大型不锈钢发酵罐制作
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产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 ５ 期
大型不锈钢发酵罐制作
□曹九玲 马 兴
【摘 要】大型不锈钢发酵设备由于直径大，设备高及钢板厚等特点，其主要元件焊接后变形、成型组装很难控制，制作过程中 采用合理的焊接施工工艺和组装顺序，有效的控制焊接中出现的问题，才能保证焊接质量，顺利完成设备整体制作。
纹产生的诱因。为了防止焊接热裂纹，正确的选择焊丝和焊 剂，采用合理的焊接工艺参数、接头坡口，减少接头的拘束度 和安排合理的焊 接 顺 序，以 控 制 熔 深 和 焊 道 形 状，减 少 焊 接 热裂纹倾向。 埋 弧 自 动 焊 的 焊 接 接 头 热 输 入 大，熔 池 体 积 大，冷却速度小，高温停留时间长，均有促进奥氏体钢元素偏 析和组织过热倾向，为了减少热输入，采用小的焊接电流，并 在焊接起弧和收 弧 处，加 引 弧 板 和 收 弧 板，并 填 满 弧 坑。 另 外，须避免强行组对，减少焊接应力，降低裂纹的产生。
2． 耐蚀性的控制。奥氏体不锈钢易产生晶间腐蚀和应 力腐蚀，首先，由于 在 多 层 焊 的 前 层 焊 缝 热 影 响 区 达 到 敏 化 温度的区域，在晶 界 上 容 易 析 出 铬 的 碳 化 物，形 成 贫 铬 的 晶 粒边界。若该区恰好露在焊缝表面并与腐蚀介质接触，而发 生晶间腐蚀。其次，在保证焊接质量的前提下，采用小电流， 快速焊和短弧窄道焊，以减少热影响区的范围。在进行双面 焊接时，与腐蚀介质接触的焊缝最后施焊。焊后做酸洗钝化 处理，增强耐腐 蚀 能 力。 在 焊 接 材 料 的 选 择 方 面，宜 选 用 具 有良好力学性能及抗晶间腐蚀性能的焊材。再者，奥氏体不 锈钢因热导率小，线 胀 系 数 大，焊 后 存 在 较 大 的 焊 接 残 余 应 力，为应力腐蚀开裂创造了必要条件； 在焊接热过程导致接 头碳化物析出敏化，促进了应力腐蚀的发生。其预防措施主 要有： （ 1） 减小或消除残余应力。（ 2） 选用抗应力腐蚀性能好 的母材或焊接材料。（ 3） 对焊件表面进行处理，提高耐蚀性。
【关键词】奥氏体不锈钢； 封头； 筒体； 焊接； 热裂纹； 腐蚀控制； 设备组装 【作者单位】曹九玲，马兴； 华北制药股份有限公司设备制造安装分公司
一、引言 发酵设备在整个制药、生物开发过程中起着特别重要的 作用，它提供了微 生 物 的 生 长、繁 殖、代 谢 的 生 化 反 应 场 所。 广泛使用于抗生素、L － 乳酸、氨基酸等各个领域。近年来， 对大型发酵设备的需求日益增多。 本文结合华北制药股份有限公司设备制造安装分公司 承建的 556m3 不锈钢发酵罐，介绍了不锈钢发酵设备的焊接 方法、施焊工艺、主要零部件制作及现场的组对组装，为大型 发酵设备的制作积累了经验。 二、项目简述 本设备罐体由圆柱形筒身和上下标准椭圆形封头焊接 而成，设备内径 Ф6800mm，筒身高 13000mm，设备净重 79． 7 吨，材质： 0Cr18Ni9。发酵罐由立式蛇管作为传热装置，罐壁 外半管加热，裙座支承等特点。 三、奥氏体不锈钢的焊接 主要受压元件： 封头、筒体板材材质均为 0Cr18Ni9，属于 奥氏体不锈钢，这类材料比其他不锈钢容易焊接。