超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法

超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法适用范围

《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》适用于材料为Cr-Mo珠光体、贝氏体耐热钢大直径压力容器的整体制造、现场分片组焊；还适用于大直径压力容器的整体制造 。

超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法工艺原理

《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》是根据焦炭塔的交货状态、结构及材料特点、工期及技术质量要求、可利用资源，结合在大型设备制造方面的经验和优势，优化组合而成的新工艺方法，其工艺原理为：

1、锥形连体过渡段的加工是通过进行炉外精炼、锻压、热处理及精确的冷成型（通过改进锻压和成型工艺，锻件的厚度比原来减少15毫米左右，节省材料，减少加工量），坡口加工后进行组对、焊接和热处理，再进行机械加工和无损检测，解决了大型锥体过渡段锻件的制作难题。

2、该工法是中国国内首次使用1.25Cr-0.5Mo-Si 410S/1.25Cr-0.5Mo-Si材料。设计对材料和焊缝金属的要求高：其中材料σb在415~585兆帕间（焊缝金属不大于材料的1.1倍），σ0.2≥241兆帕；-20℃时冲击值254焦耳；X系数W15PPm等。通过对板材、锻件、特别是焊接材料的化学成分调整和热处理的控制，经过大量的试验和复验，制定了合理先进的工艺措施，满足了设计要求，且低温冲击值一般均在100焦耳以上。

3、通过对埋弧焊机的专门设计和改造，将焊机倚挂在设备壁板上，筒体上圈筒节顶部作为焊机行走路径，并设计合理的坡口，使用了横向埋弧自动焊焊接工艺。

4、焊接时采用电加热方式保证了焊前预热温度、焊接层间温度和焊后消氢温度；同时，通过改造加热器的结构形式（为满足水平埋弧焊，在预热用的加热器上安装滚珠轴承），并对塔体进行了刚性外加固，提高塔体刚度，保证塔体表面质量，解决了预热、消氢处理难题，使用了埋弧自动焊焊接工艺。

5、釆用现场组焊，在装置外预制、分段组焊的方法能克服现场作业环境狭窄的制约因素；釆用分段吊装可选用合理的吊装能力相对较小的吊车，满足了因场地狭窄大型吊车无法站位的组焊要求，并对周边单元施工影响也降到最低，提高吊车利用率，有效降低吊装成本。

6、在预制平台组对时，通过投影检测的方法，保证了下椎体上口与下口的同心度。设置多个预制平台进行筒节组对和分段组装，可以形成流水作业，提高人员劳动效率和机具使用率。

7、在热处理方面，利用大型热处理炉（现场拼装式的和正式的）在炉内进行立式分段整体热处理和段间环缝局部热处理相结合的方法，以及组焊完毕在基础上进行整体内燃式、外保温的热处理方法，解决了大设备整体热处理的技术难题，保证了热处理质量 。

超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法工艺流程

一、加工厂加工工艺

工厂加工工艺流程见下图：

二、现场组焊工艺

现场组焊分段立式组装施工工艺流程见下图：

三、具体工艺顺序

根据吊装、热处理、焊接等工装能力，按排版图筒体组焊成7~12米段进行炉内热处理，然后进行外加固；封头单独成体；锥体段除最下段外，其余组焊成一体后与锻焊过渡段组焊（B12），然后进行炉内热处理；最下面段与排焦口法兰（B16）焊接后进行炉内热处理，然后进行法兰密封面的加工。环缝先组焊B1缝、接着组对B5、B9缝、最后组焊B11缝，B15缝在立式状态下组对焊接。

四、现场组焊分段

现场组焊分段原则：焦炭塔以分片形式运至现场，根据吊车吊装能力，在指定区域组对焊接成三段，即裙座 大锥段 1节筒体构成下段、5节中间筒体为中段和球封头 3节筒体构成上段，经过二次倒运至吊装位置进行吊装，用400吨吊车进行吊装 。

超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法操作要点

一、锻件制造工艺要点

锥形过渡段锻件整体由4份组对拼焊组成，每份长约8米，均厚为245~255毫米，具体如下图所示：

（改进锻压和成型工艺后，有所减薄）各工序工艺要点见下表：

二、组装工艺要点

1、工厂预制总体方案

（1）锻件组对在平整的胎膜上按事先号制的线进行，无需进行加固。

（2）设计合理的坡口。纵缝坡口外大内小，以防止棱角的产生，环缝坡口应适用于横向埋弧焊工艺；复合板的坡口复层开设5~6毫米的台阶，以防止碳钢焊材焊至复层上而产生裂纹；筒节的组对和筒体的组对应在刚性平台上进行，以防止产生端口不平。

（3）每3~4个筒节立式组焊成一大段（一般高约8~12米，也可以组对成5~8米段），环缝釆用横向埋弧焊进行焊接。环缝立式组对吊装采用“十”字平衡梁进行，以防椭圆变形。热处理前对筒体进行外加固，热处理后将筒体放倒，利用300吨滚轮架将几个大段卧式逐一组对焊接环缝而成整体，并制作埋弧自动焊专用操作平台架。具体程序根据焦炭塔制造排版图。

（4）为保证圆度，外加固圈应整体制作并立式将其设置在筒体上。程序如下：

以加固圈外圈尺寸加焊接收缩量为直径制作作为加固圈外翼板的筒节（内翼板可分瓣单独滚制）→自动切割作为加固圈的腹板→腹板与外翼板筒节组对焊接f用自动切割机切割成单独加固圈→放置在水平胎具上组焊内翼板成整体加固圈→将加固圈套置在塔筒体的指定位置，如下图所示：

注：分段筒体在热处理炉内立式进行，炉子可以是电加热也可以是油气加热。

（5）焦炭塔组焊分段情况如下图所示。

2、操作要点

（1）坡口设计要合理，要防止棱角产生，满足埋弧焊的需要，而且复合板坡口须设置台阶。外加固圈应整体制作、整体设置在筒体上，并用加减丝拉紧后焊接牢固，内侧翼板局部（隔一定距离）釆用与壳体相同的材料，以便与壳体进行部分的焊接。

