大型德士古氣化爐制造工藝

劉太平，武玉君，杜國(guó)珠

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150046)

0 引言

德士古氣化爐是國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的幾種成熟的煤氣化裝置之一。隨著煤化工行業(yè)市場(chǎng)的擴(kuò)大，德士古氣化爐進(jìn)一步向大型化發(fā)展。某公司制造的德士古氣化爐設(shè)計(jì)金屬重量已達(dá)405 t，該氣化爐外形尺寸如下:φ3464/φ4474 mm ×22170 mm，其中燃燒室筒體壁厚132 mm，激冷室筒體壁厚162 mm，具體規(guī)格尺寸見(jiàn)圖1。

該氣化爐殼體板材厚、設(shè)備壓力高，技術(shù)要求嚴(yán)格，制造難度大。對(duì)此，制定了切實(shí)有效的制造工藝和措施［1］，并進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，最終解決了多個(gè)制造工藝難題。

1 氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要規(guī)格參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該氣化爐殼體由凸緣法蘭、上封頭、燃燒室筒體、變徑段、殼體鍛件、激冷室筒體、下錐體、激冷室短節(jié)及下大法蘭組成(如圖1所示)。殼體主材選用SA－387Gr11CL2和SA－336F11CL3耐熱合金鋼，與介質(zhì)接觸氣化爐內(nèi)壁全部堆焊鎳基合金，其中燃燒室側(cè)堆焊Inconel 625，激冷室堆焊Inconel 600。

1.2 技術(shù)規(guī)格參數(shù)

氣化爐容器為Ⅲ類(lèi)(A2)壓力容器，任意3000 mm長(zhǎng)筒節(jié)直線度允差±3 mm，全長(zhǎng)直線度允差±6 mm。制造完成后，氣化爐全長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)備中心線垂直度公差不大于16 mm;殼體圓度允差±6 mm;氣化爐頂凸緣法蘭中心線與爐體中心線間的同軸度允差不大于±6 mm，其與激冷環(huán)安裝中心線之間同軸度允差±3 mm;凸緣法蘭中心線與殼體中心線的角度允差±0.5°，氣化爐托磚板水平度偏差不大于±3 mm。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)示意

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該氣化爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件的制造難點(diǎn)及控制措施

2.1 激冷室筒體成型

激冷室筒體材質(zhì)為SA－387Gr11Cl2，內(nèi)徑為4150 mm，設(shè)計(jì)厚度160 mm，考慮到工藝減薄量，筒體取用厚度162 mm，筒體分4節(jié)，單節(jié)長(zhǎng)度L=2055 mm。由于技術(shù)文件要求筒體圓度允差不大于±6 mm，如此厚壁大直徑的筒體成型尺寸公差控制難度很大。

為保證筒體尺寸公差滿足技術(shù)文件要求，利于后續(xù)工序?qū)嵤?，結(jié)合以往厚壁筒體卷制經(jīng)驗(yàn)［2－4］，從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步優(yōu)化筒體成型工藝，最終將筒體內(nèi)徑尺寸控制在4147～4154 mm范圍內(nèi)，完全滿足了圖紙尺寸要求。

2.1.1 激冷室筒體成型工序流程的確定

常規(guī)情況下，激冷室筒體的成型應(yīng)按照以下工序進(jìn)行:預(yù)彎→卷圓→切除直邊段→二次合口→焊接縱縫→中間熱處理→校圓;但按照卷板機(jī)規(guī)格書(shū)中提供的技術(shù)要求，該厚度直邊段長(zhǎng)度約為2倍的壁厚，將不可避免地造成不必要的原材料浪費(fèi)。

結(jié)合多年厚壁筒體卷制經(jīng)驗(yàn)，考慮到SA－387Gr11CL2材料在中間熱處理溫度區(qū)間左右的抗拉強(qiáng)度較室溫狀態(tài)降幅很大，將縱縫中間熱處理與校圓合并，將激冷室筒體成型工藝作出如下優(yōu)化:預(yù)彎→卷圓→焊接縱縫→中溫校圓。

2.1.2 筒體下料尺寸的確定

鋼板下料長(zhǎng)度決定了筒體卷成后的周長(zhǎng)πD是否超差;由于影響鋼板周長(zhǎng)伸長(zhǎng)量的因素很多，如卷校圓時(shí)卷制圈數(shù)、卷制時(shí)間、溫度、鋼板受力大小、卷制速度、鋼板材質(zhì)屈服強(qiáng)度等，很難準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)。對(duì)此，一般通過(guò)理論估算確定范圍，然后參考制造廠以往制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。

