磷酸铁项目安装工程施工重难点的分析与质量控制

杨双繁

中国化学工程第十六建设有限公司  湖北省宜昌市  443000

摘要：随着工业化的不断推进，磷酸装置已经变成磷化工及新能源锂电池行业不可缺少的一部分，并且两者几乎采用同种工艺，因此存在很大的发展空间。然而，目前在该领域仍存在着许多问题，如双相不锈钢的焊接合格率较低、磷酸真空硫化设备内衬质量控制不严谨等。因此，本文旨在对磷酸装置安装工程施工工艺进行深入的分析，探索相应的质量控制措施，并提出解决问题的方案。首先，本文对S2205双相不锈钢的非标储罐焊接进行了研究，针对焊接过程中可能出现的缺陷和质量问题，提出了相应的质量控制措施，通过采用适当的焊接工艺，合理控制焊接参数，保证焊接接头的质量，提高焊接合格率，从而降低了施工成本。其次，本文研究了磷酸装置浓缩真空设备的橡胶衬里，分析了橡胶衬里施工中可能遇到的问题，如胶层厚度的控制、胶层与基材的粘接问题等。最后，本文总结了磷酸铁项目安装工程施工的重难点，并提出了相应的质量控制措施，实现了降低施工成本、提高项目效益的目标。

关键词：磷酸装置;S2205双相不锈钢;橡胶衬里;施工工艺;质量控制;

一、绪论

1.1 研究背景

近年来，随着新能源磷酸铁锂的市场需求增加，磷酸铁项目逐渐增多，且该工艺与磷化工行业中磷肥、磷酸一铵、磷酸二铵均采用相同工艺，所以存在很大的市场空间。我公司承接的湖北枝江某磷酸及精制磷酸项目设计公称生产能力为 30 万吨/年湿法磷酸，16万吨/年精制磷酸。装置组成：本装置由精矿浆压滤及再浆、反应、尾洗、过滤、浓缩、磷酸罐区、酸性循环水站、清净循环水站、车间配电室、仪表机柜间、污水收集池、机修厂房、精制磷酸等组成，其中浓缩装置作为主装置，共设计15台真空硫化设备进行磷酸浓缩及氟提纯工艺，均采用碳钢加碳砖衬里工艺，精制磷酸同样配套浓缩、萃取、脱硫等装置，设计采用S2205双相不锈钢作为主要材料。湿法磷酸生产装置中，生产介质具有很强的腐蚀性，因此大量使用S2205双相不锈钢和衬里设备及管道来进行工艺生产，除双相不锈钢的设备焊接制作外，碳钢设备和管道内防腐衬里工作显得尤为重要，关系到整个磷酸生产装置的使用寿命。

针对磷酸装置S2205双相不锈钢焊接工艺，设备和管道衬里施工工艺的现状及存在的问题，本文旨在通过对项目施工全过程的管控，提高设备和管道的使用寿命，保证装置的长周期、安全、平稳运行。具体研究方法包括质量成果分析、实际情况分析、项目管理等方面，从而为磷酸装置的施工提供一定的理论和实践指导。

本文的意义在于立足于实际项目，探索磷酸装置安装施工工艺的优化和改进，提高装置的运行效率和安全性，为同类化工项目提供参考和借鉴。

1.2 研究内容

研究目的：

通过项目磷酸及精制磷酸装置来探讨施工工艺，分析磷酸铁项目安装工程中的重难点，并提出相应的质量控制方法，以及成本降低的策略。

一、磷酸装置S2205双相不锈钢焊接施工工艺分析

本章节主要对磷酸铁项目S2205双相不锈钢的焊接施工工艺与质量控制进行深入探讨。首先介绍了S2205不锈钢的特点及其应用领域，随后分析了S2205不锈钢焊接过程中存在的重难点，如焊缝氮元素损失、残余应力等。然后详细讨论了常用的S2205不锈钢焊接工艺和焊接设备选择，并提出了相应的质量控制措施，如焊接速度、焊接参数的优化等。最后，结合项目实际案例，阐述了S2205不锈钢焊接过程中常见的质量问题及其解决方法。通过对S2205不锈钢焊接施工工艺与质量控制的研究，为磷酸铁项目的安装工程提供可靠的技术支持。

