大型中厚板塔器现场组焊应用TOFD技术检测工法

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。

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 。

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：

《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 。