在焊态下 奥氏体不锈钢接头有较好的塑性和韧性。材料为固溶处理 状态交货。适于制 造 要 求 耐 腐 蚀、抗 氧 化、耐 高 温 的 发 酵 设 备。 （ 一） 主要焊接方法的选择。公司多年来对埋弧自动焊 接技术的掌握较 牢 固，有 合 格 的 焊 接 工 艺 评 定，且 焊 接 工 艺 参数稳定，焊缝成 分 和 组 织 均 匀，外 观 成 形 光 洁，无 飞 溅，因 而封头及筒体对接接头的焊接均选用埋弧自动焊的焊接方 法。 （ 二） 奥氏体不锈钢的焊接特点及控制措施。奥氏体不 锈钢的可焊性良好。焊接过程中主要问题是容易出现热裂 纹、脆化、晶间腐 蚀 和 应 力 腐 蚀。 此 外，因 导 热 性 能 差，线 胀 系数大，焊接应力和变形较大。因此，主要控制焊接热裂纹、 耐蚀性和引起的变形。 1． 焊接热裂纹的控制。焊接过 程 中，由 于 焊 缝 化 学 成 分、焊缝金相组织、焊接应力、焊接工艺的影响都可以成为裂
3． 焊接变形控制。焊接过程是对整个焊件来说是不均 匀的加热过程，焊 接 时 在 高 温 的 作 用 下，热 自 由 膨 胀 受 到 周 围金属的阻碍，于 是 发 生 了 压 缩 塑 性 变 形，则 冷 却 后 一 定 发 生缩短变形，即沿焊缝长度方向的纵向缩短和垂直于焊缝长 度方向的横向缩短。正是由于这两个方向上的缩短，造成了 焊接件的各种变形。采用小线能量焊接、选择合理的装配和 焊接顺序、利用反 变 形 法、采 用 夹 具 刚 性 固 定 以 及 焊 后 用 小 锤锤击焊缝等都可以控制不锈钢的焊接变形。在发酵罐零 部件制作过程中需遵照各相应的焊接特点施行，保证产品质 量。
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产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 5 期
四、零部件的制作 设备 主 要 零 部 件 如 封 头、筒 体、蛇 管、半 管、裙 座 各 制 作 环节的工艺质量控制，保证了设备整体组装顺利完成。 （ 一） 封头。由于直径大，考虑运输和加工因素，封头压 制前料片拼接应尽量少，每个封头由 9 瓣拼接而成，施工工 艺如下： 订制钢板直接运至专业封头压制厂 － 材料确认验收 － 按排版图下料 － 加工坡口 － 组对焊接 － 冷旋压成型 － 分 瓣运输至施工现场 － 组装封头 － 焊接封头。为了保证产品 焊接质量，严格按焊接工艺及奥氏体不锈钢焊接注意问题进 行施 工，并 按 国 家 相 关 标 准 的 规 定 对 A 类 焊 接 接 头 进 行 100% X 射线检测，结果应符合标准及图纸要求。 （ 二） 筒身。筒体的加工工艺如下： 材料验收 － 划线下料 － 加工坡口 － 拼接焊接 － 卷圆 － 焊接 － 校圆 － 组装。筒身 高由 8 节筒节组成，板副 1800mm 七节，板副 400mm 一节，展 开长度按封头内平齐展开（ 约 21407mm） ，各块板拼接下料前 应考虑焊接收缩量，按排版图下料。切割设备为： 半自动等 离子切割机。由于现场条件限制，焊接坡口用手工砂轮配合 打磨，坡口形式符合焊接工艺。每节筒节总长度由两带板拼 成，拼成整条板后应测量整条板长度，对角线尺寸，无误后再 卷制单个筒 节。 成 型 后，焊 成 整 圆，再 次 找 圆。 