（2）筒体、锥形封头、椭圆封头的立纵向焊缝组对焊接应在找平后的刚性平台上进行；环向焊缝组对、焊接以及整体组对，应在找水平后的滚轮架上进行，以保证圆度及端面不平度。环缝组对时应事先测量周长，使错边均匀。

（3）塔体整体组对在大型托滚上进行，托滚下面设置轨道，对托滚应找水平和对中，以免塔体转动时产生偏重和偏心。

（4）为防止壳体失稳并避免壳体损伤，与滚轮架滚轮接触应是外加固圈。

（5）工卡具、吊耳、引弧板等须统一设置，严禁强制组对。

（6）成型弧板、筒节、成段筒体的吊运应采用专用平衡梁，以防变形。

3、现场分片组装方案和要求

3.1、筒节和筒体组对（见下图）

（1）筒节组对在刚性平台胎具上进行，组装胎具的基准面必须找平，其水平度允许偏差为1毫米；

（2）在距离组对焊缝两侧约100毫米范围处各设置一块定位板，在组装基准圆内，设置组装胎具，以定位板和组装胎距为基准，用工卡具使瓣片紧靠定位板和胎具，进行对口间隙和错边量的调整；

（3）组对完成后，在筒圈外测进行必要的防变形加固措施，可采用工厂组焊的外加固方法；

（4）筒体环缝组焊也应在刚性水平平台上进行，在底圈筒体的上口内侧或外侧每隔500毫米设置一块定位板，以定位板为基准，相邻筒节四条方位母线要求必须对正，在对口处每隔500毫米放置间隙片一块，用调节丝杠调整组对间隙，用卡子、销子调整错边量，使其沿圆周均匀分布，防止局部超标。

3.2、下段筒体组对，组对流程见下图：

3.3、锥体组对

（1）锥体组对在钢平台上划出锥体大口组装基准圆，组装胎具的基准面必须找平，其水平度允许偏差为1毫米。

（2）以定位板和组装胎距为基准，用工卡具使瓣片紧靠定位板和胎具，进行对口间隙和错边量的调整，胎具示意图见下图：

（3）锥段组对间隙、错变量等具体允许偏差必须符合设计文件要求，并要求上下口保持同心，同心圆的检测方式如下图：

上圆投影到底板上的圆C1与底板定位圆C2间距相等，所有测量的a的数据相等。

（4）锥体环缝组对时，在底圈筒体的上口外侧每隔500毫米设置一块定位板，以定位板为基准，相邻筒节四条方位母线应对正，在对口处每隔500毫米放置间隙片一块，用调节丝杠调整组对间隙，用卡子、销子调整错边量，使其沿圆周均匀分布，防止局部超标。

（5）锥体与圆筒筒圈组对要求同上。

3.4、上段组对（上段组对流程图见下图：）

（1）球形封头的组对必须搭设临时胎具，其水平度允许偏差为1毫米，球形封头组对胎具示意如下图：

（2）以定位板和组装胎距为基准，用工卡具使瓣片紧靠定位板和胎具，进行对口间隙和错边量的调整。

（3）找正球形封头整体的错边量、对口间隙、下口的周长、圆度等。

（4）球形封头与圆筒筒圈组对时，根据球形封头最大切面的几何尺寸与相邻的筒圈A1的几何尺寸应进行相应的调整，具体以球形封头的尺寸为准。

三、焊接工艺要点

1、工厂制作总体方案

（1）筒体、锥形封头、椭圆封头的纵向焊缝焊接釆用立式手工电弧焊，筒节间的段内环缝釆用横向埋弧自动焊；筒体间、筒体与锥形封头、椭圆封头之间的环向焊缝，组对成大段采用卧式埋弧自动焊（见下图：）。

（2）复合板段的复层和过渡层采用NiCrFe-3的Ni基焊材，避免使用其他奥氏体焊材而产生与铁素体膨胀系数不一致的问题。

2、现场分片组焊总体方案

（1）现场所有纵、环缝的焊接全部釆用手工电弧焊。

（2）复合板段的复层和过渡层釆用NiCrFe-3的Ni基焊材，避免使用其他奥氏体焊材而产生与铁素体膨胀系数不一致的问题。

3、工厂制作操作要点

该工法采用低合金耐热钢，其焊接的主要特点是易产生冷裂纹、延迟裂纹，因此降低组装应力、改善焊缝成型、进行焊接预后热、控制并釆用合理的线能量等是焊接的关键。同时坡口设计要合理，纵缝要防止棱角的产生，环缝要适合于横向埋弧焊。焊接工艺参数如下表所示（横向埋弧焊比水平埋弧焊要略小）：

（1）埋弧自动横焊坡口通常釆用不对称X形坡口，上面角度稍大，根据壁板厚度一般取35°，下面开设小坡口，角度一般取15°，以利于提高焊缝性能并使清渣方便（渣容易自动脱落）、背面清根容易。坡口上口钝边留1~2毫米，下口钝边留5~6毫米，可有效地防止组对过程中出现错边而影响焊接质量。典型的埋弧自动横焊焊接坡口如下图所示：

埋弧自动横焊的一个关键工序在于根部打底焊接，为减少焊缝背面清根工作量，一般要求釆取以下措施：

①组对时先在下部筒节上每隔3米左右点焊一块与壁板同材质厚度为2毫米的小板条，以保证组对间隙均匀保持在1.5毫米左右，定位焊完成后用氧一乙快焰将小板条清除。这样，根部打底焊接时焊缝背面穿透会较好，背面只要用角向磨光机打磨清根即可，使背面坡口基本保持原样，以利于另一侧的焊接工作。

②也可以采用以下方法，但小板条采用3毫米厚度，定位焊完成、小板条清除后，在背面焊缝贴上横向对接接头专用陶瓷衬垫，这样，根部打底焊接能形成单面焊双面成型，背面只需要局部修正即可进行焊接，省时省序，并能更好地提高焊接质量。

