煤制氣工程魯奇式氣化爐的研制

袁承春

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150046)

0 引言

煤炭通過氣化技術(shù)變成清潔能源煤氣，可以提高煤炭利用效率、減輕環(huán)境污染，具有明顯的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的開發(fā)前景。某公司制造的魯奇式氣化爐(以下簡稱氣化爐)是煤制氣工程的關(guān)鍵設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高、制造難度大。通過制定切實(shí)可行的制造工藝和措施，解決了多個制造工藝難點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該氣化爐是由外殼與內(nèi)筒組成的立式夾套容器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。外殼由上法蘭、上封頭、外殼體、粗煤氣出口接管、人孔接管、連接環(huán)、錐形封頭、下法蘭、軸套、鍛管等部件組成;內(nèi)筒由下封頭、錐段、平板、厚壁段、內(nèi)筒體、短節(jié)、上部錐體、弧形板、內(nèi)筒接管、爐篦座、水套、波式套筒等部件組成，見圖1。

1.2 技術(shù)參數(shù)

氣化爐容器類別為Ⅲ類(A2)，軸套中心線與爐篦座支撐盤的垂直度為90°±1'、軸套中心線與爐體中心線距離尺寸為1140+1 mm，上下法蘭與氣化爐中心線的垂直度為90°±5'，外殼筒身公差?i4000±5 mm;內(nèi)筒筒身公差 ?i3848±5 mm;夾套間隙48±5 mm。技術(shù)參數(shù)要求高，見表1。

2 關(guān)鍵制造工藝

2.1 錐形封頭組件的制造

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)示意

表1 氣化爐技術(shù)參數(shù)

錐形封頭組件由錐形封頭、下法蘭、軸套、下封頭、錐段、爐篦座支撐盤、水套等部件組成，是氣化爐中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、制造難度最大的裝配件，也是整個氣化爐的制造工藝的關(guān)鍵。為滿足軸套中心線與爐篦座支撐盤面的垂直度為90°±1'、軸套中心線與下法蘭中心線尺寸為1140+1 mm的加工精度要求，制定了下法蘭、軸套、爐篦座支撐盤外端面和內(nèi)孔預(yù)留二次加工余量，軸套裝配采用裝配胎具定位，錐形封頭組件數(shù)控鏜銑床整體加工工藝。其工藝流程:裝焊錐形封頭與下法蘭環(huán)縫→試裝下封頭與下法蘭環(huán)縫→裝焊接管、軸套→組件中間熱處理→裝焊下封頭與下法蘭環(huán)縫、爐篦座、水套組件等→根據(jù)總裝方案組件整體消除應(yīng)力或中間熱處理→組件數(shù)控鏜銑床整體機(jī)加→車加工錐形封頭環(huán)縫坡口→待總裝。

2.1.1 軸套的裝配

為保證軸套裝配精度、減小軸套焊接變形、保證后續(xù)整體機(jī)加需要，采用軸套裝配專用胎具工裝對兩軸套和下法蘭的高度和間距進(jìn)行裝配定位，并在軸套和錐形封頭端部分別用支撐固定，有效地減少了軸套焊接變形量，保證焊接最大變形量小于軸套的二次加工余量，滿足了二次加工需要。

2.1.2 軸套的焊縫坡口形式

由于軸套與錐形封頭表面的角度傾斜，實(shí)際生產(chǎn)中，其焊縫坡口結(jié)構(gòu)形式有兩種，見圖2。第一種坡口方向沿圓周變化，坡口加工難度大，焊接應(yīng)力不對稱，需將錐形封頭多次翻個在其內(nèi)外部交替焊接，但整圈焊接工作量均勻、焊接角度合理、便于施焊;為防止焊接變形，對稱焊需多次翻個，操作比較麻煩。第二種坡口方向沿圓周不變，坡口加工難度小，焊接應(yīng)力相對對稱，在錐形封頭外部焊接工作量較大，但整圈焊接工作量不均勻、局部焊接角度不合理、不便于施焊。大部分焊接在封頭外表面一側(cè)進(jìn)行，不需多次翻個，操作比較方便。以上均可采用機(jī)加方法加工基孔，再氣割修磨坡口，有利于保證坡口質(zhì)量和孔位尺寸。兩種焊接坡口結(jié)構(gòu)形式各有特點(diǎn)，在其他壓力容器上時常遇到，可根據(jù)具體情況選擇其中一種結(jié)構(gòu)。

