CN110064350A - 一种氧化反应器钛-钢复合板封头及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧化反应器钛‑钢复合板封头及其焊接方法。封头从外向内包括钢基层和钛覆层，从上到下依次包括顶圆、焊接在顶圆周围的若干瓜瓣一、焊接在瓜瓣一下方的瓜瓣二，所述瓜瓣一和瓜瓣二错落设置，使得相邻环缝和纵缝构成T型。本发明超大型的封头由小的顶圆和上下两层瓜瓣焊接而成，小的顶圆和瓜瓣更容易生产；在瓜瓣底部的侧壁上设外箍圈，方便瓜瓣下部成圆；焊接坡口为不对称的X型坡口，可有效保证坡口根部的可达性，保证焊接质量及变形。在封头焊接过程中，采用组对及工装加固，控制每道焊缝错边量满足要求；焊接操作时，对封头进行三次翻身动作，保证封头整体成型精度及质量满足要求。

Description

一种氧化反应器钛-钢复合板封头及其焊接方法

技术领域

本发明涉及氧化反应器技术领域，具体涉及一种氧化反应器钛-钢复合板封头及其焊接方法。

背景技术

随着我国化工能源行业的平稳健康发展，钛-钢复合板压力容器的需求及制造数量日益增多，特别在PTA(精对苯二甲酸)行业发展尤为迅速。钛-钢复合板制氧化反应器是PTA装置(以对二甲苯为原料生产纤维级精对苯二甲酸的成套装置)中的关键核心设备，目前PTA装置的氧化反应器正逐步向着大型化趋势发展，封头无法采用整体成型的方法制造。为了解决以上问题，国家知识产权局于2017年2月15日公告了专利名称为“一种大型球瓣形封头”、申请号为“201620951774.7”的中国专利，该封头包括封头主体、纵筋、环筋和封板法兰，封头主体为多个弧形瓣板焊接成型，且封头主体的横截面为上拱的弧状，所述封头主体上表面呈放射状焊接有多个纵筋，所述封头主体上的相邻纵筋之间通过多个环筋固定连接，所述封头主体的下敞口端焊接有封板法兰；本实用新型结构简单，可分件运输及吊装，在现场以封板法兰为平台对弧形瓣板进行精准定位焊接，成型好，焊接质量高，加工效率高，避免整体吊装变形。但是对于直径9米以上的超大设备，现有设备无法生产如此巨大的弧形瓣板。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种采用瓜瓣顶圆分片组装焊接成型的氧化反应器钛-钢复合板封头及其焊接方法。

本发明的技术方案是：

一种氧化反应器钛-钢复合板封头，从外向内包括钢基层和钛覆层，从上到下依次包括顶圆、焊接在顶圆周围的若干瓜瓣一、焊接在瓜瓣一下方的瓜瓣二，所述瓜瓣一和瓜瓣二错落设置，使得相邻环缝和纵缝构成T型。

所述顶圆、瓜瓣一和瓜瓣二的焊接边的钢基层均为压制型，使得两两焊接边装配后形成外浅内深的不对称X型坡口。

所述钛覆层上设有覆层隔离防护层，所述覆层隔离防护层从外向内依次包括保护膜、软质木板和防火毯。

一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，包括如下步骤：

1)、将顶圆、瓜瓣一及瓜瓣二的焊接边进行坡口加工：将顶圆、瓜瓣一及瓜瓣二的各个焊接边加工成型，使得两两焊接边装配后形成外浅内深的不对称X型坡口；

2)、钛覆层剔边处理：对步骤1)中X型坡口的内侧坡口边缘8-10mm范围内的钛覆层进行剔边处理；

3)、将钛覆层贴保护膜保护；

4)、将顶圆、瓜瓣一及瓜瓣二拼接组对，并采用工装固定：将顶圆、瓜瓣一及瓜瓣二拼接组对成封头结构，封头底部开口端焊接外箍圈固定各瓜瓣二成圆，底部开口端焊接井字型工装梁进行刚性加固，瓜瓣一与顶圆之间、瓜瓣一与瓜瓣二之间采用瓜瓣筋板固定；