③若不釆取上述措施，则焊缝背面需要进行气刨清根，再进行打磨，直至露出新鲜金属。由于横向焊接穿透性较差，气刨清根工作量大，有时甚至会刨得很深，焊接之前需要用手工电弧焊进行补焊找齐。这样，虽然焊前工作量少了，但背面焊接前工作量增加，而且焊接质量还不容易保证。因此，宜采用上述两种措施。

（2）定位焊前釆用火焰预热，预热温度为200~250°C，要求定位焊焊缝每段长度不小于150毫米，厚度12~16毫米，间距440~500毫米。

（3）每条纵向焊缝内外第一、二遍釆用自上而下分段退步焊，其余各遍自下而上一次焊完。

（4）焊前及焊接过程中，焊缝表面温度应预热温度及层间温度严格控制在150~250°C之间。

（5）定位焊及临时工卡具、吊耳的焊接应釆用和主体相同的焊接工艺及焊材，去除打磨后应进行表面检査。

（6）雨、雪天、相对湿度大于85%、风速大于10米/秒等焊接环境下，未釆取保护措施不得焊接。X寸接焊缝及角焊缝表面不得有咬边。RT、UT、MT检验须在焊接完24小时后进行。

4、现场分片组焊操作要点

（1）焦炭塔所用的焊接工艺评定，须经特检中心、业主等相关单位审批。焊接方法按照设计文件要求选用采用焊条电弧焊和气弧焊。

（2）焊缝坡口及组对形式

①焦炭塔环焊缝焊接形式见下图：

②焦炭塔纵焊缝焊接形式见下图：

③焦炭塔裙座与下椎体焊缝形式见下图：

（3）焊接主要技术参数：

①铬钼钢焊接工艺参数按照下表执行：

②复合钢焊接工艺参数按照下表执行：

③铬钼钢和复合钢焊接工艺参数按照下表执行：

四、防变形操作要点

1、大直径筒节无法进行校圆，因此纵缝的棱角应从坡口设计、滚弧及焊接程序和方法上加以控制。坡口釆用不对称X形坡口，滚弧时板端形成4~5毫米的负棱角如图5.2.4-1所示（复合板的纵缝要达到6~7毫米）。焊接时，进行分段退步焊，焊接过程中根据变形情况及时调整焊接顺序，过渡层及复层焊接要实施多道焊，不得摆动焊，以减少内应力控制变形。

2、由于壳体直径大，壁厚相对较薄（Φ9800x28 3~42），放置在滚轮上会发生瘪壳失稳，因此在壳体热处理后安放上滚轮上之前，在壳体与滚轮接触部位置的壳体外侧设置有足够刚度的“口”形支撑，（同时轨道和托滚要求找正）如下图所示：

3、环缝焊接接头局部热处理时，支撑点应设置均匀合理，尽量使被处理接头不处于受力状态；同时加热器每串联组应设置一热电偶，以防过烧而变形。

4、热处理炉内设置8个水平的活动支撑座，并设置好加固。

5、为保证排焦口的密封效果，所有锥段的端口圆度应合适。法兰应先与锥体的一段焊接，单独整体热处理后进行法兰密封面加工，然后与锥体进行无应力组对。焊接采用氯弧焊打底，4个焊工同时同向对称进行焊接，如下图：

五、防止裂纹操作要点

1、控制下料尺寸误差，保证滚弧质量，组对时减少错口，吊装时使用“十”字平衡梁，避免强力组对，减少组装应力。

2、焊前预热及消氢

组对及工卡具的焊接应采用氧-乙炔焰按规定温度进行预、后热，以避免表面硬而产生表面裂纹；

焊前进行150~200°C的预热，层间温度控制在150~250°C之间，以降低残余应力、提高焊接接头的强度，避免延迟裂纹的产生；焊后立即进行2小时350~400°C的消氢处理，利于氢的溢出、提高改善焊缝金属的抗裂性能，避免延迟裂纹的产生。

3、复层刨边时不得将复层材料残留基层上，基层焊接时不得将复层材料融入焊池或焊到复层上，以免产生马氏体组织而产生裂纹，焊后应仔细检查，尤其是横向埋弧焊，有怀疑时应用CuSO₄溶液检验并彻底打磨清除。

4、焊接时选用合理的线能量，既要降低焊接拘束应力和焊接接头的硬度，又要防止热影响区晶粒粗大、焊接接头冲击韧性降低，避免产生延迟裂纹。

六、预热和焊后消氢操作要点

预热和焊后消氢至关重要且是一大技术难题，稍有不慎即产生延迟裂纹。焊前将磁铁加热器紧紧地固定在焊接工作面的背面，焊接完成后在加热器的另一侧设一层硅酸铝纤维（用磁铁的扁钢固定）或也设置加热器，将温度升到350~400℃进行消氢。手工电弧焊及横向埋弧自动焊焊接时，加热器设置在焊缝的另一侧；水平埋弧自动焊内侧焊接时，在原热器结构的基础上将两根4~6毫米厚的端头（原磁铁部位）各固定一只滚珠轴承。各加热器用2毫米扁铁紧密串接紧贴壳体，分成上下两半分别固定在自动焊框架上，并要求滚珠轴承与壳体接触。当壳体转动时通过轴承传递，使加热器处于相对位置而不转动，从而达到预热的目的。焊接完成后在加热器的另一侧设一层硅酸铝纤维，将温度升到350~400℃进行消氢。预热、焊后消氢用加热器如图所示。

七、热处理操作要点

1、工厂预制热处理操作要点

将在立式状态下组焊完毕的大段进行炉内整体热处理，大段与大段组对而成的环缝釆用局部热处理。热处理恒温温度：（690±15）℃。恒温时间90~120分钟。

（1）整体热处理

每大段的热处理在炉内立式进行。炉内设8个平衡滑块式支座，使热处理件的下端口处于水平位置并防止变形，在大段两侧端口附近外侧进行周向加固，以保证热处理后的整体圆度。测温热电偶应固定在工件上，每次处理的热电偶数量不少于8个，以保证工件均匀受热。