圖2 軸套焊縫坡口結(jié)構(gòu)示意

2.1.3 錐形封頭組件的套裝

錐形封頭組件內(nèi)外錐封頭間裝焊有8件長1300 mm的楔形支撐板，2件一組，4組均勻分布。實(shí)際生產(chǎn)中，錐形封頭組件內(nèi)外錐封頭的套裝工藝有兩種:

(1)第一種工藝是利用鋼管壓扁試裝確定支撐板外形:在下封頭每件支撐板裝焊位置處先疊裝一根長1400 mm和一根長700 mm的?40 mm×1.5 mm鋼管，形成外形尺寸比支撐板稍寬的楔形。在立式大口向上試裝內(nèi)外封頭時，借助8000 t油壓機(jī)外力作用，使內(nèi)錐封頭達(dá)到裝配位置，與下法蘭環(huán)縫坡口對齊，同時內(nèi)外錐封頭間隙均勻，此時鋼管按夾套間隙形狀被壓扁變形，見圖3。試裝合格后，退出8000 t油壓機(jī)，抽出下封頭，根據(jù)鋼管變化后的實(shí)際外形仿形劃線加工相對應(yīng)的支撐板，并將支撐板裝焊到下封頭相應(yīng)的位置上。本工藝適用于具備大型壓力機(jī)的場合。

圖3 錐形封頭組件內(nèi)外封頭試裝示意

(2)第二種工藝是在內(nèi)外封頭立式試裝到位后，利用支撐板位置均靠近內(nèi)封頭開孔的便利，分別按實(shí)測支撐板所在位置的間隙大小，劃線修割支撐板外形，然后抽出下封頭，將相應(yīng)的支撐板裝焊到下封頭上。本工藝簡便易行，適用于不具備大型壓力機(jī)的場合。

2.1.4 錐形封頭組件的整體機(jī)加

錐形封頭組件組裝完成后，采用專用夾具工裝將組件裝夾固定在數(shù)控鏜銑床回轉(zhuǎn)工作臺上，使兩軸套水平放置，利用數(shù)控鏜銑機(jī)床的精確定位特性對下法蘭、軸套、爐篦座支撐盤端面和內(nèi)圓的水平軸、垂直軸坐標(biāo)找正，并依次對其端面和內(nèi)孔機(jī)加面余量進(jìn)行一次性加工。加工結(jié)束后，手工清理打磨倒鈍各加工棱角和毛刺，清理全部鐵屑。

2.2 筒身卷板的控制

根據(jù)氣化爐夾套容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為滿足內(nèi)外殼筒身直徑±5 mm公差和夾套間隙48±5 mm的圖紙技術(shù)條件要求，保證氣化爐套裝順利，制定了筒身冷成型工藝和控制筒身成型尺寸及偏差的工藝措施。

2.2.1 下料尺寸的確定

內(nèi)外筒身壁厚薄、直徑大，卷制后周長尺寸有一定的增大。根據(jù)筒身公差及套裝要求，卷制后外筒身直徑應(yīng)保持正偏差1～2 mm、內(nèi)筒身直徑應(yīng)保持負(fù)偏差1～2 mm較為適宜。根據(jù)筒身卷制伸長量計(jì)算公式［1］:

式中 ΔL——周長伸長量，mm

K——卷制條件系數(shù)，見表2

δ——鋼板名義厚度，mm

Dn——筒身公稱內(nèi)徑，mm

表2 卷制條件系數(shù)K

外殼筒身卷制伸長量ΔL≈6 mm，按中徑展開尺寸下料即可滿足偏差要求;內(nèi)筒筒身卷制伸長量ΔL≈6 mm(15CrMoR材料厚壁段略)，按名義中徑展開尺寸減10 mm，即內(nèi)筒卷圓后實(shí)際中徑展開比名義縮短4 mm下料即可。下料鋼板的對角線劃線公差以及縱環(huán)縫坡口刨加工對角線公差應(yīng)控制在不大于2 mm。

2.2.2 圓度的要求

根據(jù)現(xiàn)有卷板技術(shù)能力以及內(nèi)外筒身環(huán)縫坡口加工、焊接和套裝需要，筒身圓度控制在不大于6 mm。

2.2.3 卷板機(jī)操作

筒身的卷制和校圓要嚴(yán)格遵守操作規(guī)范要點(diǎn)進(jìn)行操作;對卷制的圈數(shù)、壓力、上輥下壓量等相關(guān)數(shù)據(jù)認(rèn)真記錄，找出最佳參數(shù);按常見卷制筒體缺陷產(chǎn)生的原因及防止方法進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2.4 防變形支撐