二、磷酸装置设备橡胶防腐衬里施工工艺分析

该项目设计有真空硫化设备及预硫化丁基橡胶内衬设备，所有碳钢设备在胶板完成后均进行碳素结构砖衬里。为确保磷酸装置设备及管道衬里施工工艺的质量，需采取严格的质量控制措施。在本节中，将探讨磷酸装置设备及管道衬里施工工艺所面临的质量问题，对需要碳砖衬里的非标设备焊缝打磨及焊接要求结合项目进行实际分析，提出相应的质量控制措施，同时也包括设备及管道蒸汽硫化与碳砖衬里的施工工艺、质量检测方法等，以确保磷酸装置设备的正常运转及产品质量。

二、磷酸装置S2205双相不锈钢焊接施工工艺分析

2.1 S2205双相不锈钢在磷酸铁项目中的应用

022Cr22Ni5Mo3N（S2205）双相不锈钢，是属于铁素体-奥氏体双相不锈钢，铁素体及奥氏体各占一半，屈服强度是奥氏体不锈钢的两倍，S2205双相不锈钢与316L和317L奥氏体不锈钢相比,2205合金在抗斑蚀及裂隙腐蚀方面的性能更优越,它具有很高的抗腐蚀能力,与奥氏体相比,它的热膨胀系数更低,导热性更高，在化工行业常用于磷化工及磷氟化工装置。磷酸装置是磷酸生产线中最核心的设备之一，其质量和安全性直接影响整个生产线的稳定运行。在整个项目磷酸装置中，浓磷酸、稀磷酸、放空气体、磷酸料浆、浓缩真空气体、污水等工艺系统均设计有S2205双相不锈钢管道。保存精制磷酸的储槽，以前通常用316L或317L型奥氏不锈钢来制造，但是壁厚很大，采用双相不锈钢S2205，强度几乎高出316L和317L一倍，且能减少壁厚，从而减少储槽的重量和费用，所以现阶段工艺设计精制磷酸分相槽、萃取槽、储槽等设备也全部采用S2205双相不锈钢来制造。同时，在工业磷酸生产环境中，特别是在含有氯离子存在的情况下，S2205的耐局部腐蚀能力比普通奥氏体不锈钢更好。

总的来说，S2205双相不锈钢设备和管道在磷酸生产过程中扮演着至关重要的角色。在设计、制造、施工等方面都需要严格把关，以确保设备的质量和安全性。只有这样，才能保证磷酸生产过程的高效、稳定和安全。

2.2 S2205双相不锈钢焊接施工中存在的重难点

本磷酸铁项目设计有现场制作安装精制磷酸非标设备60台，主体采用S2205双相不锈钢材料，均为平顶平底或拱顶平底储罐，本文将以S2205双相不锈钢非标设备的现场制作为例，对S2205双相不锈钢的焊接工艺进行分析。

（一）S2205钢板焊接工艺

首先要有成熟的焊接工艺，我公司有专门的焊接实验室，并对S2205双相不锈钢进行了焊接工艺评定试验。以该项目最常见的12mm厚钢板为例，焊接方式采用氩电联焊（SMAW+GTAW），即氩弧焊打底，电焊填充盖面的焊接方式，此组合在工业焊接中应用广泛，技术成熟且劳动力广泛。焊条选用E2209，直径φ3.2/4.0mm，焊丝选用ER2209，直径φ2.0/2.4mm。

（二）非标储罐底板焊缝的焊接

S2205双相不锈钢的储罐底板焊接是施工中的一大难点，如何保证焊接合格率是决定项目工期、质量及成本的关键因素。为保证底板焊缝全焊透，控制焊缝深度，满足焊缝成型要求，该项目储罐底板设计有垫板，设计规格为50*4mm的扁铁，材质同样为S2205双相不锈钢，且边缘板每条对接焊缝外边缘300mm需做无损检测，检测方式为X射线检测，合格级别为Ⅱ级。底板设计垫板对焊缝成型有很好的控制作用，但是在施工现场作业时，垫板如果没有紧贴罐底板，那么底端焊缝成型依然将存在未融合甚至是条形缺陷，缺陷位置一般位于根部焊缝，也就是罐底板与垫板连接处焊缝间隙过大，导致溶池焊接金属流失。