（2）局部热处理

将履带式红外线加热器紧密串联（每3片为一组），每组设一热电偶，并用8号铁丝捆扎在被处理的外侧，内外进行保温，保温宽度不小于1.8米、厚度不小于0.06米，用DWK-36电脑温控仪进行控温。

2、现场组焊热处理操作要点

（1）热处理方法

采用燃油法进行热处理以焦炭塔内部为炉膛，选用0号轻柴油（随气温选用标号）为燃料，焦炭塔外部用保温材料进行绝热保温，通过鼓风机送风和喷嘴将燃料油喷入并雾化，由电子点火器点燃，随着燃油不断燃烧产生的高温气流在塔体内壁对流传导和火焰热辐射作用，使塔体升温到热处理所需的温度。

（2）热处理工艺流程，见下图：

（3）热处理工艺参数

恒温温度：690°C±14°C；恒温时间：2小时；升温速度：50~80°C/小时（≤400°C时可不予控制）；降温速度：50~80°C/小时（≤400°C时可不予控制）；恒温时的最大温差：≤28°C：升温时的最大温差：≤100°C；降温时的最大温差：≤120°C。

（4）热处理工艺系统控制

热处理系统由燃油、供油、温度测量、形态测量和排烟系统组成。

①燃油系统

釆用燃烧器与焦炭塔底部的管口法兰，通过过渡法兰相对接，用一套微机系统对热处理过程进行智能化控制，以满足工艺要求，燃料采用0号柴油（按气温选标号）通过油泵送油，由电磁阀控制经喷嘴后喷出，雾化的燃烧油，由电子点火器自动点燃柴油进行燃烧。燃烧器上的鼓风机风量按预先设定的风油比助燃。

②供油系统

根据热工计算，本次焦炭塔热处理最大耗油量为1164升/小时，单台热处理耗油量W8吨，储油罐一次装油量应保证塔体热处理全周期所需油量的1.5倍。

③温度测量控制系统

温度测量监控系统由热电偶，补偿导线和一套PC-WK型集散控制系统对温度进行智能化测量和控制。

④测温点布置

按照《钢制压力容器焊接工艺评定》JB/T4708-2000、美国ASME的有关技术标准的要求，本次热处理在塔体上共设测温点63个，每块焊接试板各设置一个热电偶。其中封头上布置15个、筒体上布置36个、锥体布置12个。

⑤热电偶安装

采用储能式热电偶点焊机将热电偶牢固地点焊在塔体壁板，烟道气和试板应单独另设热电偶。试板和接管按规范都布置热电偶，在热处理过程中往往因外力和操作不慎碰断电偶，又因高温期间无法补焊和修复，因此对试板、接管等关键部分釆用双热电偶以备发生故障及时替代更换，在每段多布置1至2点作为备份。补偿导线应妥善固定，以防烧毁。各热电偶型号均为K型操铭一镣硅，补偿导线采用K型双芯线。

⑥温度监测

温度监测配置两套系统，一套是EH100-24长图自动平衡记录仪2台，共可记录48个测温点，另一套是微机集散型温度监控系统，3秒扫描一个测温点巡回检测各测温点的温度，并与设置的热处理工艺曲线进行比较对照，从而向燃烧器给出具体燃油控制量，同时按工艺每30分钟打印1份各点温度的报表。

3、硬度检测

硬度测试在整体热处理后，对所有焊缝进行硬度测试（包括母材、焊缝金属和热影响区）。硬度值≤225HB 。

一、材料用料

中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司在青岛大炼油延迟焦化装置4台焦炭塔的制造组焊中，采用该工法需用主要措施材料用料见下表：

二、机具设备

中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司在青岛大炼油延迟焦化装置4台焦炭塔的制造组焊中，采用该工法需用的主要机具设备见下表：

《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》有如下特点：

1、中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司使用该工法制造的青岛大炼油焦炭塔（Dg9400x39440）、中海油惠州大炼油焦炭塔（Dg9800x36600）、新疆塔河焦炭塔（Dg9000x38626），属于巨大直径的焦炭塔，而1.25Cr-0.5Mo-Si 410S/1.25Cr-0.5Mo-Si材料又在中国国内首次应用于焦炭塔。1.25Cr-0.5Mo-Si相比15CrMoR强度降低而韧性提高，从而提高设备的疲劳寿命，同时釆用复合板提高了设备的耐腐蚀性能，但焊接时更容易产生延迟裂纹，同时如果坡口加工和焊接不当容易形成马氏体组织而产生裂纹。

2、该工法在工厂组焊时采用将塔体采用立式组装成大段（10米左右）、卧式组装成整体的组装工艺；环缝焊接釆用自行新开发的立式横向埋弧焊工艺和卧式埋弧自动焊工艺相结合；热处理采用了分段整体炉内热处理及环缝局部电加热热处理工艺。

3、该工法锻焊过渡段分4段（与原工法相比，直径增大分段减少）进行炉外精炼、锻压、热处理及压弯（冷弯），坡口加工后进行组对焊接和热处理，再进行机械加工和无损检测。

4、该工法对于大直径筒体进行卧式埋弧自动焊并进行良好的预后热困难，加之1.25Cr-0.5Mo-Si 410S/1.25Cr-0.5Mo-Si焊接时若工艺操作不当易产生冷裂纹或延迟裂纹和马氏体组织。该工法在原工法的基础上，釆用刚性外加固圈取代原来的内圈工字钢加米字形加固，减少了对设备本身的损伤。并对加热器进行改造，适合壳体转动时的预热，解决了壳体刚度不足、避免了转动时的冷作硬化及埋孤焊接时的预后热难题。

5、该工法在现场分片组焊时，为防止筒节变形釆用立式组对，组对在水平刚性平台上进行，并采取合理加固措施，控制了筒节和筒体的椭圆度、端面不平度、棱角等，保证了组焊质量。

6、该工法分段立式组焊在预制场内形成流水作业，充分提高了机具的周转率、人员的劳动效率，大幅降低施工成本；而且分段吊装可使用吊装能力较低的起重设备，降低机械使用成本。