根據(jù)周長(zhǎng)伸長(zhǎng)量估算公式［1］:

ΔL=KπS(1+S/Dn)

式中 ΔL——周長(zhǎng)伸長(zhǎng)量，mm

K——卷制條件系數(shù)

S——板厚，mm

Dn——內(nèi)徑，mm

由于熱卷時(shí) K=0.10～0.12，冷卷時(shí) K=0.03，因此按冷卷計(jì)算時(shí)ΔL=16 mm，按熱卷計(jì)算時(shí)ΔL=63 mm?？紤]到中溫時(shí)鋼板的塑性、縱縫的焊接收縮量，同時(shí)結(jié)合對(duì)SA－387Gr11CL2這種材質(zhì)類(lèi)似筒身制造經(jīng)驗(yàn)，筒體伸長(zhǎng)量定為35 mm比較準(zhǔn)確，即下料尺寸按πD中－35 mm。同時(shí)下料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼板對(duì)角線公差，避免下料尺寸超差引起筒體成型尺寸超差。筆者在縱縫焊后及校圓后分別測(cè)量多個(gè)筒體外周長(zhǎng)尺寸，與理論數(shù)據(jù)的差值基本都在10 mm以內(nèi)，這個(gè)數(shù)據(jù)為筒體內(nèi)徑尺寸避免超差提供了基礎(chǔ)。

2.1.3 激冷室筒體中溫校圓過(guò)程控制

激冷室筒體成型工藝的關(guān)鍵就是在中溫校圓，結(jié)合Cr－Mo鋼的特性，激冷室筒體校圓過(guò)程需控制在高溫區(qū)和低溫區(qū)進(jìn)行，以避開(kāi)材料脆性加大的溫度區(qū)間，其中高溫區(qū)主要用于校圓直邊，低溫區(qū)主要用于筒體整體尺寸的校圓。初卷圓時(shí)直邊段長(zhǎng)度將對(duì)筒體校圓過(guò)程產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。

焊縫金屬及其熱影響區(qū)在經(jīng)歷中溫過(guò)程后，其硬度及強(qiáng)度值仍會(huì)比其他位置高。基于力臂原理，初卷直邊段長(zhǎng)短將會(huì)影響校圓直邊段所需要的下壓力和校圓時(shí)間。這是因?yàn)橥搀w縱縫及其熱影響區(qū)在校圓過(guò)程中需承受的壓力均高于其余位置，而且每一次校圓的受壓點(diǎn)不能處于同一位置。因此，直邊段過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)增加校圓直邊段所消耗的時(shí)間，甚至?xí)斐稍诟邷貐^(qū)間無(wú)法完全有效地校圓直邊，增加成本的同時(shí)還將影響焊縫的工藝評(píng)定時(shí)間;另一方面，焊縫及其熱影響區(qū)在校圓時(shí)所承受的壓力過(guò)大，受壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊縫及其熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。

直邊段尺寸與校圓時(shí)間協(xié)調(diào)控制到一個(gè)合理的范圍是中溫校圓過(guò)程的關(guān)鍵。該工程氣化爐激冷室筒體初卷圓時(shí)控制單側(cè)直邊長(zhǎng)度在2.5～3倍壁厚后，一次加熱筒體并校圓后，尺寸公差就已滿足要求，筒體中溫校圓過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 筒體中溫校圓圖

筒體在中間熱處理溫度出爐后，由于溫差大，溫度下降很快，因此工序操作的銜接對(duì)筒體中溫校圓過(guò)程的影響很大。經(jīng)測(cè)算，內(nèi)徑4150 mm的筒體在高溫區(qū)間校圓需要的時(shí)間約1 h。由于筒體與周?chē)h(huán)境溫差很大，校圓過(guò)程中筒體冷卻很快，為保證筒體在高溫區(qū)間有足夠的時(shí)間進(jìn)行校圓，減少筒體校圓前的不必要的溫度降低，必須縮短校圓前的準(zhǔn)備時(shí)間，筒體加熱和校圓之間的工序銜接必須迅速有效。

2.2 厚壁錐體的成型

氣化爐變徑段壁厚162 mm，下錐體壁厚182 mm，具體尺寸規(guī)格見(jiàn)圖3，4。

由于錐體壁厚太大，無(wú)法冷壓成型，熱壓成型過(guò)程錐體的形線無(wú)法得到有效控制，而且錐體熱壓后續(xù)還有恢復(fù)性能的熱處理，這不可避免地會(huì)增加控制錐體瓦片成型公差的難度。錐體1/4分瓣成型后，單個(gè)瓦片的重量近8 t，裝配過(guò)程中調(diào)整難度很大，同時(shí)錐體壁厚和高度尺寸太高，焊接過(guò)程中的變形無(wú)法通過(guò)設(shè)備進(jìn)行校正。兩個(gè)錐體的大口分別與激冷室筒體相接，若錐體裝焊成型后圓度公差無(wú)法控制到與激冷室筒體相近，將嚴(yán)重影響氣化爐的最終裝配直線度要求。

