一种醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的反应器及其焊接方法与流程

本发明涉及一种醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的反应器，具体涉及一种用于醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的多层包扎结构的反应器。

背景技术：

醋酸甲酯羰基化合成醋酐工艺是目前一种比较先进的液相羰基化生产醋酐的工艺。由于反应器内醋酸、醋酐及含卤素催化剂等在高温高压的反应工况下具有强腐蚀性，对作为核心设备的反应器材质的耐蚀性提出了特殊要求。目前，在该工艺中反应器主要采用锆钢复合板材料或纯镍基合金材料，锆钢复合板材料和镍基合金材料价格均比较高，对设备制作成本影响加大；另外，锆钢复合板材料的反应器在液相羰基化生产醋酐工艺中的抗蚀性较差，存在安全隐患；醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐工艺中采用锆钢复合板材质的反应器，由于工艺特性，原料气中的氢气在高温高压下不可避免的与锆板发生氢蚀现象，特别是在氢气聚积的部位锆板氢蚀现象比较严重，局部可以修复；但是氢气聚积部位是不变的，多次打磨补焊修复造成2～4mm厚度的锆板破坏；加盖板覆盖已损坏的锆板，焊接过程中的热影响区更容易被腐蚀。锆板修复难度大就会造成维修费用高或设备报废。此外，锆钢复合板材料是薄锆板与碳钢板在炸药爆炸作用贴合在一起形成的复合材料，成材面积小，造成设备焊缝多，给设备腐蚀泄漏增加了几率，而且焊缝多，检测、维护等方面的费用高，存在的安全隐患也较多。最后，焊接过程中，锆钢复合板容易发生晶相变化，容易造成焊缝材料性能降低。

与锆钢复合板材料相比较，镍基合金板的单块板面积较大，制作同样规格的设备，焊缝相对要少，设备越大越明显。而且该镍基合金对氢气不敏感，不会产生“氢脆”等现象，在还原性环境中具有良好的耐蚀性能。但是镍基合金板设备的投资费用高，设备越大经济性越差。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的反应器及其焊接方法。本发明中采用镍基合金材料和碳钢的多层包扎结构的反应，弥补了目前醋酸甲酯液相羰基合成工艺中锆钢复合反应器的不足和纯镍基合金反应器成本偏高的缺点，在保证各项指标满足需求的同时，提高了设备的抗腐蚀性能，降低了设备的投资成本。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的反应器，包括上封头、下封头和筒体，上封头和下封头分别焊接在筒体的两侧，其中，上封头和下封头均由镍基合金材料制备而成，所述筒体为多层包扎结构，所述多层包扎结构至少包括三层结构，由内而外依次为镍基合金内层、第一碳钢层和第二碳钢层；同一侧，第一碳钢层和第二碳钢层与封头之间的焊缝齐平，构成第一焊缝，镍基合金内层与封头之间的焊缝为第二焊缝，第一焊缝与第二焊缝相互错开，镍基合金内层的厚度为封头厚度的1/5-1/3，镍基合金内层、第一碳钢层和第二碳钢层厚度的和大于封头的厚度，且第一碳钢层的厚度小于第二碳钢层的厚度。

反应器的封头是压力容器的主要承压部件，且受限于封头的形状，封头一般较难制作，而且封头的内壁需要与反应器内的腐蚀性液体接触，所以，需要将封头使用镍基合金材料制备。

镍基合金内层直接与反应器内部的腐蚀性液体接触，具有良好的耐腐蚀性能，可以保证醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的正常进行，保证反应器的使用寿命。同时，将镍基合金内层的厚度设计为封头厚度的1/5-1/3，在起到良好的耐腐蚀性能的同时，大大降低了镍基合金的使用量，降低了反应器的制作成本。同时，该厚度的镍基合金内层具有一定的耐压能力，镍基合金内层与上封头和下封头焊接，构成反应器的骨架。

由于反应器需要足够的耐压强度，如果筒体采用较薄的镍基合金内层，则不能达到相应的耐压强度。所以，需要在镍基合金内层的外侧焊接其他的支撑层，以保证筒体的强度，此处只要求材料具有较高的强度，而对其耐腐蚀性能并没有严格要求。碳钢的成本较低，且强度较大，但是碳钢中的含碳量较高，碳钢的韧性较小，增加了加工难度。所以，将与封头焊接的碳钢层分为两层，可以提高每层碳钢层的韧性，降低了加工难度。

