马冬和 王凤云 潘 静 张 涛 王志刚 厚喜荣

（1.兰州兰石重型装备股份有限公司；2.甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室；3.兰州兰石重工有限公司）

费托合成反应器由固定床反应器发展到循环流化床、固定流化床和浆态床反应器。 循环流化床反应器难以控制流化过程，催化剂磨损严重而且利用率低； 固定床反应器的缺点是易堵塞、生产能力低等，相比循环流化床反应器，固定流化床反应器不仅结构简单容易操作、也解决了催化剂利用率低和易磨损的问题， 提高了生产能力。 近几年，浆态床费托合成技术得到大力发展，浆态床反应器是一个气液固三相反应器［1］，反应器内有气相、固相、液相，相比循环流化床、固定流化床反应器，其优点是能实现低温费托合成反应、反应热易移出、反应温度均匀及生产能力大等。

笔者介绍了大型浆态床费托合成反应器的关键制造技术，提出费托合成反应器现场制造过程中的难点，希望可对同类设备的制造起到参考作用， 提高我国石化装备制造业的现场制造能力，推进我国煤化工核心装备国产化的进程。

1 设备介绍

浆态床费托合成反应器采用自支承塔式容器结构，设备内径9 600mm，壁厚130mm，高度约61 380mm，设备重量（不包括内件）约2 200t，设计压力3.5MPa，设计温度300℃，工作介质为液体石蜡、H2、CO、CO2，是目前国内直径最大、设备重量最重的板焊式反应器， 壳体材料为SA387Gr11Cl2，附件材料为S32168。 本设备壳体材料焊接接头易产生延迟裂纹，焊接过程应严格按照焊接工艺要求执行，焊前进行预热，预热温度主要依据钢的碳当量、接头的拘束度和焊缝金属的氢含量来确定［2］。焊后及时后热或消氢处理。现场制造过程中筒体的防变形、起吊、环缝的焊接及预热后热等都需要设计专门的工装，部分工装还可以做成通用模块，以节约工装用材料的费用。

2 主要制造难点控制

2.1 大型球形封头的制造

浆态床费托合成反应器采用半球形封头，规格为SR4 820mm，壁厚92mm，整体成型困难，需采用瓜瓣式结构（图1），由1 块极中板、2 块极边板和12 块温带板组成［3］，经油压机压制成型、气割坡口和演装合格、编号后再运至现场厂房内进行组焊工作。

图1 费托反应器封头分瓣示意图

半球形封头的制造与球形储罐的类似，但是质量控制要更严格，主要从以下几个方面控制：

a. 封头瓣片冷压制成型，成型后采用专用样板和卷尺测量曲面精度、对角线弦长及弧长等尺寸，严格控制封头瓣片对角线弦长偏差±3mm，弧长偏差±2.5mm；

b. 为保证球形封头的组装精度，封头瓣片周边余量和坡口采用曲面数控切割机器人进行轮廓气割，此设备采用机器人六轴联动方式，移动速度无级调速，具有智能视觉跟踪系统，可自动跟踪钢板上已经划好的切割轨迹线， 完成余量和坡口的自动切割，无需人工铺设轨道，成型精度高；

c. 焊接质量控制，球形封头在整体演装合格后，按照先纵缝后环缝、先外侧后内侧、先焊接拱顶的拼缝，再焊接瓜瓣的拼缝，最后焊接拱顶与瓜瓣的环向对接焊缝的焊接顺序施焊，设备封头的焊缝坡口形式如图2 所示。

图2 设备封头焊缝坡口形式示意图

焊接采用立焊和横焊焊条电弧焊，焊缝焊接前进行预热，采用较小的线能量输入。 控制焊接层间温度，纵向瓜瓣焊接时4 人或8 人同时对称施焊，从而尽量减小焊接接头的变形量，并且焊后立即按照焊接工艺对每条焊缝进行消氢处理（保温温度为300～350℃，保温时间3h）［4］。