5)、焊前预热：将工装固定后的封头，顶圆朝下、开口端朝上放置，顶圆放置在放平筒节上，对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热；

6)、焊接：

6.1)、先从内侧自底部按层向上施焊，焊接时由底部焊道开始，向上施焊，施焊顺序以层为单位，自底而上每层焊完后，重新回到底部按同样方式进行下一层焊道的焊接；

6.2)、当内侧坡口施焊熔覆金属厚度约为0.5δ₁+0～10mm时，对封头进行第一次翻身，从外侧采用碳弧气刨或打磨清根，再从外侧施焊熔覆金属厚度约为0.5δ₂+5～10mm时,对封头进行第二次翻身，焊接封头内侧剩余坡口厚度成型；内侧施焊完成后，对封头进行第三次翻身，焊接封头外侧剩余坡口厚度成型；

6.3)、停止施焊后，采用火焰或电加热履带对焊缝进行150～300℃后热处理1～2h；

其中δ₁表示内侧坡口深度；δ₂表示钢基层厚度减去内侧坡口深度。

7)、焊接完成后，清理覆层隔离防护层，去除封头工装。

所述步骤1)中的X型坡口的内侧坡口宽为35～45mm，外侧坡口的角度为50°～60°，坡口钝边的长度为2～3mm，根部间隙为0～2mm。

所述步骤4)中封头每道纵向焊缝上均布3块瓜瓣筋板，瓜瓣一与瓜瓣二之间及瓜瓣一与顶圆之间的环形焊缝上均布有2块瓜瓣筋板。

所述步骤5)中采用火焰从外侧对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热，或者采用电加热履带从内侧或外侧对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热，预热温度≥80℃。

在所述步骤5)后对内侧坡口边缘钛覆层(7)上贴附覆层隔离防护层进行防护。

所述步骤6)中每次焊接控制层间温度为80～200℃。

本发明的有益效果是：超大型的封头由小的顶圆和上下两层瓜瓣焊接而成，小的顶圆和瓜瓣更容易生产；在瓜瓣底部的侧壁上设外箍圈，方便瓜瓣下部成圆；焊接坡口为不对称的X型坡口，可有效保证坡口根部的可达性，保证焊接质量及变形。在封头焊接过程中，采用组对及工装加固，控制每道焊缝错边量满足要求；封头内侧钛覆层剔边并采用三层结构的覆层隔离防护层，防止钛覆层熔入钢基层的焊缝使其产生裂纹，并防止钛覆层被污染；焊接操作时，对封头进行三次翻身动作，保证封头整体成型精度及质量满足要求。

附图说明

图1是封头工装布置示意图，

图2是封头焊接坡口、剔边结构及焊接防护隔离层示意图，

图3a是封头内侧焊接时放置示意图，

图3b是封头外侧焊接时放置示意图，

图4a是封头内侧施焊排布方向及顺序示意图，

图4b是封头外侧施焊排布方向及顺序示意图，

图5a是封头翻身前焊接厚度，

图5b是封头第一次翻身后焊接厚度，

图5c是封头第二次翻身后焊接厚度，

图5d封头第三次翻身后焊接厚度；

图中1是顶圆，2是瓜瓣一，21是瓜瓣二，3是瓜瓣筋板，4是外箍圈，5是井字型工装梁，6是钢基层，7是钛覆层，8是保护膜，9是软质木板，10是防火毯，11是放平筒节，12是放平钢墩，箭头表示焊接方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。

一种氧化反应器钛-钢复合板封头，如图1所示，从外向内包括钢基层6和钛覆层7，从上到下依次包括顶圆1、焊接在顶圆周围的若干瓜瓣一2、焊接在瓜瓣一2下方的瓜瓣二21，所述瓜瓣一2和瓜瓣二21错落设置，使得相邻环缝和纵缝构成T型。