图为S2205现场罐壁纵缝

2.3 S2205双相不锈钢焊接质量控制措施

（一）现场施工中S2205双相不锈钢焊接工艺与设备选择

1、通过成熟的焊接工艺与设备来提高焊接合格率。施工中采用氩电联焊的焊接方法，即打底采用氩弧焊，保证单面焊双面成型，填充盖面采用手工电弧焊，按多层焊接规定的顺序，多层数施焊，每次堆焊应清理焊道，焊后不做热处理。项目施工使用的焊机奥太ZX7-400STG型直流焊机。为防止合金元素烧损，影响不锈钢的性能，双相不锈钢GTAW焊接时需要背部惰性气体保护，项目实际施工中采用99.99%的氩气进行保护，流量为2L/min为宜。氩弧焊接时电流一定要小，经过项目实际操作，发现电流在70-80（A）时熔池最为稳定，焊丝熔化及送丝速度最好控制，另外摆动次数和频率应均匀控制在35次/min左右。焊工使用摇摆手法时，焊枪左右摇摆幅度要适当，控制好角度，以保证焊接成型过程中热量均匀分布，这样既能保证焊缝成型美观，又能控制焊缝反面成型饱满。焊接工艺示意见下图：

焊接参数表：

焊道/ 焊层	焊接 方法	填充金属		焊接电流		电弧电压 (V)	焊接速度 (cm/min)	线能量 (KJ/cm)
		牌号	直径	极性	电流(A)
1	GTAW	ER2209	2.4	正接	70~80	14±2	8~12	8.400
2	SMAW	CHS2209	3.2	反接	95~110	19±2	9~11	13.933
3	SMAW	CHS2209	4.0	反接	120~130	23±2	9~11	19.933
4	SMAW	CHS2209	4.0	反接	120~130	23±2	8~10	22.425

2、选择合适的焊接线能量在双相不锈钢焊接中起到关键作用，当采用很小的焊接线能量时，由于快速冷却使得焊接热影响区和焊缝的铁素体含量偏高，对耐腐蚀性能和力学性能不利。但是过高的焊接线能量会烧损合金元素、冷却太慢使得中间相析出，引起组织不平衡，因此，通过调整焊接线能量输入可以获得最佳的焊缝和热影响区性能，经过项目实际分析，发现线能量在8.0KJ/cm左右为宜。

3、现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或其它杂质对不锈钢的污染，不锈钢和碳钢钢板应分开存放和焊接。在非标储罐的卷板预制中，卷板机的卷筒必须要有防渗碳措施，本项目卷板机卷筒先采用直径φ30mm麻绳缠绕一层，麻绳外部再使用缠绕膜缠绕5-6层。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击渗碳、局部过热等焊接过程材料的保护，另外材料表面的弧击和起弧是一个瞬间的高温过程冷却速度很快表面显微组织中铁素体含量很高，这种组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽力避免，如果现场施工作业中产生则必须用细砂轮打磨去除。

（二）项目非标储罐底板的焊接方法改进

1、钢板精准的排版下料是焊缝组对成型的关键因素，在底板施工前，要按照设计及施工规范，准确无误的进行排版，下料过程中严格遵守排版尺寸下料，且做好样板及首件检验工作。S2205双相不锈钢在焊接前一定要仔细清理焊接区域附近（焊缝两侧30-40mm）的油污、锈蚀等，清理方法可以采用酒精、丙酮擦洗，也可以用不锈钢丝刷清理，彻底清理的目的是祛除氢气产生的根源，因为双相不锈钢比奥氏体不锈钢溶解氢气的能力低，氢致裂纹的倾向较大，选用熟练的且经过特种作业焊工考试取证的焊工，焊接时要严格按照焊接工艺评定进行焊材选用及焊接施工。

2、罐底板组对时要注意垫板定位焊缝的长度，垫板定位焊接时如果长度过短，焊接未建立起平衡过程即结束焊缝冷却会很快，可能导致铁素体含量过高、低韧性并因氮化物析出而降低耐腐蚀性能，且垫板定位焊缝长度过短，无法有效固定垫板与罐底板，可能在后续施焊过程中存在焊缝收缩导致垫板移位。同时，垫板与罐底板定位焊缝间距不能过长，项目实际施工中垫板与底板定位焊缝与相邻定位焊缝间距为5cm，即采用间隔5cm的间断焊。待定位焊全部焊接固定后，检查每处定位焊接位置垫板是否和罐底板紧贴，若间隙过大要立即整改，增加定位点数。进行满焊之前，要对焊缝坡口及周边焊接区域附近（焊缝两侧30-40mm）重新清理，确保无水汽、油污、锈蚀等。罐底板焊接示意见下图：