7、该工法舍弃了以往在装置焦池内进行组对吊装的组焊方法，改在装置外单独设置立式分段组对的预制场地，并在焦炭塔框架与焦化炉中间站位吊车进行分段吊装，减少了由于焦炭塔组焊对其他部位施工带来的工期、安全等不利影响 。

焦炭塔是延迟焦化装置的关键设备，长期的（除焦和充焦）在常温至430/500℃的工况下交替运作，使塔体不断经受冷热疲劳，二相温差引起局部的塑性变形，长期使用造成塔体鼓胀，尤其裙座与锥体封头的搭接接头处产生大量的不规则裂纹。釆用锻焊连体锥形封头作过渡段，从而使裙座与锥封头搭接处的疲劳寿命从不到600次提高到10000多次，设备材料也从15CrMoR提升到了1.25Cr-0.5Mo-Si/1.25Cr-O.5Mo，且气液二相及以上部分采用了25Cr-0.5M。-Si 410S复合板材料，使得设备的耐蚀性也大为提高，但给设备制造组焊过程中的焊接、热处理等工艺提出了新的要求。

在总结高桥石化、镇海炼化焦炭塔制造经验的基础上，2006-2010年度在青岛大炼油、中海油惠州大炼油和出口印度爱莎石油公司焦炭塔、新疆塔河延迟焦化焦炭塔的制造组焊过程中，针对新材料的焊接特点、技术质量要求和设备的不断大型化，中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司改进和开发了新的组装、焊接和热处理工艺，如开发新材料的焊接工艺、开发使用横向埋弧自动焊的专有（技术）工艺、保证圆度的加固方法等。在技术开发和创新的同时，在原有的组装、焊接和热处理工艺工法的基础上，增加了因运输条件的制约无法整体或分段制作、运输的大型焦炭塔在现场进行分片组焊等内容，中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司在工程实践基础上总结完成了《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》 。

一、质量规范标准

施工企业采用《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》时应执行的主要规范、标准：

• 《钢制压力容器》GB150-1998

• 《钢制化工容器制造技术要求》HG20584-1998

• 《钢制塔式容器》JB/T4710-2005

• 《承压设备无损检测》JB/T4730-2005

• 《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》NB/T47008-2010

• 《压力容器用钢焊条订货技术条件》JB/T4747-2002

• 《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708-2000

• 《钢制压力容器焊接规程》JB/T4709-2000

• 《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》JB/T4744-2007

• 《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009（原《压力容器安全技术监察规程》99版）

• 《焦炭塔制造技术条件》11060-C-101A~D

二、质量保证措施

1、认真执行国家有关法规、标准和质量体系文件要求，做好过程质量控制。

2、编制详细的质量检验及控制计划并编制工艺、焊接、热处理、运输、试压、油漆等作业指导书。并设立如下质量控制重点：

（1）制订订货技术协议、工艺文件编审，主材及焊接材料的订货。

（2）焊接工艺及热处理工艺试验、焊工培训、工艺评定、焊工考试。

（3）材料、半成品（尤其是封头）的复验、验收。下料允差、错口、棱角、椭圆度的控制。

（4）预后热温度控制，热处理过程、尤其是局部热处理温度均匀性的控制。

（5）焊材发放、回收，焊接过程工艺纪律检查。

（6）广品焊接、验证试板的制作与检验。

3、严格工艺纪律，控制错边量和装配间隙，彻底进行焊前坡口表面及层间的清理；加强材料表面的保护；对焊前预热、焊后消氢处理及最终热处理都设专人测温；对咬边、裂纹、气孔、夹渣做专职检查；合理设置工装胎具及吊耳，减少对母材表面的损坏，严禁强力组装。

4、严格按规范标准进行原材料、焊缝（焊接接头）、试板、锻件、焊材的机械性能、化学成分、硬度等的检验和测试，质检员和责任工程师对检测、检验过程和结果进行跟踪检查。

三、质保体系

施工企业采用《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》时加工厂质保体系和现场施工质保体系见下图：

一、经济效益

中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司釆用《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》施工的青岛大炼油和惠州大炼油延迟焦化8台焦炭塔的制造组焊经济效益分析见下表：

二、社会效益

《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》的应用，有效保证了设备的制造质量、降低了劳动强度、提高了劳动效率、减少了现场的交叉作业，为现场施工的有效组织创造了良好的条件，同时为大型设备制造组焊开拓了一条新的路子 。

注：施工费用以2009-2010年施工材料价格计算

施工企业采用《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》时应执行的安全法规和措施：

一、安全法规

中国国家、行业和地方的法律法规及规定：

1、中华人民共和国国务院令《建设工程安全生产管理条例》。

2、中国石化集团公司健康、安全、环境管理体系。

3、中国石化集团公司安全生产监督管理制度、安全检查规定、安全教育管理规定。

4、中国石化集团公司临时用电安全管理规定。

二、安全措施

1、严格执行国家、地方的法律法规和行业的有关规定，搞好安全教育，充分做好风险和环境识别以及应急预案措施。

2、做好安全技术交底，对施工方法、工艺程序、工艺要求、现场作业特点、关键控制点等做详尽交底。

3、施工用电必须做到规范，并做随时、定时检查。用电设备应由专业人员进行维修及定期维护，并做好防雨措施。导线、把线、电缆线应避免损坏漏电，电动设备、工具须配备相应的漏电保护器。热处理前应详细检查导线、接头是否配合良好，确保无误后方可通电。

4、筒节（体）摆放、运输应平稳，吊装运输前作技术交底，按要求详细检査吊装机索具、吊耳，确认无误后方可起吊，吊装时由专人统一指挥，吊装过程中应平稳，严禁冲撞脚手架。

5、整体组对区地面应埋设轨道，轨道应水平；放置设备的托滚应对中，以防止设备转动时串动。转动时应严密监视设备的横向串动情况。

6、脚手架的搭设应编制《脚手架搭设技术措施》，并按措施执行。脚手架材料一律果用钢管架，严格按《石油化工施工安全技术规程》SH3505-1999第二节有关规定。所有脚手架、梯孚、安全网必须经联检合格确认，挂牌后方可使用，并做定时检查。

