王友龙，刘颖，范伯鑫，翟大虎(青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266426)

0 引言

近年来，随着国家节能环保要求的日益提高及汽车国VI排放标准在各地的陆续实施，对油品质量的要求也逐步提升，其中S-Zorb催化汽油吸附脱硫装置，因其脱硫效果好、反应快、辛烷值损失小、能耗低的优点，逐步成为油品质量升级的重要手段[1]。同时随着产能的逐步提升，从150万吨/年，到180万吨/年，再到现在的240万吨/年，设备趋向大型化发展。

脱硫反应器是S-zorb装置中最核心、最关键、价值最高的设备且设备材质特殊，采用抗氢钢，整体热处理、设备为长周期制造设备，其制造工艺较为复杂，设备大型化后对其制造又提出了新的挑战和要求。

1 产品结构特点

脱硫反应器上下段筒体分别为大小径，中间通过锥体连接；最后两节筒节及下封头位置采用内壁堆焊形式；反应器内件从下往上依次为：入口分配器、中间分配盘和降尘器。

2 主要设计参数

脱硫反应器主要设计参数如下。设计标准：NB/T 47041—2014；介质：氢气、油气、吸附剂；设计压力：4.26 MPa；设计温度：470 ℃；设备净重：180 t。

主要零部件材料及规格如下。封头：SR1990×62、SR1083×38，材 料：12Cr2Mo1R(H)；筒 体：φ3 960×3 200×78/84，φ2 160×27 000×46/64/48；材料：12Cr2Mo1R(H)。

3 主要制造工艺

3.1 上封头制造

本产品上封头采用拼板后整体热冲压成型，成型后进行正火(允许加速冷却) +回火热处理。

考虑到12Cr2Mo1R(H)材质在随封头热处理后性能下降，回厂后需对拼缝位置进行置换焊肉处理，置换焊肉时，封头端口需加装内箍圈，拼缝内、外侧需加装置换焊肉用拉筋板。优先对外侧置换焊肉，后对内侧置换焊肉，以有效控制封头变形及减少封头翻转工序。

3.2 下封头制造

本产品下封头采用整体热冲压成型，成型后进行正火(允许加速冷却) +回火热处理，回厂后堆焊封头内壁、组焊加强接管并探伤合格。

3.3 筒节制造

本产品规格为φ3 962 mm，δ=78/84 mm的筒节先拼板后卷制成型，考虑筒体在卷板过程中的碾长因素，在筒体合口前需对筒节盘外周长后重新进行二次号线，以保证筒节最终成型后直径尺寸符合图纸要求。同时因壁厚较厚，在卷板之前，需在钢板两端各留150 mm的卷板直头，在筒节二次号线时同时去除，以保证筒节卷制的成型曲率。规格为φ2 160 mm，δ=46/64/48 mm的筒节，因筒节壁厚较薄，直径较小，碾长量可忽略不计，同时卷板直头可在筒节校圆时修正，因此该筒节无需留直头及二次号线。

3.4 锥体的制造

本产品共2节翻边锥体，锥体采用先分瓣成型再组焊为整体的方式制造。要求母材试件与对应锥瓣经历相同热处理。

3.5 总装

设备总共分三段组装，第一条总装缝位置为壳体锥后第二个筒节与第三个筒节间环缝，第二条总装缝为最上面一节碳钢裙座与下一节碳钢裙座间环缝。

(1)上段组装。组装上段筒体与封头、锥体间环缝，计算上段重心位置，在适当位置加装配重，以保证安全。由于筒体直径大、壁厚薄，组焊大接管(人孔接管)时需在接管底部加装防变形支撑，防止焊接过程中发生较大变形。上段进炉终退前，所有法兰密封面需涂防高温润滑剂，同时需在大直径处筒体两端加装热处理支撑，在总装缝端口位置加装总装缝支撑，防止发生热处理变形。终退后，为保证人孔平面度需重新加工人孔(M3)接管法兰密封面并探伤合格。

(2)下段组装。组装下段堆焊筒体间环缝，按图纸及焊接工艺进行筒体内壁堆焊。组焊筒体间环缝，组装时要求测量筒体直线度，直线度小于等于筒体长度的千分之一，且应保证设备整体直线度不大于15 mm。可调节筒体环缝错边情况来调整筒体直线度，保证筒体直线度满足要求。组装接管、内件预焊件等。组焊下封头组件、裙座第一节碳钢段，再组焊下弯管组件。下段进炉终退前，所有法兰密封面需涂防高温润滑剂，同时加装终退支撑进行最终退火热处理。终退后，为保证人孔平面度需重新加工人孔(M1、M2)接管法兰密封面并探伤合格。