筒 身 制 造 卷 板应符合“不锈钢压力容器制造工艺守则”，特别是对卷板机 轨辊进行清理，确 保 不 锈 钢 表 面 不 含 铁 离 子 材 料，并 对 轨 辊 进行包固处理（ 如在辊子上包一层软垫） 。为了便于制作，降 低不安全因素，采 用 卧 式 组 装，相 邻 两 筒 节 的 纵 缝 应 相 互 错 开，为了防止筒身局部失稳，在制作过程中，在筒壁内侧选择 Ф89 的钢管，作为支撑立柱，立柱的垫板材料与筒体材料相 同。焊接按本文“奥氏体不锈钢焊接方法”，在自动滚胎上焊 接，先焊纵缝，后焊环缝的焊接顺序进行。 （ 三） 蛇管。蛇管采用 Φ76 不锈钢管，在专用煨管机上， 用 Φ500 胎具煨制。煨制时管子要放平，必要时加芯子，防止 出现皱折、变形和扭曲。并依据 GB50235《工业管道工程施 工验收规范》验收煨管后的圆度、椭圆度、皱折波长及皱折深 度等。对接接 头 采 用 手 工 钨 极 氩 弧 焊 焊 接，对 接 前 开 设 坡 口。蛇管组装应 在 平 台 上 设 组 装 架 组 装。 各 立 板、筋 板、侧 板下料用剪板机，侧板孔在钻床上按图钻孔，各板加工后，要 求调平，再组焊与蛇管组装成一体。焊后清理飞溅、焊疤，进 行水压试验，无泄 露、无 变 形、无 异 常 震 动 为 合 格，合 格 后 酸 洗钝化。 （ 四） 半管。筒体外壁半圆形外壁管规格为 159mm，用 250mm 不锈钢钢带由专用胎具冷轧压制而成，设备体积大， 半管压制误差要 求 更 为 严 格，尽 量 减 少 对 接 接 口，减 少 焊 接 缺陷的发生率，才 能 降 低 半 管 承 压 时 泄 漏 的 机 率。 首 先，按 图纸要求的半管旋向，确定主体设备滚胎的旋转方向和旋转 速度，在距设备一定距离位置装上半管机，固定牢固，使半管 机与主体设备滚 胎 同 向 同 速，这 样 半 管 在 压 制 时，直 接 缠 饶
大型不锈钢发酵罐制作
□曹九玲 马 兴
【摘 要】大型不锈钢发酵设备由于直径大，设备高及钢板厚等特点，其主要元件焊接后变形、成型组装很难控制，制作过程中 采用合理的焊接施工工艺和组装顺序，有效的控制焊接中出现的问题，才能保证焊接质量，顺利完成设备整体制作。
纹产生的诱因。为了防止焊接热裂纹，正确的选择焊丝和焊 剂，采用合理的焊接工艺参数、接头坡口，减少接头的拘束度 和安排合理的焊 接 顺 序，以 控 制 熔 深 和 焊 道 形 状，减 少 焊 接 热裂纹倾向。 埋 弧 自 动 焊 的 焊 接 接 头 热 输 入 大，熔 池 体 积 大，冷却速度小，高温停留时间长，均有促进奥氏体钢元素偏 析和组织过热倾向，为了减少热输入，采用小的焊接电流，并 在焊接起弧和收 弧 处，加 引 弧 板 和 收 弧 板，并 填 满 弧 坑。 另 外，须避免强行组对，减少焊接应力，降低裂纹的产生。
2． 耐蚀性的控制。奥氏体不锈钢易产生晶间腐蚀和应 力腐蚀，首先，由于 在 多 层 焊 的 前 层 焊 缝 热 影 响 区 达 到 敏 化 温度的区域，在晶 界 上 容 易 析 出 铬 的 碳 化 物，形 成 贫 铬 的 晶 粒边界。若该区恰好露在焊缝表面并与腐蚀介质接触，而发 生晶间腐蚀。其次，在保证焊接质量的前提下，采用小电流， 快速焊和短弧窄道焊，以减少热影响区的范围。在进行双面 焊接时，与腐蚀介质接触的焊缝最后施焊。焊后做酸洗钝化 处理，增强耐腐 蚀 能 力。 在 焊 接 材 料 的 选 择 方 面，宜 选 用 具 有良好力学性能及抗晶间腐蚀性能的焊材。再者，奥氏体不 锈钢因热导率小，线 胀 系 数 大，焊 后 存 在 较 大 的 焊 接 残 余 应 力，为应力腐蚀开裂创造了必要条件； 在焊接热过程导致接 头碳化物析出敏化，促进了应力腐蚀的发生。其预防措施主 要有： （ 1） 减小或消除残余应力。（ 2） 选用抗应力腐蚀性能好 的母材或焊接材料。（ 3） 对焊件表面进行处理，提高耐蚀性。