第一碳钢层的厚度小于第二碳钢层的厚度，第一碳钢层具有更好的加工性能，有利于与镍基合金内层紧密贴合，实现对镍基合金内层施加支撑力，提高筒体的整体性能。

第二碳钢层具有较大的厚度，且位于与封头进行焊接的最外层，可以显著提高与封头之间的焊接作用力，提高了焊接后的筒体的耐压强度。

传统的多层包扎结构的焊接缝都是交错设置，与其不同的是，本发明中通过合理设置第碳钢层和第二碳钢层的厚度比例，且使第一碳钢层和第二碳钢层与封头之间的焊缝齐平，将第一碳钢层和第二碳钢层一起焊接，不但节约了焊接工序，而且提高了焊接质量，相比于传统焊缝的交错设置，该种结构具有更强的抗压强度，这是各个部位协同作用的结果。

镍基合金内层、第一碳钢层和第二碳钢层厚度的和大于封头的厚度，是为了保证这三者的厚度比例前提下，第二碳钢层具有足够的厚度，第二碳钢层与封头的焊接处有足够的焊接强度，保证了筒体具有足够的耐压强度。

优选的，所述上封头和下封头和筒体的交界处均包括向筒体方向延伸出的焊接部，该焊接部与镍基合金内层焊接固定。

第一碳钢层完全覆盖了镍基合金内层与封头之间的焊缝，对焊缝处提供了足够的支撑力，保证了焊缝处的强度。而且，该焊接部为延伸出来的结构，方便进行焊接操作，提高了焊接质量。

进一步优选的，所述焊接部的长度为镍基合金内层厚度的1.5-2.5倍。

焊接部的长度过长，不利于封头的加工，焊接部的长度过短，不利于进行焊接，当焊接部的长度为为镍基合金内层厚度的1.5-2.5倍时，既可以保证焊接的顺利进行，提高焊接质量，又能使封头较容易加工，该数值时考虑了各种因素后的最佳选择，有利于提高反应器的整体性能。

优选的，所述第一碳钢层的厚度为第二碳钢层厚度的1/3-1/2。

当两者的厚度比例在该范围内时，反应器具有最佳的加工性能，且具有最佳的耐压强度。

优选的，所述筒体还包括第三碳钢层，第三碳钢层焊接在第二碳钢层的外侧，且第三碳钢层与第二碳钢层之间的第三焊缝与第一焊缝相错设置。

第三碳钢层对第二碳钢层起到加固的作用，可以有效起到防止镍基合金内层、第一碳钢层和第二碳钢层发生形变，提高了反应器的使用寿命。

进一步优选的，所述第三碳钢层的厚度与第一碳钢层的厚度的比值为0.8-1.2。

进一步优选的，所述筒体还包括第四碳钢层，第四碳钢层焊接在第三碳钢层的外侧，且第四碳钢层与第三碳钢层之间的第四焊缝与所述第三焊缝相错设置。

反应器的筒体中部会受到较大的作用力，而在较大作用力下，壳体容易发生形变，所以，需要增加第四碳钢层，对反应器的筒体进一步加固。之所以分为第三碳钢层和第四碳钢层，一方面是减小碳钢层的厚度，提高碳钢层的形变能力，使碳钢层容易加工，提高反应器的筒体强度；另一方面，采用该结构使得到的筒体外形更加合理、美观。