(3)裙座总装。组焊裙座底座环、筋板、盖板及裙座碳钢段环缝，探伤合格，组焊内件、外附件，加装终退支撑后进行最终退火热处理。

(4)总装。分别组焊上段、下段及裙座碳钢段总装缝。组装筒体上下段时应注意上段大直径筒体处下方需摆放滚轮架，防止总装缝拉筋板强度不够，导致上段坠落，总装缝拉筋板规格应不小于500×300×50，根据筒体直径设置拉筋板数量，要求拉筋板与筒体周圈连续焊。焊接合格后总装缝电加热终退，电加热前在总装缝两侧加装防变形支撑。

4 产品制造难点及控制措施

4.1 顶部大法兰的制造

上封头顶部大法兰作为吸附剂过滤口，其平面度公差要求0.8 mm，其制造质量直接影响吸附脱硫效果。

为保证其最终密封面的平面度要求，对于顶部大法兰密封面位置留10 mm的加工余量。封头平端口后，在距封头端口50 mm处打一圈样冲眼标记作为

检查点，组装大法兰及筒体时均以该检查点为基准进行组对，以尽可能减小封头组件与筒体及大法兰接管装配偏差对大法兰平面度的影响。上封头在组焊顶部大法兰时需在顶部大法兰底部加装钢管支撑，防止焊接时发生塌腰。大法兰密封面的加工在与接管(件2)及球形封头组焊完成并终退后进行，以减少终退变形对法兰平面度的影响。通过上述方案控制平面度，可有效满足设计文件要求。

4.2 分配盘的制造和堆焊

分配盘作为脱硫反应器中的专利内件，直径大而薄、且上下表面堆焊层厚度不同(下表面单层堆焊4 mm的E347；上表面堆焊3 mm的E309L和3.5 mm的E347)，要求堆焊完成后分配盘上表面平面度不超6 mm，焊接防变形控制是制造的重难点。

现常用的制造方法主要从焊接方式上加以控制，辅以校平后机加工的方式进行。传统制造方式工序复杂且在一定程度上存在焊材浪费的现象。按传统的电渣焊带极堆焊+局部手工焊的制造方式[2]，我公司总结的分配盘堆焊变形情况如下：对于直径约φ2 000 mm，壁厚约为100 mm的分配盘，单层堆焊变形量通常为6～8 mm；双层堆焊的变形量通常为13～15 mm。

本产品分配盘直径φ1 976 mm，基层厚度100 mm，要求上表面双层堆焊(6.5 mm)，下表面单层堆焊(4 mm)，采用预留反变形制造工艺如下：基层加工时，采用堆焊反变形原理，将基层下表面加工为凹面(下凹3 mm)→堆焊时先堆焊下表面(4 mm)→退火(消应力)→测量平面度(下凹约11 mm)→加工上表面，保证基层厚度及一定反变形量(下凹约14 mm)→堆焊上表面过渡层→测量平面度(下凹约8 mm)→退火(消应力)→再堆焊上表面表层→测量平面度(下凹约2 mm)→消除应力热处理→测量平面度(整体平面度＜6 mm)。

采用留反变形量方法进行制造，可以使分配盘堆焊完成后表面平面度符合图纸要求，堆焊时无需留堆焊层加工找平余量，既节约焊材又减少了加工工序。分配盘堆焊加工完成后与过渡段组焊，立车加工分配盘与过渡段环缝，分配盘划钳、钻孔，再将分配盘与盖板演装。组焊过渡段与封头，再组焊裙座短节。

4.3 分配盘与分配元件安装问题

图纸要求分配元件直径为φ48，而分配盘钻孔要求为φ48+10；部分分配盘孔直径按负偏差加工，实测直径φ48；二者无法顺利装配，建议分配盘孔直径为φ48.5～49 mm，注意公差应满足零件装配要求。

