苏兰林

（中铝广西分公司氧化铝厂）

压煮器是氧化铝厂提炼装置中的重要设备，其容积较大，而且带有加热管束、机械搅拌装置和传动设备，长期服役于高温、高压、强碱环境中。 因此在设备制造时难度较大，对环境要求较高，尤其是对现场焊接质量要求较高，例如封头中心法兰平面垂直度、同心度等都需要符合工艺要求。

经过长期连续操作使用后，压煮器的接管焊缝处和热影响区均有裂纹出现， 甚至出现了泄漏。 虽然该类缺陷已经得到了处理，但焊缝内部未融合、未焊透等缺陷仍未得到修复，仍会影响设备的安全运行。 在不改动原有加热管束装置和搅拌装置的基础上，设备更换部件后的使用性能仍要满足工艺要求。 为了确保设备使用安全，提高设备的经济效益，对该类缺陷进行了局部现场改造。

1 设备结构

压煮器为带有裙座结构的直立式容器，内部装有加热管束、机械搅拌装置和传动设备。 压煮器设备主要结构如图1 所示。

压煮器属于Ⅱ类容器，主要技术参数如下：

壳体规格 φ2800mm×16081mm

壳体壁厚 62mm

壳体设计压力 5.2MPa

壳体工作压力 4.3～4.8MPa

壳体设计温度 260℃

图1 压煮器设备结构示意图

壳体介质特性 NaOk（223g/L）

壳体容积 83.28m3

筒体材料 A48CPR（相当于国产Q345R）

封头材料 A48CPR

加热管束规格 原φ52mm×2.6mm

现φ57mm×4mm

加热管设计压力 6.1MPa

加热管工作压力 预热段2.4MPa

加热段5.8～5.9MPa

加热管设计温度 290℃

加热管介质 蒸汽

管束材料 TU42-C（现20#）

腐蚀裕度 1.2mm

搅拌功率 45kW

加热面积 540m2

焊缝系数 1

设备净重 97 993kg

2 设备改造要求

该设备改造的总体要求包括：更换设备上封头组件，且其尺寸、材料均不变；更换与设备焊接的接管法兰组件，其尺寸、材料、方位均不变；保留设备的其余部分，改造后设备使用性能满足工艺要求。

由于设备容积为83.28m3， 整体质量达到近100t，且其内部装有加热管束和机械搅拌装置，因此该设备无法整体拆卸后运回制造厂家进行改装，所有的改装工作必须在作业现场完成，主要包括旧体切割、改装组对、尺寸公差控制、焊接、无损检测、热处理、水压试验及设备检验验收等工作。 改造前需进行改造方案设计、强度计算、焊接工艺评定及现场测绘等工作，并制定详细的施工方案，确保改造工作顺利进行。

3 改造实施工艺过程

3.1 重新制作上封头

上封头部分的组装、焊接、探伤检测、热处理、中心法兰二次加工和封头坡口机械加工工作均按照设计要求在制造工厂内完成，封头直径以现场测量尺寸为准，考虑到热影响区材质会发生变化，封头高度为原封头高度增加20mm。图2 为压煮器上封头部件示意图。

图2 压煮器上封头部件示意图

上封头共7 个接管， 接管与上封头焊接坡口如图3 所示。 焊接过程为：按图装配点固；焊前认真清理；本接点为K 形坡角接全熔透焊缝；焊接位处平焊位；内侧焊满后，外侧碳弧气刨清根砂轮打磨； 焊后清理打上焊工钢印代号； 按GB 150—2011 第10.3.3 条 规 定 检 验 焊 缝 外 观［1］； 按NB/T 47013—2015 检验达100%-MT-Ⅰ级合格［2］；其余均按图纸要求。 焊接工艺参数列于表1。

封头下口采用U 形坡口， 半径R=15mm，角度为25°，钝边为2mm。加工时应确保封头中心法兰和封头下口同轴度， 制作完成后要加工装保护，并由相关监检部门出具合格报告后再运到现场进行安装。

3.2 现场切割原设备上封头及分配管

现场应确认与工艺管道连接的蒸汽阀已关闭，蒸汽进口管已切断，设备和现场环境安全的前提下方可进行拆除工作。

图3 接管与上封头焊接坡口示意图

为了精确切割上封头，切割时采用水平仪寻找基准划线，以原中心接管的中心为中心，再用自动坡口切割机进行火焰切割，然后按焊接工艺卡规定的坡口尺寸进行切割加工。 切口设定在原焊缝中心的下方20mm 处（焊缝上下20mm 是原焊缝的热影响区）。 为了预防筒体在切割过程中失圆，在切口下方100mm 处增设一个工装环，确保筒体环内径和外壁吻合。 封头与筒体和分配管切割分离后，采用汽车吊离并处理筒体内外壁的氧化铁及其他杂质， 然后对筒体坡口进行处理。采用V 形坡口，坡口角度为8°，钝边为2mm，应采用角向轮在坡口附件100mm 范围内进行打磨，确保坡口处光滑、平整，组装前还需进行方位线划定。

