交底施工班组；、针对低温设备焊接，制定焊接工艺评定并编制现场焊接工艺规程交底施焊人员；、向当地检验所告知，并取得监检大纲；、施工机索具准备；、基础验收；、对图纸进行会审。3.2、材料验收、对于分段到货设备进行现场检验（直线度、端面水平度、椭圆度、筒体高度、管口方位），对所有附件进行核对，包括质量证明文件；、焊接材料验收并书面报验第三方；、设置一、二级焊条库管理人员，健全焊接材料发放台帐。3.3、设备组对、设备组对

4、过程中需搭设临时平台，临时平台的选用需满足安全、轻便以及便于拆卸的原则；、设备组对借助卡具（组对卡具、方板、扁楔、圆楔）以及胎具（千斤顶、90度板）进行；如下图3.3.3、组对焊缝需按规范要求严格控制错边量、坡口间隙、棱角度、直线度；、组对精度控制.1、设备制造阶段，监造人员及时将制造情况反馈过来；考虑到现场组对难度，对制造存在的偏差（端面不平度、椭圆度、直线度）及时要求厂家进行调整，在分段设备热处理前消除设备本体缺陷。.2、对分段到货的设备进行复测，由于设备长途运输，虽采取加固措施但还存在一定的变形量。.3、分段设备现场进行调整，对椭圆度超标的设备，现场利用胎具（千斤顶）进行调整，确保组对焊

5、缝圆度相同。.4、组对前卡具安装，在复测设备端面周长后等分，焊接方板（眼睛板）时上、下焊缝位置要求精确。.5、设备组对阶段，上部用吊车调整设备垂直度；卡具及楔子调整焊缝间隙及错边量，对部分端面不平端超标的焊缝，其间隙现场采用气割的方法调整。3.4、设备焊接、采用手工电弧焊，焊条选用按工艺评定和设计要求；、焊条烘烤温度及时间需满足要求；、施焊人员必须持证上岗；、为避免设备焊接变形，焊工必须均匀布置并对称同步施焊；、组对焊缝点焊过程中，必须按正式焊接工艺规程进行点焊；、对于焊接常见缺陷（气孔、未焊透、夹渣），制定控制措施（焊前预热、坡口间隙、焊接电流、焊接速度、焊渣清理、运条方法、防风措施、背面清

6、根检查、后热工作）；3.4.7、焊工在施焊过程中遇天气等不利因素需停止操作。、焊接质量控制.1、根据焊接工艺评定编制切实可行的焊接工艺规程，并交底作业班组。.2、焊条烘烤严格按厂家说明书进行，健全焊条领用手续；焊工在施焊过程中不允许手持焊条，正确使用焊条保温筒且要求保温筒必须合格。.3、完善预热工作，根据现场实际情况利用液化气火焰加热法。.4、焊接过程中施焊人员必须严格按照工艺规程操作，控制焊接电流、焊接速度、运条方法以及线能量。.5、 高空组焊过程中防风工作尤为重要，为保证焊接质量制作防风棚，根据现场实际情况每个焊工制作一组可移动的防风棚。.6、低温钢焊接后，后热工作要及时跟上，现场采用电加

7、热的方法并使用玻璃棉保温，使其缓慢降温。.7、针对低温设备焊接缺陷，制订对策并组织QC活动：.7.1、气孔缺陷：使用适当的电流，短弧操作；清理焊接区域表面；焊条烘烤严格要求；摆动、预热等以降低冷却速度；完善防风措施。.7.2、未焊透：加大坡口角度，减小钝边厚度，增加根部间隙；降低焊接速度；掌握正确的运条方法。.7.3、夹渣：仔细检查熔渣；稍微提高焊接电流，加快焊接速度；加大坡口角度，增加根部间隙；清根彻底并检验合格。.7.4、外观缺陷（焊瘤、凹坑、咬边、飞溅）：选择合适的焊条直径；焊缝周边油、锈、漆等污染；电流过大；电弧过长。3.5、质量检查、所有焊缝背面清根后需进行表面着色检查；、焊缝外观检