4.4 大法兰水压试验盲板的选择

压力容器制造中，大直径接管的封堵一直是水压试验的难点，常见的试压盲板结构形式有：椭圆封头、平盖、盲板法兰和法兰盖等[3]。本产品顶部大法兰为敞口法兰，试压参数如下：螺栓孔中心圆直径为φ1 905 mm，法兰中心孔直径为φ1 550 mm，法兰盘外径为φ2 040 mm，螺栓孔数量36个，螺栓孔直径φ74 mm，水压试验压力为6.91 MPa。

按GB150.3—2011中5.9.3圆形平盖厚度计算公式[4]：

所需试压平盖厚度较厚，常用的Q345R材料钢板仅有100 mm厚，结合实际，最终采用两块100 mm厚钢板下料后周圈拼焊、退火、MT、RT合格后立车加工成对应法兰WN形式，并组焊试压封头后进行水压试验。

通过上述方案，有效减少了试压盲板所需厚度，同时满足试压要求。STL1口接管与STL2口接管均为补强管形式，需在端口留余量并组焊试压封头，由于设备需充氮发货，要求试压封头厂内不用气割去除，随产品发往用户现场，待后续设备就位后去除。

4.5 STL1口内接管组焊问题

设备STL1接管为斜马鞍形式，内接管组焊时部分位于STL1接管内孔圆角部位，焊接时局部出现凹陷缺肉，后期制造时需在内接管长度方向留20 mm余量，根据实际情况进行演装后去除余量，同时保证此处焊脚高满足设计要求并打磨圆滑。

4.6 人孔塞筒问题

人孔内塞筒组件中顶板下料时需留余量，待组焊后加工上表面，加工时可以考虑将人孔塞筒与人孔法兰点焊固定后，再立车加工顶板上表面。

4.7 降尘器组装问题

4.7.1 对降尘器连接螺栓强度进行计算

螺栓剪切强度的计算：

采用 M30 螺栓，材料选用 S32168，[τ]=0.6[σ]=0.6×137=82.2 MPa；

A=π×(0.027/2)2=5.73×10-4m2；

Q=82.2×106×5.73×10-4=47 101 N；

在卧式运输时，假设极限状态，降尘器所有的重量被同一截面的两个螺栓承担，可以承担的剪切力为：2Q=94 202 N。计算出可以承担的降尘器重量：9 420 kg。

由此看出，螺栓可以承受的剪切力远远满足需要。

4.7.2 连接板开孔部位强度计算

连接板材质 S32168，[σ]=137 MPa；

连接板最小厚度δ=16，长度200 mm，同一横截面上两个φ33螺栓孔，板厚按δ=16核算：

受力面积A=(200-33-33)×16×10-6=2.14×10-3m2；

连接板受力为：

F=[σ]×A=137×106×2.14×10-3=293 000 N，计算出可以承担的降尘器重量：29 300 kg。

由此看出，连接板强度远远满足需要。经计算，降尘器连接板及螺栓所能承受吨位远远高于降尘器本身重量，故优先采用厂内卧式安装方案。产品发货前内件安装发货，主要包括降尘器、分配盘盖板(含石墨垫片)、人孔塞筒组件(含陶纤绳)、压力计口组件等。

4.8 产品制造转胎放置问题

由于产品结构特点上部直径大，中部及下部直径小，且设备外附件较多，产品组装时需考虑滚轮架摆放位置，保证组装件重心位于两滚轮架之间，不允许出现产品悬空。

4.9 三角架组装问题

本产品设备外部三脚架及导向支架组焊时应进行演装，若遇到预焊件与设备环缝相碰，需保证环缝探伤合格后焊接预焊件，或跳过环缝位置不焊。

4.10 气密性试验

为有效保证设备密封性，近年来，压力试验逐步由水压变更为水压加气密的形式。试验时需考虑气密性实验工艺用料，进气口、排气口的设计，试压时间及安全距离的计算等，实际操作中做好安全应急预案。

气密性试验进行时，如发现有异常响声、压力下降、加压装置发生故障或者压力表失灵、有泄漏时，应立即停止试验，待查明原因并排除故障，补焊合格后重新进行气密性试验。在试验时，严禁打压敲击、拧紧螺母、移动容器、进行补焊或进行其他非检验操作[5]。

5 结语

脱硫反应器制造工艺复杂，通过对脱硫反应器制造难点的分析，逐步完善并改进现有制造工艺，为同类产品的制造提供参考经验。