7、每个动火的操作平台，四周围设合格的三防帆布（高约1.2米），竹拍子上铺设二层石棉布，每个动火点设4~6个灭火器材。

8、无损检测应设专门警示牌及警戒线。现场作业时须按规定要求进行，并执行《石油化工施工安全技术规程》SH3505-1999规定。

9、夜间作业应有足够照明，冬季、雨季做好防冻防滑工作。壳体内施工应使用12V安全行灯。

10、酸洗钝化的废液要经过中和处理方可排放。

11、压力试验时，应设警戒线，无关人员严禁进入试压区。

12、进行X射线检测时，必须根据项目HSE管理规定办理射线作业票，与业主取得联系、同意，应和其他工序错开，避免射线伤害，作业现场无防护时，则以X射源为中心的20米内不得有人，并设“当心辐射”的警告牌。必要时，设监护人和临时围栏 。

中国石化集团宁波工程有限公司和中国石化集团第五建设公司采用《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》，在青岛大炼油工程、惠州大炼油工程、印度爱莎焦炭塔项目、新疆塔河延迟焦化装置、广州石化140万吨/年延迟焦化等焦炭塔的制造组焊中，首次采用锻焊的连体锥形封头过渡段结构，锻焊过渡段最厚处达120毫米，证明了该工法的合理性和先进性。

青岛大炼油/惠州大炼油延迟焦化装置8台焦炭塔的性能参数见下表：

施工企业采用《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》时应执行的环保法规和措施：

一、环保法规

中国国家和地方（行业）环境保护法规：

• 《中华人民共和国环境保护法》

• 《中华人民共和国环境噪声污染防治法》

• 《中华人民共和国放射性污染防治法》

• 《中国石化集团公司建设项目环境保护管理实施细则》

二、环保措施

1、遵守国家有关环境保护的法律法规，建立有效的环境监测系统，加强对施工现场粉尘、噪声、废气、废水的检测和监控工作。与文明施工现场管理一起定期检查、考核、奖罚各项环保工作，及时釆取措施消除粉尘、废气、废水噪声的污染。要对易飞扬物的细颗粒、散体材料和废弃物的运输、堆放应具备可靠的防扬尘措施。禁止在施工现场焚烧垃圾。

2、及时回收余料、废料、严禁乱堆乱放，施工材料做到工完料净场地清，保证施工场地清洁、道路畅通，排水系统处于良好的使用状态。在车辆、行人通行的地方施工时，应设置施工标志 。

2011年9月30日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2009-2010年度国家级工法的通知》，以文号建质[2011]154号公布《超大型耐热钢焦炭塔制造组焊工法》为国家二级工法 。2100433B

超大型倒锥水箱液压提升工法适用范围

《超大型倒锥水箱液压提升工法》一般用于倒锥壳水塔水箱的吊装。

超大型倒锥水箱液压提升工法工艺原理

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的工艺原理叙述如下：

液压缓升群吊法提升水塔水箱。水箱地面预制，水塔筒体施工完成并达到要求的强度后，在水塔顶部设置提升架，根据水箱的重量，均匀布置液压千斤顶，通过提升杆连接顶部提升装置和底部水箱，采用液压油路控制，将水塔水箱缓升到指定高度，进行固定后进行环梁和防水的施工。

超大型倒锥水箱液压提升工法施工工艺

• 工艺流程

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的工艺流程是：

现场条件勘察准备→承力架、提升点、千斤顶、防坠器等提升设施的布置及安全受力计算→安装承力架→吊杆安装、固定防坠器→安装千斤顶及供油系统→安装电动油泵、接通油路→接通电源并关闭油泵针形阀→液压油泵试工作→千斤顶及油管路进油→试提升→千斤顶进油带动水箱上升行程结束，油泵回油，千斤顶活塞下降→防坠器固定，切断上部拉杆，千斤顶回复→往复运行提升到设计标高→调整固定，浇筑支承环梁→拆除提升设施。

• 操作要点

《超大型倒锥水箱液压提升工法》的操作要点如下：

一、现场条件的勘察准备预制准备

一般水箱较重，预制时为保证水箱的质量，避免水箱在浇筑混凝土时产生不均匀沉降，以水塔为中心，15米范围进行夯实，将水塔中心半径3~4米范围内回填200毫米厚碎石，浇筑200毫米厚C25混凝土，4~15米范围内回填200毫米厚碎石，浇筑100毫米厚C25混凝土；围绕筒身就地预制水箱，在水箱下环梁与混凝土地面之间铺两层油毡，作为分隔带在下环梁两侧用长500毫米、ф25@200的钢筋设置地锚，保证水箱下环梁的椭圆度。水箱下环梁受较大的集中荷载作用，应对吊点处的环梁截面进行抗剪验算，根据验算结果在吊点处增加抗剪钢筋。为使吊点处混凝土受力均匀，增加一块环形钢板与预埋ф48×5.5毫米钢管相焊。

1.按照吊杆平面布置尺寸，预埋n（1000立方米水塔70）根，采用ф48×5.5毫米无缝钢管，每根无缝钢管打60°坡口与水箱下环梁埋件进行焊接，并在无缝管上焊接ф12@100长300毫米的锚固筋，使无缝管与混凝土更好的形成整体（图1）。

2.水箱下环梁内侧埋设4~6组埋件，用于安装导轮，防止提升过程中水箱偏移与筒体产生摩擦。

3.水塔支筒采用滑模工艺，筒体施工完成达到设计强度后，可进行水箱安装。水箱在浇筑混凝土时预留5组混凝土试块，进行抗压试验当水箱的混凝土抗压强度达到设计强度的90%以上时，开始进行吊装，吊装前将水箱下环梁与地面接触面凿空70%左右，减小由于接触面真空而形成的大气压力。

4.水塔吊装采用顶部承力提升架放置液压千斤顶集控群升方法，利用提升吊杆进行吊装，使用防滑器进行锁固，提升时塔身四周弹出4~6条标高线，并用红漆明显标出标高尺寸，吊杆每5米用红漆作出标记，以便提升时随时观察水箱的水平度。吊装示意见图2。