8、查（表面咬边、焊后棱角、焊缝余高）；、所有焊缝外观检查合格后进行无损检测，质量等级达到二级要求；、对焊缝出现的缺陷需及时进行返工，并执行原焊接工艺规程。3.6、焊缝热处理、针对设备参数以及材料弹性模量，进行理论计算环缝所受压应力并由此计算其安全系数，检验热处理阶段其强度是否满足要求。材质化学成分，%（m/m）CSiMnNiNbAlsPS09MnNiDR0.120.150.501.201.600.300.800.040.0150.0200.015现场高空焊缝进行热处理时要考虑的影响因素主要有：风载荷、地震载荷、偏心载荷和壳体本身的重量等。现对C2202塔上段对接环焊缝进行可行性分析。此环焊缝不仅

9、具有代表性，而且是本次热处理过程中最危险的，故以此为例。C2202技术参数：设备位号直径（mm）壁厚（mm）长度（mm）材质C2202第一段4000 552578109MnNiDR第二段4000 551883109MnNiDR第三段4000 552162809MnNiDR（1）、上段重量对环焊缝的压应力为： 1=155000×9.8/（3.14×4×0.055）=2.199 Mpa（2）、风载荷的影响： 风载荷对热处理过程的影响最大，是计算的重点。根据钢制焊接常压容器（JB/T4735-1997）第一节筒体的水平压力为:Pi=K1·K1i·q。

10、·f i·Li·d0i 式中： K1：体形系数 （取0.7）q。：该地方基本风压力值（取410N/m2）根据设计图纸f i：风压高度变化值Li：第一节计算高度K1i ：计算段的风振系数，当高度H20m时取1.7H20m时按JB/T4735式14-21计算如下：(K1i=1+·Vi·2i / fi)式中： 脉动增大系数 根据q1·T12查表14-5 Vi 脉冲影响系数 查表14-6 2i 振动系数 根据Kit /H 与u查表14-7（3）、 C2202 塔K1i计算段风振系数的计算 q1·T12值计算 q1 B类地区 q1=

11、410 (N/m2) T1 自振周期S0 T=90.33·Hm0·H/E·e·Di3·10-3m0计算段总质量（Kg） m0=155000 KgH计算段直段高度（mm） H=66540 mme壁厚（mm） e=55 mmDi内径（mm） Di=4000 mmE材料弹性模量 E=122.45 GPa （见试验数据）T1=90.33*66540155000*66540/122450*55*40003*10-3=0.9298q1·T12=410*0.92982=354.46 查表得=2.1945 Vi的计算第一节 根据Hit=50.412

12、B类地区 查表14-6 Vi1=0.8656第二节 根据Hit=61.626M B类地区 查表14-6 Vi2=0.8808Zi的计算第一节 根据Hit/H=50.412/66.54=0.7576 u=1 查表14-7 zi=0.6749第二节 根据Hit/H=61.626/66.54=0.9261 u=1 查表14-7 zi=0.9039 K1i的计算第一节 K1i=1+2.1945*0.8656*0.6749/1.73=1.741第二节 K2i=1+2.1945*0.8808*0.9039/1.83=1.955根据上段体形特点将其分为二节，计算风压及其弯距。见图一（4）、第一节筒体：（44

13、.912 m55.912m） L1=11m d0i =4.11m H1=5.5m 其顶横截面离地面高度为55.912m根据钢制焊接常压容器中表14-4（选B项）得此节筒体的f i=1.73 故风压：Pi= K1·K1i·q。·f i·Li·d0i = 0.7×1.741×410×1.73×11×4.11=39080.6 N风对环焊缝的弯距M1=P1·H1= 39080.6×5.5=214943.3 （N·M）（5）、第二节筒体（55.91266.54m）L2=11.