更进一步优选的，所述第四碳钢层的厚度与第三碳钢层的厚度的比值为0.8-1.2。

上述反应器的焊接方法，包括如下步骤：

1)制作上封头和下封头；

2)制作镍基合金内层，并将镍基合金内层的两端分别与上封头和下封头焊接；

3)在镍基合金内层的外侧依次固定第一碳钢层和第二碳钢层，使第一碳钢层和第二碳钢层的焊接面与封头的焊接面构成V形坡口；

4)焊接第一碳钢层和第二碳钢层；

5)在第二碳钢层的外侧焊接其他碳钢层。

优选的，焊接时，对坡口及坡口两侧25mm范围内的区域进行机械清理，彻底清除油污和含硫杂质，中间焊道表面的氧化物进行打磨清除，直至露出金属光泽。

其中，中间焊道指点固焊之后和盖面焊道之前的所有焊道。

优选的，焊接时，采用氩气双面保护焊。

双面保护焊可以对焊缝的内外侧都进行保护，提高焊接的质量。

优选的，焊接时，在坡口内侧焊接区引弧，引弧点必须重新熔化。

其中，引弧点即为焊缝的起点。在坡口内侧焊接区引弧不会在焊缝外的其它表面留下焊瘤，引弧点必须重新熔化是为了确保引弧点处的焊接质量。

优选的，焊接过程中，严格控制焊接线能量和层间温度，使层间温度不高于150℃。

使层间温度不高于150℃，是为了避免焊接后焊缝开裂。

本发明的有益效果为：

1.本发明的反应器的内层为镍基合金内层，在醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐工艺中具有良好的抗蚀性能，提高了设备安全可靠性；镍基合金内层具有较小的厚度，且其外侧由多层碳钢层进行加固，与同规格的纯镍基合金材质反应器比较，本发明的反应器的镍基合金用量少用50％左右，大幅度降低了设备投资费用。

2.碳钢层的焊缝及各碳钢层的厚度的合理搭配，使得本发明的反应器更容易焊接，焊接得到的结构具有更高的强度。

附图说明

图1为本发明的反应器整体结构示意图；

图2为图1中A处的放大结构示意图。

其中，1、上封头，2、筒体，3、镍基合金内层，4、第一碳钢层，5、第二碳钢层，6、第三碳钢层，7、第四碳钢层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种醋酸甲酯液相羰基化合成醋酐的反应器，包括上封头1、下封头和筒体2，上封头1和下封头分别焊接在筒体2的两侧，其中，上封头1和下封头均由镍基合金材料制备而成，所述筒体2为多层包扎结构，所述多层包扎结构包括五层结构，由内而外依次为镍基合金内层3、第一碳钢层4、第二碳钢层5、第三碳钢层6和第四碳钢层7；同一侧，第一碳钢层4和第二碳钢层5与封头之间的焊缝齐平，构成第一焊缝，镍基合金内层3与封头之间的焊缝为第二焊缝，第一焊缝与第二焊缝相互错开，镍基合金内层3的厚度为封头厚度的1/4，镍基合金内层3、第一碳钢层4和第二碳钢层5厚度的和大于封头的厚度，三者的和可以稍微大于封头的厚度，如大于封头厚度的1/5，且第一碳钢层4的厚度位第二碳钢层5厚度的1/3。第三碳钢层6焊接在第二碳钢层5的外侧，且第三碳钢层6与第二碳钢层5之间的第三焊缝与第一焊缝相错设置，第三碳钢层6的厚度与第一碳钢层5的厚度相等。第四碳钢层7焊接在第三碳钢层6的外侧，且第四碳钢层7与第三碳钢层6之间的第四焊缝与第三焊缝相错设置，且第四碳钢层7和第三碳钢层6的厚度相等。

多层包扎结构的反应器制作工艺：首先制作完成上封头1和下封头，然后制作内筒2并与封头组队，再在一整体的内筒上采用机械手逐层加紧各层碳钢层，且层板纵环焊接头相互错开而成的一种多层包扎结构的反应容器，最后完成反应器的内件和支座的安装、焊接。

该镍基合金材料焊接工艺要求：

1.该镍基合金在热切割之后，在使用或焊接前应用打磨、切削或其它机械方法将切割边缘的污染区去除。

2.焊接时，应对坡口及两侧25mm范围内区域进行严格的机械清理，彻底清除油污和一切含硫杂质，用清洗剂进行清洗后及时施焊。中间焊道表面的氧化物应用砂轮打磨清除、直至露出金属光泽。

3.采用氩气双面保护焊，氩气纯度不低于99.996％，露点不应高于零下50℃。

4.焊接时，必须在破口内侧焊接区引弧，引弧点必须重新熔化。焊缝及热影响区的表面颜色应正常。

5.焊接过程中，应严格控制焊接线能量和层间温度。层间温度一般不应高于150℃。

6.焊后的焊缝表面不准有咬边、气孔、弧坑和裂纹等缺陷。同一部位焊缝的返修次数不宜超过两次。

7.焊接操作人员，必须戴洁净的手套，不得触摸坡口两侧附近区域。严禁用铁器敲打材料表面及坡口。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。