二、千斤顶和吊杆数量的确定

1.总荷载的确定：Q=Q₁ Q₂

式中Q——总荷载；Q₁——水箱重量；Q₂——吊杆重量。

圣戈班高炉1000立方米安全水塔水箱重 Q₁=4000千牛，吊杆ф48×5.5毫米，总重Q₂=180千牛。

Q=Q₁ Q₂=4000 180=4180千牛。

2.千斤顶及吊杆数量的确定

1）千斤顶数量的确定：n=Q/F

式中n——千斤顶数量；Q——总载荷；F——每个千斤顶工作起重量。

采用QYD-60型千斤顶，每个千斤额定起重量为60千牛，工作起重量F=30千牛；

n=4180/30=140

每2个千斤顶串联成一组，共70组。相应吊杆数量为70根。

2）吊杆强度校核：σ=Q/A≤[σ]

式中Q——总载荷，Q=4180kN；A——吊杆的总截面积；[σ]——吊杆的许用应力。

采用ф48×5.5毫米无缝钢管作为吊杆，材质为20号钢。为保证在起吊局部失衡或个别部件在损坏更换时的起吊安全，取吊杆的安全系数K=2.5，[σ]=σ_s/K=245÷2.5=88兆帕。

σ=Q/A=4180×10³÷（70×3.1416×42.5×5.5）=81.3兆帕≤[σ]=88兆帕

强度满足要求。

三、液压系统的布置

液压系统布置图3。

总控台根据水塔提升重量选用，从总控制台给千斤顶供油，分主油路和支路控制，一般每个主油路控制的分油路为5~10路，从总控制台使用液压软管进行连接，使用电磁阀和针型阀进行控制。以1000立方米水塔为例，采用HY-56型液压控制台，给70×2=140只千斤顶供油，分5路向千斤顶供油，每路用电磁阀和3/4‘’针形阀控制油路。每路通过分油器向7根吊杆上的千斤顶供油。每根吊杆安装两台千斤顶，串联供油，在最下一台千斤顶安装3/8‘’针形阀控制油路。共设置75个吊装点，从控制台经DN25的软管到5个两通分油器，经3/4‘’软管到10个多路分油器，经3/8‘’软管到千斤顶。

千斤顶串接及油路连接方式见图4。

四、吊杆的对焊及焊口检验

每根吊杆的长度不要过长，一般长度L：

L=水塔高度 提升架高度 千斤顶高度 （0.2~0.25）米

该次1000立方米水塔吊杆焊接成42米长。

因吊杆受非对称循环变应力，接头对焊接的质量要求严格，关系到水箱提升的成败。接头用45°坡口焊，内穿ф35、L=400毫米圆钢，在距离对接处150毫米加ф16圆钢销钉并进行塞焊，用手提砂轮把焊口打平磨光。施工时吊杆对焊和安装时都要注意把焊接接头错开，对焊时采用手工焊，用J426焊条焊接。焊接及连接方式见图5。

五、水箱提升支架构造设计及安装

以该次施工的圣戈班高炉1000立方米安全水塔为例，同类的水箱吊装支架的分析及计算方法类同。

1.水箱提升支架见图6、图7。

2.提升架的受力计算

提升架主要是由下钢圈梁、斜支撑、下部和上部钢环梁组成的锥台形钢结构，下钢圈梁采用12毫米钢板，斜支撑采用24根H形250毫米×250毫米×9毫米×14毫米，钢环梁用16毫米厚的钢板焊接成180×180毫米的方管，提升架是一个锥台形钢结构，下部与焊接固定，上层钢环梁上设置70组千斤顶，下层钢环梁上设置防坠器70个。

提升架下部无筒身立柱部位，采用12根H形250毫米×250毫米×9毫米×14毫米钢支撑，支撑提升架斜支撑位置。提升架剖面图见图8，提升架受力分析见图9。

1）提升架载荷：Q=K（Q₁ Q₂ Q₃）

式中Q——总荷载；Q₁——水箱重量， Q₁=4000千牛；Q₂——吊杆重量； Q₂=180千牛；Q₃——千斤顶重量；Q₃=35千牛；K——荷载系数，取k=2。

Q=K（Q₁ Q₂ Q₃）=（4000 180 35）×2=8430千牛

每根斜支撑受力W=Q/n=8430/24=351.25千牛

2）斜支撑受力

（1）斜撑强度计算

每根斜撑强度应满足：σ=N/A_n≤f

式中N——每根斜撑受轴向力，N=W/COSα=351.25/0.9896=355千牛；A_n——每根斜撑净截面面积，A_n=9218立方毫米；f——斜撑抗压强度设计值，f=215兆帕。

σ=N/A_n=355000/9218=38.5兆帕

（2）斜撑稳定性计算

每根斜撑稳定性应满足：N/（ψA）≤f

式中N——每根斜撑受轴向力，N=355千牛；A——每根斜撑毛截面面积，A=9218立方毫米；ψ——斜撑的稳定系数，由《钢结构设计规范》GB 50017附录C查得。

斜撑长细比：λ=l/i=2021/62.9=32.1，由表c-2查得ψ=0.791

N/（ψA）=355000/（0.791×9218）=48.7兆帕

3）下圈梁受力计算

（1）每根斜撑对上圈梁的水平力：T=Wxtgα=351.25×0.145=50.9千牛

下圈梁的水平均布力q

q=50900×24/（3.1416×5600）=69.4牛/毫米。

（2）下圈梁的强度计算

下圈梁的强度应满足：σ=（πDq/4）/（bh）

σ=（3.1416×5600×69.4/4）/（12×250）=101.7兆帕

根据提升架的重量、提升高度及吊车最有利的占车位置，确定提升重量、提升高度及吊车的回转半径，根据吊车的吊装性能表确定选用的吊车。圣戈班高炉水塔提升支架总重为8.6吨，用100吨汽车吊接副杆将提升架安装到40米高的水塔筒体上，如图10。