【关键词】奥氏体不锈钢； 封头； 筒体； 焊接； 热裂纹； 腐蚀控制； 设备组装 【作者单位】曹九玲，马兴； 华北制药股份有限公司设备制造安装分公司
一、引言 发酵设备在整个制药、生物开发过程中起着特别重要的 作用，它提供了微 生 物 的 生 长、繁 殖、代 谢 的 生 化 反 应 场 所。 广泛使用于抗生素、L － 乳酸、氨基酸等各个领域。近年来， 对大型发酵设备的需求日益增多。 本文结合华北制药股份有限公司设备制造安装分公司 承建的 556m3 不锈钢发酵罐，介绍了不锈钢发酵设备的焊接 方法、施焊工艺、主要零部件制作及现场的组对组装，为大型 发酵设备的制作积累了经验。 二、项目简述 本设备罐体由圆柱形筒身和上下标准椭圆形封头焊接 而成，设备内径 Ф6800mm，筒身高 13000mm，设备净重 79． 7 吨，材质： 0Cr18Ni9。发酵罐由立式蛇管作为传热装置，罐壁 外半管加热，裙座支承等特点。 三、奥氏体不锈钢的焊接 主要受压元件： 封头、筒体板材材质均为 0Cr18Ni9，属于 奥氏体不锈钢，这类材料比其他不锈钢容易焊接。在焊态下 奥氏体不锈钢接头有较好的塑性和韧性。材料为固溶处理 状态交货。适于制 造 要 求 耐 腐 蚀、抗 氧 化、耐 高 温 的 发 酵 设 备。 （ 一） 主要焊接方法的选择。公司多年来对埋弧自动焊 接技术的掌握较 牢 固，有 合 格 的 焊 接 工 艺 评 定，且 焊 接 工 艺 参数稳定，焊缝成 分 和 组 织 均 匀，外 观 成 形 光 洁，无 飞 溅，因 而封头及筒体对接接头的焊接均选用埋弧自动焊的焊接方 法。 （ 二） 奥氏体不锈钢的焊接特点及控制措施。奥氏体不 锈钢的可焊性良好。焊接过程中主要问题是容易出现热裂 纹、脆化、晶间腐 蚀 和 应 力 腐 蚀。 此 外，因 导 热 性 能 差，线 胀 系数大，焊接应力和变形较大。因此，主要控制焊接热裂纹、 耐蚀性和引起的变形。 1． 焊接热裂纹的控制。焊接过 程 中，由 于 焊 缝 化 学 成 分、焊缝金相组织、焊接应力、焊接工艺的影响都可以成为裂
3． 焊接变形控制。焊接过程是对整个焊件来说是不均 匀的加热过程，焊 接 时 在 高 温 的 作 用 下，热 自 由 膨 胀 受 到 周 围金属的阻碍，于 是 发 生 了 压 缩 塑 性 变 形，则 冷 却 后 一 定 发 生缩短变形，即沿焊缝长度方向的纵向缩短和垂直于焊缝长 度方向的横向缩短。正是由于这两个方向上的缩短，造成了 焊接件的各种变形。采用小线能量焊接、选择合理的装配和 焊接顺序、利用反 变 形 法、采 用 夹 具 刚 性 固 定 以 及 焊 后 用 小 锤锤击焊缝等都可以控制不锈钢的焊接变形。在发酵罐零 部件制作过程中需遵照各相应的焊接特点施行，保证产品质 量。
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·74·
Industrial & Science Tribune 2012.（11）.５