三、磷酸装置非标设备橡胶防腐衬里施工工艺分析

3.1在磷酸装置中设备橡胶衬里的材料选择

在本项目湿法磷酸装置中，设计共有两种橡胶衬里。磷酸罐区储罐、反应尾洗塔等常温常压设备使用预硫化丁基橡胶板和碳素结构砖内衬，该类胶板常温下自硫化能力强，操作简单，浓缩装置闪蒸室、氟吸收塔、除沫器、反应装置低位闪蒸冷却器等生产过程中采用真空负压运行的非标设备则采用天然橡胶加上碳素结构砖内衬，橡胶板厚度4mm，碳砖规格为230*113*65mm，按65mm厚竖排方式砌筑施工。该类橡胶板硬度大，需采用蒸汽加温加压使其由软胶板变为硬质胶板的硫化方式，本文以较高难度的天然橡胶设备本体蒸汽加压硫化为例进行探讨。

3.2现场施工流程与重难点

（一）现场施工工艺流程

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（二）设备本体蒸汽硫化的施工

设备本体制作完成后，必须对内壁焊缝进行打磨，达到圆滑过渡。在经过业主及监理验收后方可进行蒸汽硫化。本项目蒸汽来源为园区主蒸汽管线，值得注意的是，从厂区外引入临时蒸汽既要用于硫化罐也要用于设备本体硫化，所以蒸汽流量不能过小，否则将影响。临时蒸汽管线通入设备本体，所有设备管口全部用盲板封闭，在设备底部、中部、顶部选取合适的管口盲板进行开孔安装压力表及温度计，以确保达到该胶板的设计压力及温度，并对蒸汽流量进行跟踪，确保硫化过程中万无一失。

图为低位闪蒸冷却器顶部硫化压力及温度监控

（三）硫化后碳砖砌筑施工

在硫化完成后，胶板经过检验可以进行后续碳砖砌筑。真空设备砌砖施工所用碳砖规格为230*113*65型碳砖，胶泥采用呋喃树脂胶泥。按65mm厚竖排方式砌筑施工。设备内人孔采用加工楔形砖进行砌筑。采用“二次打泥法”对胶板表面和碳砖结合面打胶泥，用灰刀用力压实，衬砌面中部的胶泥略高于四周边，然后从侧面将待衬砖、板向前推进到达衬砖位置，并用力揉动将胶泥挤出缝外，用灰刀刮去挤出的胶泥，即采用揉挤法施工。必要时采用橡胶锺敲打。衬砌顺序:先衬底部后衬壁部及先里后外衬砌。衬砌速度与胶泥固化时间相适应，以防止碳砖移位和胶泥流淌。壁部衬砌时应采取环形砌筑，每次砌筑不得超过4层砖高度。砖与砖之间的缝隙为2-3mm，砖与基体表面的缝隙为3-5mm左右。砖缝应错开排列，单层错开最小距离不小于碳砖的1/3,砖与砖之间高差≤2㎜，在砌气孔，人孔等基体管口时，应牢固圆滑。

图为碳砖预排及施工成果

在砌筑前要确保胶板干净，无任何油脂及杂尘，然后进行碳砖排版。在胶板表面用石笔按照碳砖规格划线，这样可以确保碳砖砌筑时严丝合缝，并且提前准备好材料可以使碳砖施工周期大幅度提前，减少胶板暴露在外时间，保证胶板更加干净。

3.3 质量控制的难点与对策

（一）非标设备制作过程中的变形控制

现场非标设备的焊缝组对焊接将对内衬质量起着决定性的作用，内衬胶板的平整与碳砖的稳定性来自于设备本体焊缝的圆滑过渡及变形控制。设计图纸中对于焊缝的要求均为按照容器相关执行，并不会对焊缝打磨做明确的规定，这需要内衬防腐施工做出明确的技术要求。

该项目对设备现场制作焊缝做出明确规定，除满足设计规范外，需衬胶表面所有焊缝饱满并打磨光滑过渡，不得有焊疤、焊瘤、夹渣、漏焊、针孔等现象存在。衬胶设备及管道的棱角部位均圆滑过渡，阴角R≥5 mm、阳角R≥3 mm，需衬胶表面焊缝高度不得超过2 mm。