所述顶圆1、瓜瓣一2和瓜瓣二21的焊接边的钢基层6均为压制型(即弯折型)，使得两两焊接边装配后形成外浅内深的不对称X型坡口(如图2所示)。、所述钛覆层7上设有覆层隔离防护层，所述覆层隔离防护层从外向内依次包括保护膜8、软质木板9和防火毯10。

一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，包括如下步骤：

瓜瓣结构的大厚板封头，焊接采用焊条电弧焊(SMAW)进行焊接，综合考虑焊接方法、设备尺寸、操作空间、坡口的加工难易度、焊接工作量等因素，将瓜瓣一2、瓜瓣二21及顶圆1的焊接处进行坡口加工及覆层剔边。

1)、将顶圆1、瓜瓣一2及瓜瓣二21的各个焊接边加工成型，使得两两焊接边装配后形成外浅内深的不对称X型坡口(如图2所示)；

X型坡口的内侧坡口宽为35～45mm，外侧坡口的角度为50°～60°，坡口钝边的长度为2～3mm，根部间隙为0～2mm。

采用X型坡口结构设计的有益效果是：可有效保证坡口根部的可达性，保证焊接质量及变形。内侧坡口宽为35～45mm，可以保证采用焊条电弧焊时，在坡口根部位置，电弧可达，且焊接坡口边缘熔合及根部熔透情况较好；钢基层6内侧较深外侧较浅的X型坡口结构，当第一次翻身后，从外侧焊接时，需先对钢基层6外侧进行清根，这样可以保证内外两侧的焊接熔敷金属厚度大致相当，有利于保证焊接变型。

2)、钛覆层7剔边处理：对步骤1)中X型坡口的内侧坡口边缘8-10mm范围内的钛覆层7进行剔边处理，

对钛覆层7剔边处理的有益效果是：可有效防止焊接时钛覆层7熔入钢基层6的焊缝。对内侧坡口的两侧8-10mm范围内的钛覆层7进行剔边处理，在采用SMAW爬坡焊接时，焊接电弧随着运条方式同步摆动，当摆动电弧至焊缝坡口边缘时，由于坡口边缘已经将钛覆层7剔去，所以电弧及熔覆金属不会损伤钛覆层7，从而避免钛覆层7金属熔入钢基层6的焊缝，可有效防止裂纹产生。

如果剔边区域＜8mm时，电弧摆动时损伤钛覆层7的概率会增大；而如果剔边区域＞10mm时，虽钢基层6焊接质量可以保证，但对后期钛贴条焊接及密封性检验影响增大，所以采用8-10mm的剔边宽度最有益。

3)、将钛覆层7贴保护膜8保护；

采用的保护膜8为牛皮纸、黑白膜等；

保护膜8可防止灰尘、铁锈、油污赃物等对钛覆层7造成的污染。

4)、将顶圆1、瓜瓣一2及瓜瓣二21拼接组对，并采用工装固定：如图1所示，将顶圆1、瓜瓣一2及瓜瓣二21拼接组对成封头结构，封头底部开口端焊接外箍圈4固定各瓜瓣二21成圆，底部开口端焊接井字型工装梁5进行刚性加固，瓜瓣一2与顶圆1之间、瓜瓣一2与瓜瓣二21之间采用瓜瓣筋板3(瓜瓣筋板3焊接在焊缝处)固定，封头每道纵向焊缝上均布3块瓜瓣筋板3，瓜瓣一2与瓜瓣二21之间及瓜瓣一2与顶圆1之间的环形焊缝上均布有2块瓜瓣筋板3；