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 5 期
四、零部件的制作 设备 主 要 零 部 件 如 封 头、筒 体、蛇 管、半 管、裙 座 各 制 作 环节的工艺质量控制，保证了设备整体组装顺利完成。 （ 一） 封头。由于直径大，考虑运输和加工因素，封头压 制前料片拼接应尽量少，每个封头由 9 瓣拼接而成，施工工 艺如下： 订制钢板直接运至专业封头压制厂 － 材料确认验收 － 按排版图下料 － 加工坡口 － 组对焊接 － 冷旋压成型 － 分 瓣运输至施工现场 － 组装封头 － 焊接封头。为了保证产品 焊接质量，严格按焊接工艺及奥氏体不锈钢焊接注意问题进 行施 工，并 按 国 家 相 关 标 准 的 规 定 对 A 类 焊 接 接 头 进 行 100% X 射线检测，结果应符合标准及图纸要求。 （ 二） 筒身。筒体的加工工艺如下： 材料验收 － 划线下料 － 加工坡口 － 拼接焊接 － 卷圆 － 焊接 － 校圆 － 组装。筒身 高由 8 节筒节组成，板副 1800mm 七节，板副 400mm 一节，展 开长度按封头内平齐展开（ 约 21407mm） ，各块板拼接下料前 应考虑焊接收缩量，按排版图下料。切割设备为： 半自动等 离子切割机。由于现场条件限制，焊接坡口用手工砂轮配合 打磨，坡口形式符合焊接工艺。每节筒节总长度由两带板拼 成，拼成整条板后应测量整条板长度，对角线尺寸，无误后再 卷制单个筒 节。 成 型 后，焊 成 整 圆，再 次 找 圆。 筒 身 制 造 卷 板应符合“不锈钢压力容器制造工艺守则”，特别是对卷板机 轨辊进行清理，确 保 不 锈 钢 表 面 不 含 铁 离 子 材 料，并 对 轨 辊 进行包固处理（ 如在辊子上包一层软垫） 。为了便于制作，降 低不安全因素，采 用 卧 式 组 装，相 邻 两 筒 节 的 纵 缝 应 相 互 错 开，为了防止筒身局部失稳，在制作过程中，在筒壁内侧选择 Ф89 的钢管，作为支撑立柱，立柱的垫板材料与筒体材料相 同。焊接按本文“奥氏体不锈钢焊接方法”，在自动滚胎上焊 接，先焊纵缝，后焊环缝的焊接顺序进行。 （ 三） 蛇管。蛇管采用 Φ76 不锈钢管，在专用煨管机上， 用 Φ500 胎具煨制。煨制时管子要放平，必要时加芯子，防止 出现皱折、变形和扭曲。并依据 GB50235《工业管道工程施 工验收规范》验收煨管后的圆度、椭圆度、皱折波长及皱折深 度等。对接接 头 采 用 手 工 钨 极 氩 弧 焊 焊 接，对 接 前 开 设 坡 口。蛇管组装应 在 平 台 上 设 组 装 架 组 装。 各 立 板、筋 板、侧 板下料用剪板机，侧板孔在钻床上按图钻孔，各板加工后，要 求调平，再组焊与蛇管组装成一体。焊后清理飞溅、焊疤，进 行水压试验，无泄 露、无 变 形、无 异 常 震 动 为 合 格，合 格 后 酸 洗钝化。 （ 四） 半管。筒体外壁半圆形外壁管规格为 159mm，用 250mm 不锈钢钢带由专用胎具冷轧压制而成，设备体积大， 半管压制误差要 求 更 为 严 格，尽 量 减 少 对 接 接 口，减 少 焊 接 缺陷的发生率，才 能 降 低 半 管 承 压 时 泄 漏 的 机 率。 首 先，按 图纸要求的半管旋向，确定主体设备滚胎的旋转方向和旋转 速度，在距设备一定距离位置装上半管机，固定牢固，使半管 机与主体设备滚 胎 同 向 同 速，这 样 半 管 在 压 制 时，直 接 缠 饶