（二）设备本体硫化中质量控制难点总结

内衬质量的好坏取决于胶板的贴合及蒸汽硫化的过程，经过项目实际操作总结，现对内衬施工质量控制要点总结如下：

1、胶板检查：下料前首先目测，检查针孔、胶瘤、薄厚不均、褶皱、嵌杂物、离层、气泡等不合格现象，不合格的部分不得使用

2、按规范与胶板衬贴技术要求衬贴天然硬质胶板。施工顺序：先顶部、后壁部、再底部。

3、底涂料和粘接剂施工,依据材料供应商的要求进行操作。必须在底涂料完全干燥后方能进行下道工序施工。粘结剂施工时,第一道必须干燥完全,末道粘结剂采用指触法判断,当凉置到手感似粘非粘时即可进行衬贴。

4、胶板和基体表面的粘接剂施工,要同步操作完成。底涂料和粘结剂的涂刷采用“点涂法”和“十字交叉法”施工。要求：不能有漏涂、流淌、堆积、起泡等现象。将凉好的胶板用细布做衬布卷好，按设计的指定位置铺到基体表面，整齐规则，随将衬布抽出。胶板到位后，用压滚划线压实，从中间到两边，要求滚与滚之间重合掺压1/2~1/3。

5、搭接缝采用“T”字形搭接，并和介质流动方向保持一致。搭接缝宽≥30 mm，压滚用力程度以胶板滚压后表面见到压痕为宜。所有法兰、管口、阴角等疑难部位只允许小压轮操作，并指定操作能手重点施工。滚压时出现的气泡，应随时切口放气，细致压实，然后在切口部位加贴直径80~100 mm 的同类胶板。检查修补：在每个工作面完成后，对衬胶层进行全面检查，对气泡、漏电等不合格的缺陷处进行修补时，缺陷处周边50~100 mm内应处理干净，用同类胶板按同样的工艺办法进行修补衬贴。用电火花检测仪按3KV/ mm对胶板面进行100%检测，无漏电现象

6、设备采用本体蒸汽加压硫化，将蒸汽管道从框架外引入，在各楼层增加临时蒸汽管网，接至需真空硫化设备盲板处，盲板挖眼焊接。真空硫化设备的所有设备口均需安装盲板封堵，采用Φ8圆钢焊接在盲板内侧，代替封堵垫片，盲板上挖眼安装温度计及压力表等仪表元件。

7、胶板硫化原则上按材料供应商要求的硫化温度/时间曲线进行硫化，但根据现场实际情况，具体调整。蒸汽压力≥3.2kg、蒸汽温度143°C。现场制作、提供、安装、硫化需用的金属盲板、螺栓、蒸汽等，并将蒸汽管道接送至需硫化的设备附近、根据硫化要求安装蒸汽硫化仪表、盲板及管件等。

8、蒸汽硫化准备：首先接入空压机将，对硫化设备整体进行加压，使罐内压力不小于3．2kg，检查设备口盲板是否漏气，有漏气情况需紧固螺栓，盲板无泄漏，稳压半小时，然后缓慢通入蒸汽进行空气质换，蒸汽置换过程中，罐内压力不得低于3.2公斤。罐内缓慢升温。

9、用5～10倍的放大镜全面检查表面，不得有损伤、气泡、褶皱、夹杂物等现象。用电火花检测仪按3KV/㎜对胶板面进行100%检测，无漏电现象。检查合格后办理验收手续,进入下一道工序施工。

10、如设备打开后发现有超过规范允许的气泡或破裂现象的，按规范要求进行衬胶修补，然后进行二次硫化，硫化曲线不变，直至完全符合天然硬质胶硫化的技术要求。

11、本项目使用D3天然橡胶板的硫化曲线

四、总结与展望

在项目实际操作中，实际上是一个发现问题并解决问题的过程。通过积极地分析应对，本项目S2205双相不锈钢焊接外观合格率达到100%，焊缝检测合格率达到99%，这对项目经营成本及营造品牌形象都是极为有利的。在所有蒸汽硫化设备及管道中，皆是一次性验收通过，在后续的同类项目施工中，我们依然会继续总结并发挥同类项目优势，对施工过程中的质量控制及重难点进行创新，继续以新方法、新工艺来为项目增利创收，保质保量的完成项目施工。

参考文献：
[1]樊凯华.石油化工安装工程施工的质量与成本控制管理[J].化工管理,2018，13(11):141-142.

[2]白玉华.浅谈石油化工安装工程施工的质量控制及造价管理体会[J].化工管理,2017,16(23):53.