2.2 筒体成型

浆态床费托合成反应器筒体直径为9 600mm，材料为SA387Gr11Cl2 钢板， 筒体长47 500mm，板厚132mm，共分为24 个筒节，单节（最长节为2 600mm）重量为81 105kg。 由于我国现阶段煤化工项目主要建在新疆、内蒙古、陕西及山西等内陆地区，因此设备只能采取陆路运输，但受运输能力的限制，筒节采用陆路运输非常困难，而且对于这种大型筒节，整体卷制、校圆困难，综合考虑成本因素，采用经济高效的“移动工厂”制造模式，在现场配制卷板机、油压机等设备，可节约运输成本。 每节筒体分3 瓣在用户现场先采用油压机对两端进行压头，然后在现场卷板机上冷态卷制成型， 尺寸检查合格后3 瓣筒体采用立式组焊，焊接后单节筒体3 条纵焊缝采用内外布置电加热带加热的方法进行中间退火热处理。 配备的卷板机、油压机等设备还可为现场其他超限设备的制造服务，实现资源共享，可有效降低项目建设的综合成本。

2.3 筒体环缝组焊

受现场焊接设备能力的限制，大型超限设备环焊缝由于高度高，不易实现自动焊接，手工焊接效率低，焊缝质量不能保证。 因此，设计了一种集成式大型设备环缝焊接操作平台（图3），将自动焊接设备、高空防护、户外恶劣环境施工防护功能集成在一起，解决了大直径厚壁容器环缝现场焊接的难题，实现了自动化焊接，提高了产品质量和焊接效率； 为防止焊接接头产生延迟裂纹，采用环形加热工装充分燃烧天然气，对环缝进行焊前预热，预热温度为150～200℃，焊接完成后立即进行消氢处理，以加快焊缝和热影响区中氢的逸出，降低冷裂纹产生的可能性，消氢处理温度300～350℃，保温6h［5，6］。 焊接操作平台操作简便，可有效保护现场施焊人员的安全；改善现场劳动条件，可在风、雨、雪、寒冷及酷暑等极端天气环境中的作业。

图3 大型设备环缝焊接操作平台

2.4 筒体削边

费托合成反应器球形封头和筒体对接部位为不等厚结构，为保证对接部位焊接质量并减小焊接应力，筒体端部需削边长度439mm。 对于削边长度小的筒体可在卷板前利用刨边机加工，本设备削边长度超过了刨边机的加工范围，不可能在现场大型立车加工。 制造单位创造性地提出利用半自动气割设备配合滚轮胎，按待加工筒体切削尺寸和角度要求， 调整切割机火嘴的角度，利用滚轮胎上转动， 实现了大长度削边筒体的加工，针对火焰切割的坡口，预留3mm 打磨量，打磨掉火焰切割后产生的淬硬层［7］。 此方法极大地缩短了生产周期、提高了生产率、节约了制造成本、改善了现场加工的难度，为现场制造的大型设备筒体削边提供了新的解决方法。

2.5 分段设备的组装

设备共分为7 段（图4），上封头+第24 节筒体段、第1 节筒体段+下封头+裙座、中间筒体五大段，组装分段设备所有需要最终热处理前焊接的附件。 段与段组对后筒体端口加米字形防变形支撑，利用大型设备环缝焊接操作平台进行窄间隙埋弧自动焊焊接，保证焊接质量。

图4 浆态床费托合成反应器制造分段简图

本设备筒体上接管数量多（约200 个），位置集中，其中有两圈筒上周圈均布48 个接管，应力非常集中。 为保证接管与筒体的焊接质量和减少焊接变形，接管外侧采用马鞍型埋弧自动焊机进行焊接，内侧采用手工焊接，焊前预热、焊后后热采用专门设计的圆形接管焊缝加热工装，对筒体上大开孔接管和接管集中部分的筒体进行炉内中间热处理，充分释放焊接应力。

分段设备卧式组装后热处理有卧式和立式两种热处理方式，采用卧式热处理好处是减少了分段设备的翻转，但是变形不易控制。 筒体中间部分采用卧式热处理， 出炉后筒体椭圆度超差20mm，不满足图纸要求，经过修复后后序所有部段的最终热处理均采用立式组装式热处理炉进行，出炉后筒体椭圆度满足图纸要求。 热处理炉的搭设地点应考虑放置在现场门式起重机操作范围内，以减少转运和吊装成本。