表1 焊接工艺参数

3.3 组装新上封头组件

通过工装将新制作的上封头部件与设备筒体固定，并调整对接接头的间隙为3～5mm，同时控制筒体与上封头的错边量不大于3mm。采用光线盘转动找准封头平面中心法兰的中心点，确保上封头中心法兰平面与设备轴线垂直，法兰中心轴与设备中轴线同轴， 使两者轴线误差不大于0.25mm。

确定设备组装部件的尺寸和安装精度要求后，将新制上封头和设备筒体进行点焊固定。8 块50mm 厚的固定板均匀分布，采用点焊固定，焊缝间隙为3～5mm。组装完成后，对设备进行自检，并记录产品外观、几何尺寸、对接错变量及棱角度等信息。

3.4 现场组装焊接

筒体和封头壁厚为62～64mm，焊缝坡口为外坡口形式， 封头与筒体的间隙一般应控制在3～5mm。 根据焊接工艺要求，应在对接焊缝的内侧表面附着一次性陶瓷衬垫，使设备单面焊接双面成型，同时确保焊缝内部平整。 上封头与筒体的焊接坡口如图4 所示。 焊接过程为：按图装配点固，焊前认真清理；本接点为带衬垫的单U 形坡角接全熔透焊缝；焊接位处横焊，采用连续焊接，焊后立即保温［3，4］；焊后清理打上焊工钢印代号；按GB 150—2011 第10.3.3 条 规 定 检 验 焊 缝 外 观［1］；按NB/T 47013—2015 检验达100%-TOFD-Ⅱ级合格后，超声波复查长度为20%Ⅰ级合格［2］；其余均按压煮器上封头部分更新工艺。

图4 上封头与筒体焊接坡口示意图

焊接前先用火焰将坡口温度预热到150℃，采用药芯焊丝和CO2气体保护焊进行焊接。 第1层焊接采用小电流、小电压施焊，由多人沿筒体外周同一方向连续不停机施焊，控制焊缝内层间温度为150℃左右。 焊接完成以后，焊缝应保温缓冷24h，以保证焊缝质量。

将切割的分配管与新的料管进行组焊，蒸汽分配管焊接坡口如图5 所示。

3.5 对接环焊缝无损检测与返修工作

焊接工作完成后， 按照NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》第10 部分：衍射时差法超声检测标准规定［2］，对筒体和上封头的对接焊缝进行100%超声波衍射时差法（TOFD）检测，Ⅱ级为合格。 焊缝经TOFD 检测合格后，按NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》第4 部分：磁粉检测标准规定［2］，再对该焊缝进行磁粉检测，Ⅰ级为合格。

图5 蒸汽分配管焊接工艺示意图

若焊缝检测不合格，则需返修，可采用碳弧气刨去除焊接缺陷， 再用角向轮磨光气刨表面，将表面预热至150℃后进行补焊。 焊接完成后，焊缝保温缓冷后再对返修处进行无损检测，直至焊缝全部合格为止。

3.6 焊后热处理

焊缝检测合格后，对筒体与上封头焊缝进行局部热处理以消除焊接应力。 局部热处理采用远红外电加热片加热， 加热总功率为20kW。 采用LCO 型加热器，加热器内共有20 块加热板，每块加热板长1 000mm、 宽500mm， 绝热保温层厚100mm，加热器耗电功率小于20kW，并有温控设施。

焊后热处理工艺过程如下：

a. 升温过程。 焊缝温度达到300℃之前不控温，达到300℃后控制升温速率不超过80℃/h，直到温度上升至620℃后，停止升温进行保温。

b. 恒温过程。焊缝温度达到620℃以后，恒温2.5h。

c. 降温过程。焊缝恒温2.5h 后，开始降温，降温速度应控制在90～100℃/h。 当焊缝温度降到300℃以下后，随空气冷却即可。

3.7 设备水压试验

设备制作完成后，根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》［5］中耐压试验和液压试验的要求进行试验。 设备注水前开放排气口，并封堵其余各个工艺管口，当设备内水注满后，封堵排气口。该设备试验水压为6.5MPa，保压2h 后进行相关密封部位的各项检查。水压试验合格后，放空设备内的注水，并进行清理。 设备外表面应按照工程项目规定要求重新防腐。

4 结束语

通过制定精确合理的技术方案和现场施工、焊接、检测、热处理操作工艺，对压煮器设备上封头进行更换和改造，经监检部门检查和现场实际操作评定测试，改造后的设备完全符合生产工艺要求。 由于在现场安装制作，不超标缺陷和应力会不同程度影响到焊接质量，在投用后条件允许的情况下，还要对这道环焊缝进行检测，以确保压力容器安全稳定运行。