筒身校圓后，在筒體兩端內(nèi)部裝焊防變形支撐圓環(huán)，保證筒體圓度符合設(shè)計(jì)和工藝要求，并在環(huán)縫裝焊后適當(dāng)時拆除。

2.3 殼體套裝

氣化爐內(nèi)外殼體夾套間隙48±5 mm，并且內(nèi)筒筒身外表面沿圓周均布著寬度38 mm支撐板，夾套間隙狹小，使內(nèi)外筒體套裝成為制造工藝的難點(diǎn)。

2.3.1 內(nèi)外筒體的套裝

實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)氣化爐總裝方案的不同，內(nèi)外筒體的套裝工藝有兩種:

(1)第一種工藝是以氣化爐上段和下段的外殼環(huán)縫和內(nèi)筒的短節(jié)為總裝環(huán)縫。在外殼環(huán)縫焊接合格后，按內(nèi)筒實(shí)際所需短節(jié)長度將短節(jié)分8段備料、在外殼內(nèi)拼接。包括氣化爐上段的套裝和氣化爐下段的套裝。

1)氣化爐上段采用了立式套裝工藝。首先氣化爐上段外殼組件上法蘭向下倒立在平臺上、套裝內(nèi)筒與弧形板組件、拉筋板固定位置后，依次裝焊其余各件。其工藝流程:裝焊上封頭與上法蘭環(huán)縫→車上法蘭端面和內(nèi)孔、鉆螺栓孔→裝焊上封頭與外殼上段筒身環(huán)縫、粗煤氣出口接管→組件中間熱處理→套裝內(nèi)筒與弧形板組件→依次裝焊連接管與鍛管外環(huán)縫、分布板、上部錐體等件→組件整體消除應(yīng)力熱處理→待總裝。

2)氣化爐下段采用了利用挑梁套裝工藝，其工藝流程:下殼體裝焊人孔接管等件→組件整體消除應(yīng)力熱處理→裝焊下殼體與錐形封頭組件環(huán)縫→外殼環(huán)縫局部電加熱消除應(yīng)力熱處理→套裝內(nèi)筒與錐形封頭組件環(huán)縫→待總裝。

套裝時，將外殼放置在滾輪架上，用吊車吊起挑梁，挑梁在兩側(cè)的內(nèi)筒和配重作用下，保持平穩(wěn)和水平。吊車拖動挑梁拉動內(nèi)筒套裝進(jìn)入外殼，找正后用拉筋板均勻固定內(nèi)筒，見圖4。本方案需要大型專用挑梁和厚壁筒身配重，工裝費(fèi)用高。

圖4 氣化爐下段的套裝示意

總裝工藝流程:裝焊氣化爐上段和下段的外殼體環(huán)縫，放入波式套筒→環(huán)縫局部電加熱消除應(yīng)力熱處理→裝焊內(nèi)筒短節(jié)縱環(huán)縫、內(nèi)筒接管、人孔接管連接環(huán)→連接環(huán)局部電加熱消除應(yīng)力熱處理→裝焊波式套筒→水壓和氣密性試驗(yàn)→油漆包裝。

(2)第二種工藝是以錐形封頭組件與外殼體的環(huán)縫和內(nèi)筒平板為總裝環(huán)縫。在外殼環(huán)縫焊接合格后，按內(nèi)筒實(shí)際所需平板的高度需將平板分8段備料、在外殼內(nèi)拼接。主要是氣化爐殼體的套裝。

氣化爐殼體采用了利用定滑輪裝置進(jìn)行套裝的工藝，其工藝流程:裝焊上封頭與上法蘭環(huán)縫→車加工上法蘭端面和內(nèi)孔余量、鉆螺栓孔→裝焊上封頭與外殼筒身環(huán)縫、粗煤氣出口接管、人孔接管等件→組件中間熱處理→套裝內(nèi)筒、依次裝焊連接管與鍛管外環(huán)縫、分布板、上部錐體、彎管等件→待總裝。