瓜瓣板筋3、外箍圈4及井字型工装梁5采用与钢基层6材质相同或相近的钢材，尺寸根据钛-钢复合板封头的规格大小进行调整。

采用组对及工装加固的有益效果是：

a)可以控制顶圆1、瓜瓣一2以及瓜瓣二21之间每道焊缝的坡口组对错边量满足要求；

b)可以保证封头开口端及环形焊缝组对刚度，防止顶圆1、瓜瓣一2以及瓜瓣二21的下塌或变形。

5)、焊前预热：将工装固定后的顶圆1、瓜瓣一2和瓜瓣二21，将顶圆1朝下，开口端朝上放置，顶圆1放置在放平筒节11上(如图3a所示)，采用火焰从外侧对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热，或者采用电加热履带从内侧或外侧对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热，预热温度≥80℃。

6)、在内侧坡口边缘钛覆层7上进行焊接覆层隔离防护；

在内侧钛覆层7上，内侧坡口边缘至少500mm范围内采用三层覆层隔离防护层进行保护，第一层为保护膜8，第二层为软质木板9，第三层为防火毯10；

采用预热及钛覆层7防护的有益效果是：

a)可以保证钢基层6焊接焊缝质量，防止钢基层6焊接冷裂纹产生；

b)可以防止焊接时焊接人员、焊接工具等污染损伤到钛覆层7，可以有效保护钛覆层7不会受到焊接飞溅的影响。

7)、焊接：

如图4a和4b所示，焊接遵循先内后外、自下而上、周向均布、退后起焊、步调一致、按层施焊原则进行。焊接时根据封头焊缝数量安排偶数名焊工在圆周方向均布，同时开始焊接；焊接时步调基本一致，控制偏差在20％范围内；焊接采用SMAW，选择与钢基层6匹配的焊材进行焊接，因本实施例的钢基层6材质为SA516Gr70(属于中、低温压力容器用碳钢板)，所以选择E7015焊条进行焊接，具体焊接工艺参数如表1所示。

表1封头焊接工艺参数

在每个T型接头处退后至少100mm以外起弧；焊工先从内侧自底部按层向上施焊，焊接时由底部焊道开始，向上施焊，施焊顺序以层为单位，自底而上每层焊完后，重新回到底部按同样方式进行下一层焊道的焊接。

焊接时根据封头焊道数量安排偶数名焊工在圆周方向均布，同时开始焊接，焊接过程保持每名焊工的焊接速度基本一致，偏差在20％以内；

焊接操作时，当内侧坡口施焊熔覆金属厚度约为0.5δ₁+0～10mm时(如图5a所示)，对封头进行第一次翻身，从外侧采用碳弧气刨或打磨清根，再从外侧施焊熔覆金属厚度约为0.5_δ2+5～10mm时(如图5b所示),对封头进行第二次翻身，焊接封头内侧剩余坡口厚度成型；内侧施焊完成后(如图5c所示)，对封头进行第三次翻身，焊接封头外侧剩余坡口厚度成型(如图5d所示)；

δ₁内侧破口深度；δ₂钢基层厚度减去内侧破口深度；

对内侧施焊时，将工装固定后的封头开口朝上，顶圆1放置在放平筒节11上(如图3a所示)，从外侧施焊时，将工装固定后的封头开口朝下，将井字型工装梁放置在放平钢墩12上(如图3b所示)；

每次焊接控制层间温度为80～200℃，停止施焊后，采用火焰或电加热履带对焊缝进行150～300℃后热处理1～2h。

采用规定的焊接排布、顺序、翻身时机要求及焊接技术要求的有益效果是：

a)可以进一步保证钢基层6焊缝的焊接质量，特别是T型接头处的质量；

b)可以进一步控制钢基层6焊接过程中的变形，保证封头整体成型精度及质量满足要求。

8)、焊接完成后，清理覆层隔离防护层，去除封头工装。

按照NB/T47013对焊缝进行无损检测，并按照承压设备热处理的相关规程对封头进行焊后热处理。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氧化反应器钛-钢复合板封头，其特征在于，从外向内包括钢基层(6)和钛覆层(7)，从上到下依次包括顶圆(1)、焊接在顶圆周围的若干瓜瓣一(2)、焊接在瓜瓣一(2)下方的瓜瓣二(21)，所述瓜瓣一(2)和瓜瓣二(21)错落设置，使得相邻环缝和纵缝构成T型。