组装式热处理炉为模块化快装型结构，适用于现场制造的规格尺寸或重量超限无法使用固定式热处理炉进行处理，或虽可完成热处理但却不能进行运输的设备，模块化快装式热处理炉适应尺寸范围广泛，装配搬迁便捷，不受使用地域的限制，热处理质量稳定、控制可靠且效果理想。

2.6 无损检测

设备筒体和封头上纵、环焊缝图纸要求采用100%RT+100%UT+100%MT 检测。 实际现场用TOFD 检测代替RT 检测，TOFD 法克服了常规超声波探伤的某些固有缺点，缺陷的检测和定量不受声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力等因素的影响［8］，可较为准确地判读埋藏缺陷的深度、 长度及自身高度等尺寸，对裂纹类面状缺陷相当敏感，使用成本低，不需要特殊防护，而射线检测对危害性较大的裂纹类缺陷不敏感，对于大厚度板钢板射线检测出裂纹的概率很低。 因此制定了严格的无损检测工艺，通过合理选取探头、试块，合理设置时间窗口、扫查灵敏度、扫查增量及信号平均处理次数等工艺参数，保证了焊缝缺陷的检出率。

2.7 底部封头气体分布板焊接变形的控制

下封头部位气体分布板， 直径9 500mm，厚度80mm，不能整体运输，需要分3 块在厂内加工坡口，螺栓连接孔钻孔后在现场组焊，组焊后平面度要求不大于5mm，分布板平面度直接影响到工艺合成气的分布和反应效率，因此必须严格控制焊接变形：拼接坡口采用对称双U 形，减小坡口宽度，通过控制焊接规范，采用多层多道焊，以减少焊接时的热输入量，焊接时严格控制层间温度；制定合适的焊接顺序，多人对称焊接，分段退步焊接， 焊接过程中随时测量支撑板平面度，若变形超差则采取反面施焊恢复变形量。

2.8 设备总装

本设备共分上、下两大段制造组装，上段为上封头加一节筒体，其余筒体和裙座为下段。 上段和下段各分段（图4 所示位置）分别在热处理炉内立式进行最终热处理。 下段各分段在现场大件厂房内卧式组装，各分段之间环焊缝的最终热处理由于受到长度的限制， 只能采用内外布置电加热带加热的方法进行，电加热带加热宽度、保温宽度应符合GB 150.1～150.4—2011《压力容器》的相关规定（图5）［9］。 为保证热处理效果，电加热带加热范围内的均温带应覆盖整个焊接接头和相邻母材，均温带范围内任意一处温度不得比规定的温度低，绝热带要保证热效率，不能产生不利的温度梯度。

图5 局部焊后热处理示意图

设备下段在装置现场采用液压提升装置（2 600t/71.66m） 主吊、1 000t 级履带式起重机（XGC15000 型）溜尾的方法进行吊装就位［10］，下段就位完成后，紧接着完成费托合成反应器内件的安装工作，下段整体验收合格后，吊装上段，进行上、下两段总装焊缝的空中立式组焊，采用焊条电弧焊横焊焊接，多人对称同时施焊，空中组焊位置做好防风措施， 焊前预热温度为150～200℃，严格控制层间温度，焊接顺序为先焊内侧，内侧焊接一半后，外侧清根并打磨干净，焊完外侧（期间保持预热），最后焊完内侧并立即进行消氢处理（保温温度300～350℃，保温时间3～4h）。无损检测合格后采用内外布置电加热带加热的方法进行总装缝的最终热处理，最后进行立式水压试验、探伤等工作。

3 结束语

通过对大型浆态床费托合成反应器的研制，兰州兰石重型装备股份有限公司掌握了大型厚壁球形封头的成型技术、大直径筒体环缝的自动焊接技术、超大设备现场热处理技术及TOFD 无损检测技术等核心制造技术，制造过程中开发设计的大量工装模具，保证了产品质量，为设备运行提供了安全保障。 随着各类化工装置规模更加大型化，大型浆态床费托合成反应器的研制成功可为类似大型设备的制造、无损检测提供借鉴。