筒身顶部提升架，斜支柱下钢板、千斤顶、吊杆加固及液压系统等组装后应对连接件焊缝进行检查，对油路整体进行试压，符合技术要求后才能正常使用。提升架的顶面水平度偏差不大于5毫米。千斤顶安装位置的偏差不大于5毫米。

七、提升方法

1.水箱提升前要认真做好各项检查清点工作，主要包括：

1）吊装机具是否齐备，并已经过必要的试验；

2）吊装设备的预组装，并确认不存在问题；

3）水箱与支筒间吊装缝合格，并清理干净；

4）水箱混凝土强度确认已达到或超过设计强度90%；

5）支筒顶部吊装环梁的平整度是否达到要求。

以上均经认真检测，确认无误后，才可开始提升设备的组装。

2.提升设备的组装

提升设备的组成包括：吊装杆、千斤顶、液压泵、分油盘、油路管等。提升设备的组装程序：千斤顶→吊装杆→油压系统。

将液压控制台溢流阀压力调整到1.5兆帕后收紧吊杆。用水平仪在每根吊杆上抄好水平标记线，在水箱栏杆上分8点抄好水平线，在水箱提到设计标高后，用水平仪检查这8个点评定水箱的水平度。在筒身外表面抄一条水平线，每隔1米向上翻一次。在水塔的南边和东边各架一台经纬仪、镜头十字对准钢提升架立柱的上端，观察水箱离地的瞬间，筒体的垂直度变化。

提升装置安装完成后水塔顶部、水塔底部如图11、图12。

3.试提升

液压倒置提升系统组装经检验合格后，正式提升前应进行试提升，对各重点部位（结合点、焊接等）进行检查。将水箱提升到离开底模10厘米，静止24小时，观察测量水箱的水平度和水塔沉降情况，如发现水箱出现倾斜偏差及时对水箱进行纠偏，调整较低处10个左右千斤顶，使水箱锥壳的水平度满足提升要求，开始组织提升。

4.水箱初升

关闭针形阀，将液压控制台溢流阀调到6兆帕。打开针形阀，向千斤顶供油，千斤顶倒拔吊杆，在油泵回油过程中吊杆回降4~5毫米，千斤顶有效行程约为15毫米左右。每个行程的时间为1分钟左右。水箱提升到离开地面25厘米暂停4小时，对钢提升架、液压系统管路及水箱下环梁、吊杆的下焊点进行全面检查。

5.水箱提升

初升检查合格后，开动液控系统（液压控制方法同初升），连续提升水箱，中间不间断观察水箱水平度及吊杆的受力情况，一旦出现受力不均及水箱水平度偏差过大时，应及时纠偏。同时每提升4米静止检查水箱的塔体与水箱间距均匀、拉杆均匀受力情况等，测算提升速度。

当水箱提升到离地面2米高度后，围绕筒身挂设钢管脚手吊篮，与水箱同时上升，水箱就位后，即可在吊篮里浇筑环板混凝土和涂刷筒身外壁的乳胶漆。

水平偏差过大纠偏方法：采取液压千斤顶单个或少数供油，比如水箱经校核发现确定东侧方向偏低几个毫米，滑升时其他千斤顶都不动而只对东侧2~4个千斤顶供油，经两次核对校正后再同步提升所有吊杆。

每天晚间停滑时，将钢楔固定在水箱下滑梁与支筒间间隙处，防止夜间大风吹动水箱，水箱与支筒发生撞击。待第二天取出钢楔继续提升。

6.钢支架安装及水箱就位

钢支架制作：钢支架应在提前预制，制作质量应符合设计和国家规范要求。水箱吊装到设计标高后进行水箱支撑钢支架的安装。

钢支架安装：先逐个将支腿与支筒顶的埋件焊牢，再安装支架连接板，支架顶板应保证在一个水平面上，支腿上端中心应在一个圆周上，（此圆周与水箱下环梁中心圆周相同）。钢支架安装时，同时把环托梁中的预制件安好，与钢支架焊牢。

水箱就位。钢支架安装完毕，即可将水箱落在钢支架上。为保证水箱的平整与稳固，就位时应用测量仪器配合，钢支架与水箱下环梁间可用铁垫板找平。

八、环托梁施工

当水箱的底标提升到40米，水箱提升完毕，安装完成钢支架后，水箱就位，进行环托梁的绑筋支模浇筑。由于圈梁混凝土入口处较小，断面复杂，浇筑难度大，同时考虑到混凝土的收缩，在混凝土掺入适量的膨胀剂，在混凝土振捣上采用人工与机械振捣相结合的方式，保证混凝土浇筑的密实性。圈梁浇筑完成并达到强度后，拆除吊杆、设备机具和支承架，提升工艺结束。

安装完成的水塔如图13。

九、操作注意事项

1.提升架应与筒体结合面结合紧密，高低不平处须用垫片垫平

2.先进行水箱下环梁的吊点锚紧，调整上部长度，保证水箱的水平度。

3.液压系统安装完毕后应进行试运转，先充油排气，然后加压至12兆帕，每次持压5分钟，重复3次后检查各密封处是否渗漏，待各部工作正常后接通千斤通。

4.第一次提升时，以水箱离支点25毫米时停止4小时，以观察此阶段是否有异常现象。

5.提升时发现千斤顶不同步应及时调整进油量控制千斤顶升差。提升过程中，须随时察看水箱的水平度，发现不平随即调平。提升结束后应检查各锚固牢靠，如有问题应及时锚紧，并用楔把水箱下环梁与筒身之间空隙楔紧，水箱上环梁用钢支撑固定。

《超大型倒锥水箱液压提升工法》利用自制圆形钢结构提升架、采用串联液压千斤顶群吊施工方法，通过合理布置油路控制系统，实现了地面预制水箱，整体吊装，解决了同步提升施工难题。

该工法提升安全，施工便捷，能较好的保证水塔的施工安全、质量和施工工期，提高施工效率。

荣誉表彰

2009年10月19日，中华人民共和国住房和城乡建设部以“建质[2009]162号”文件发布《关于公布2007-2008年度国家级工法的通知》，《大型中厚板塔器现场组焊应用TOFD技术检测工法》被评定为2007-2008年度国家一级工法。