2.根据权利要求1所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头，其特征在于，所述顶圆(1)、瓜瓣一(2)和瓜瓣二(21)的焊接边的钢基层(6)均为压制型，使得两两焊接边装配后形成外浅内深的不对称X型坡口。

3.根据权利要求1所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头，其特征在于，所述钛覆层(7)上设有覆层隔离防护层，所述覆层隔离防护层从外向内依次包括保护膜(8)、软质木板(9)和防火毯(10)。

4.一种权利要求1所述的氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、将顶圆(1)、瓜瓣一(2)及瓜瓣二(21)的焊接边进行坡口加工：将顶圆(1)、瓜瓣一(2)及瓜瓣二(21)的各个焊接边加工成型，使得两两焊接边装配后形成外浅内深的不对称X型坡口；

2)、钛覆层(7)剔边处理：对步骤1)中X型坡口的内侧坡口边缘8-10mm范围内的钛覆层(7)进行剔边处理；

3)、将钛覆层(7)贴保护膜(8)保护；

4)、将顶圆(1)、瓜瓣一(2)及瓜瓣二(21)拼接组对，并采用工装固定：将顶圆(1)、瓜瓣一(2)及瓜瓣二(21)拼接组对成封头结构，封头底部开口端焊接外箍圈(4)固定各瓜瓣二(21)成圆，底部开口端焊接井字型工装梁(5)进行刚性加固，瓜瓣一(2)与顶圆(1)之间、瓜瓣一(2)与瓜瓣二(21)之间采用瓜瓣筋板(3)固定；

5)、焊前预热：将工装固定后的封头，顶圆1朝下、开口端朝上放置，顶圆(1)放置在放平筒节(11)上，对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热；

6)、焊接：

6.1)、先从内侧自底部按层向上施焊，焊接时由底部焊道开始，向上施焊，施焊顺序以层为单位，自底而上每层焊完后，重新回到底部按同样方式进行下一层焊道的焊接；

6.2)、当内侧坡口施焊熔覆金属厚度约为0.5δ₁+0～10mm时，对封头进行第一次翻身，从外侧采用碳弧气刨或打磨清根，再从外侧施焊熔覆金属厚度约为0.5δ₂+5～10mm时，对封头进行第二次翻身，焊接封头内侧剩余坡口厚度成型；内侧施焊完成后，对封头进行第三次翻身，焊接封头外侧剩余坡口厚度成型；

6.3)、停止施焊后，采用火焰或电加热履带对焊缝进行150～300℃后热处理1～2h；

其中δ₁表示内侧破口深度；δ₂表示钢基层厚度减去内侧破口深度。

7)、焊接完成后，清理覆层隔离防护层，去除封头工装。

5.根据权利要求4所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，其特征在于，所述步骤1)中的X型坡口的内侧坡口宽为35～45mm，外侧坡口的角度为50°～60°，坡口钝边的长度为2～3mm，根部间隙为0～2mm。

6.根据权利要求4所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，其特征在于，所述步骤4)中封头每道纵向焊缝上均布3块瓜瓣筋板(3)，瓜瓣一(2)与瓜瓣二(21)之间及瓜瓣一(2)与顶圆(1)之间的环形焊缝上均布有2块瓜瓣筋板(3)。

7.根据权利要求4所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，其特征在于，所述步骤5)中采用火焰从外侧对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热，或者采用电加热履带从内侧或外侧对待焊的X型坡口两侧至少150mm范围内进行预热，预热温度≥80℃。

8.根据权利要求4所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，其特征在于，在所述步骤5)后对内侧坡口边缘钛覆层(7)上贴附覆层隔离防护层进行防护。

9.根据权利要求4所述的一种氧化反应器钛-钢复合板封头的焊接方法，其特征在于，所述步骤6)中每次焊接控制层间温度为80～200℃。