套裝時，將外殼放置在滾輪架上，用一吊車吊起內(nèi)筒，通過固定在上法蘭螺栓孔上的定滑輪，用另一吊車起吊固定在內(nèi)筒上的型鋼架拉動內(nèi)筒套裝進(jìn)入外殼，找正后用拉筋板均勻固定內(nèi)筒，并拆除型鋼框架，見圖5。本套裝工藝需要定滑輪和型鋼架工裝，材料消耗和工裝費(fèi)用較少。

圖5 氣化爐殼體的定滑輪套裝示意

總裝工藝流程:裝焊殼體組件和錐形封頭組件環(huán)縫、放入波式套筒→裝焊內(nèi)筒平板縱環(huán)縫、內(nèi)筒接管、人孔接管連接環(huán)→整體消除應(yīng)力熱處理→裝焊波式套筒→水壓和氣密性試驗(yàn)→油漆包裝。

實(shí)際制造中，以上各套裝工藝均有實(shí)施。第一種工藝需多次進(jìn)行局部電加熱熱處理，操作比較麻煩，且對整體加工的錐形組件尺寸精度沒有影響;第二種工藝需進(jìn)行整體熱處理，避免了第一種方案的多次局部電加熱熱處理的煩瑣工序，操作簡單。但它需在氣化爐內(nèi)部拼焊平板，平板分割、再拼焊、預(yù)熱、尺寸保證和探傷檢查均不如第一種方案以短節(jié)作為內(nèi)筒總裝環(huán)縫簡便易行。

2.3.2 氣化爐的垂直度

為保證氣化爐上下法蘭面與氣化爐中心線的垂直度為90°±5'，制定了氣化爐上封頭與上法蘭組件、錐形封頭組件、外殼各節(jié)筒體的環(huán)縫車機(jī)加后進(jìn)行組裝，并利用測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和全站儀測量控制、保證產(chǎn)品同心度和垂直度的工藝:

(1)上封頭與上法蘭組件焊接后，車加工上法蘭端面和內(nèi)孔余量，保證上封頭與上法蘭端面平行并與中心線垂直及各自中心線同心;

(2)外殼各節(jié)筒身卷圓后，車加工環(huán)縫坡口，保證各節(jié)筒身兩端面平行且與中心線垂直;

(3)下部錐形封頭組件整體鏜銑加工后，車加工錐形封頭環(huán)縫坡口，保證錐形封頭與下法蘭端面平行并與中心線垂直及各自中心線同心;

(4)各部件總裝時，利用中心架確定各部件4個象限的中心線后，采用測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和全站儀測量各件中心線同心并與端面垂直。最終保證氣化爐上下法蘭面與氣化爐中心線的垂直度90°±5'的要求。

2.4 水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和水壓試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)要求，選用了既可連接內(nèi)筒又可連接夾套的粗煤氣出口接管作為灌水打壓接管，并且將原設(shè)計(jì)的單臺設(shè)備一次性使用的外殼體接管水壓端蓋改進(jìn)為可多次循環(huán)使用的球形封頭水壓端蓋，降低了材料消耗，見圖6。

圖紙技術(shù)條件要求:本設(shè)備熱處理后，需進(jìn)行臥式水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力:外殼5.88 MPa，內(nèi)筒0.25 MPa(外壓);水壓試驗(yàn)合格后，對內(nèi)筒進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力:0.15 MPa(外壓)。采取了先內(nèi)筒水壓試驗(yàn)(外壓)、再內(nèi)筒氣密性試驗(yàn)(外壓)、最后外殼水壓試驗(yàn)(此時需要在內(nèi)筒體接管水壓封蓋上開孔，使內(nèi)外筒連通)的試驗(yàn)工藝。

圖6 球形封頭水壓端蓋示意

3 結(jié)語

通過對煤制氣工程關(guān)鍵設(shè)備——魯奇式氣化爐的研制，表明采取的氣化爐關(guān)鍵制造工藝措施對產(chǎn)品質(zhì)量和制造的順利進(jìn)行起到了重要作用，但也存在有待進(jìn)一步改進(jìn)的地方?？蔀檫M(jìn)一步完善、優(yōu)化、提高我國魯奇式氣化爐制造技術(shù)水平和質(zhì)量提供參考和借鑒。

［1］第一機(jī)械工業(yè)部電工總局鍋爐行業(yè)職工教育協(xié)作組.鍋爐冷作工藝［Z］.1981.12:210 －211.

［2］TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.