14、428m d0i =4.11m H2=16.714m 其顶横截面离地面高度为66.54m。根据钢制焊接常压容器中表14-4（选B项）得筒体的f i=1.83风压P2=0.7×1.955×410×1.83×11.428×4.11 = 48227.2 N风对环焊缝的弯距 M2=P2·H2= 48227.2×16.714 = 806069.4 （N·M）（6）、风对环焊缝总弯距 M风=M1+M2=1021012.7 （N·M）（7）、由于偏心引起的弯距（根据安装规范允许中心偏移30mm） M偏=155000&#

15、215;9.8×0.03=45570 （N·M）（8）、环焊缝横截面惯性距I和抗弯距截面系数W为： I=3.14×（D4 - d4） /64=1.43m4 W =I/e=1.43/2.055=0.7m3（9）、假设风弯距和偏心弯距是同心的，则由弯距产生的最大压力为2=（M风+M偏）/W=1.524 Mpa因此环焊缝实际承受的压应力为压=1+2=2.199+1.524=3.723 Mpa（10）、根据JB/T4735-1997钢制焊接常压容器中许用应力：0.2 取最小值B=2/3AEt其中：A=0.094e/Re 式中e圆筒的有效厚度，Re-圆筒的外半径，Et温度t

16、时的弹性横量。 上述公式的关键是Et值，而从有关的规范、资料中一般查不到该值，本工程试件经中国科学技术大学试验中心测试，试验数据: 09MnNiRD在580时的高温试验，其Et=122.45 GPa ,屈服强度0.2=133.8 MPa;取最小值：09MnNiRD B=97.96C2202上段环焊缝为3.803mPa，则安全系数K=B/压=97.96/3.723=26.31 结论： C2202截面惯性矩I，和抗弯截面系数W较大，理论计算不需加固等措施。、设备焊缝采用电加热方法进行热处理，热处理过程中应准确控制加热温度、恒温时间、升温和降温速度，且使焊件温度分布均匀。测温采用热电偶，并用自动记录

17、仪记录热处理曲线。当发现温度异常波动时，应及时处理，保证温度升降平稳。热处理措施：3.6.3、产品试板的制作需按JB4744-2000制备，产品试板的焊接需与设备焊接同步，并由设备组焊人员实施焊接；经外观检查合格后再打上钢印并经射线检测（合格标准与所代表设备焊缝相同），检测合格的试板与焊缝一道进行热处理时，热处理后需进行硬度检测；以上合格试板经第三方见证委托检测单位进行力学性能（拉伸、弯曲、冲击）。4、施工注意点4.1、分段设备运输过程中必须采用可靠的加固措施，对于现场到货后需检验几何尺寸对出现的偏差，组对前必须及时解决，避免高空组对过程中处理增加施工难度；4.2、临时平台的选用必须保证安全性

18、，其牛腿与设备连接的耳板以及吊装时临时吊耳，必须在制造厂完成焊接和热处理工作；4.3、组对过程中精度控制，垂直度、错边量、坡口间隙等，其次卡具与设备的焊接工艺；4.4、焊接过程中如何采取防风措施，避免气孔缺陷产生；4.5、焊前预热、后热工作要到位，确保焊接质量；4.6、热处理阶段加热板以及保温措施的布置，恶劣天气以及夜间不得进行热处理工作。4.7、热处理阶段需监测设备变形量，在设备升温前、升温中、恒温期间、降温期间利用经纬仪在0°、90°或180°、270°检测设备稳定性。4.8、焊接时注意的问题：、严格控制焊接线能量和层间温度，避免接头过热致使热影响区

19、晶粒增大，降低韧性。、控制焊后热处理温度，避免回火脆性使低温韧性降低。5、劳动力安排工种或职务数量工种或职务数量起重工6电工1钳 工2气焊2电 焊6铆工6测量工2壮工106、机具配置名称规格型号数量履带吊750t/250t各1台硅整流电焊机ZX7-400ST6台气焊工具2套砂轮机150/1806只汽车吊 50t1台线 坠2只千斤顶50t2只烘烤箱1台温控箱R2K-240 40KVA1台经纬仪2台7、质量控制7.1、施工指导规范：7.1.1石油化工钢制塔、容器现场组焊施工工艺标准SH3524-19997.1.2钢制压力容器GB150-19987.1.3钢制塔式容器JB4710-927.1.4钢制压力容器焊接工艺评定JB4708-20007.1.5钢制压力容器焊接工艺规程JB/T4709-20007.1.6压力容器无损检测JB4730-947.2、现场施工停检点：项目检查内容检验方法材料验收焊接材料质保书、分段设备几何尺寸及证明文件外观检验基础验收螺栓标高与中心距、基础标高与中心偏差直尺焊接工艺规程与焊工资格认定焊接工艺评定、焊工合格证资料