針對(duì)錐體成型的困難，結(jié)合其他錐體成型經(jīng)驗(yàn)［5］，錐體成型按照如下方案進(jìn)行:

(1)錐體瓦片四周留足夠的余量，用以保證瓦片尺寸;

(2)錐體專(zhuān)用裝配平臺(tái)上組裝，裝配過(guò)程中先加工其中3個(gè)瓦片的拼接坡口并拼裝固定，剩余一片試裝調(diào)整合格后加工余量和坡口，再與其余3片裝焊固定。

圖3 上錐體結(jié)構(gòu)示意

圖4 下錐體結(jié)構(gòu)示意

(3)裝焊拼縫前，應(yīng)在錐體高度方向上均布裝焊3個(gè)環(huán)向拉筋固定錐體尺寸，特別是大小口附近，盡量減小錐體因拼縫焊接產(chǎn)生尺寸變化。

(4)錐體拼縫應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)焊接，焊縫焊至2/3壁厚后進(jìn)行中間熱處理，減小焊接應(yīng)力，所有焊縫焊滿后再進(jìn)行中間熱處理，進(jìn)一步減小焊接應(yīng)力，最后一次中間熱處理結(jié)束后方可拆除固定拉筋。

(5)錐體大小口機(jī)械加工時(shí)相互兼顧，以保證錐體大小口同心度，同時(shí)與激冷室相關(guān)筒體配車(chē)合車(chē)加工坡口及內(nèi)外輪廓［6］，以保證相關(guān)部件的同心度，降低爐殼在總裝過(guò)程中的調(diào)整難度。

2.3 氣化爐殼體內(nèi)表面的鎳基堆焊

氣化爐結(jié)構(gòu)(如圖1所示)分為上部燃燒室和下部激冷室兩部分，煤的氣化在燃燒室段完成，產(chǎn)出氣和煤渣進(jìn)入激冷室段冷卻和排出。德士古氣化爐內(nèi)部，特別是激冷室側(cè)的工作介質(zhì)都具有嚴(yán)重的腐蝕性。為避免這種高溫、強(qiáng)有害腐蝕性介質(zhì)對(duì)殼體的腐蝕，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采取了在爐殼所有與工作介質(zhì)接觸的內(nèi)表面全部堆焊鎳基合金的方式，其中燃燒室側(cè)堆焊Inconel 625，堆焊厚度≥6 mm，激冷室側(cè)堆焊Inconel 600，堆焊厚度≥3 mm。

本次堆焊面積大，工作量重，對(duì)于筒體、錐形封頭等零部件可以實(shí)現(xiàn)帶極堆焊［7］的部件，在對(duì)比各種大面積堆焊工藝的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選用高效率的附帶磁控裝置的帶極電渣堆焊工藝進(jìn)行生產(chǎn)。鎳基合金的堆焊過(guò)程中，鎳元素與雜質(zhì)元素易形成低熔點(diǎn)共晶物而產(chǎn)生熱裂紋，為此，針對(duì)堆焊焊材，調(diào)整和優(yōu)化影響堆焊質(zhì)量的相關(guān)重要焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定了最合格的焊接材料和焊接參數(shù)。

鎳基合金單層或雙層堆焊均在第一層堆焊完成后，工件整體進(jìn)爐進(jìn)行消氫處理，釋放堆焊產(chǎn)生的部分熱應(yīng)力，降低產(chǎn)生焊接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，減小筒體圓度因堆焊產(chǎn)生變形的幾率。

2.4 氣化爐殼體的總裝

該工程氣化爐殼體總重近390 t，且需要對(duì)接的各部件都是由卷制或壓制成型厚壁筒體或錐體，零件本身存在一定公差，總裝過(guò)程中的調(diào)整難度非常大，生產(chǎn)效率低，還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為保證氣化爐殼體總裝尺寸公差及爐殼上接管的位置精度符合技術(shù)文件的要求，爐殼分成上、中、下三大段分別進(jìn)行組裝，三大段組裝合格后進(jìn)行最終對(duì)接。其中凸緣法蘭和球形封頭組焊后進(jìn)行中間熱處理，再進(jìn)行燒嘴中心孔和封頭環(huán)縫坡口加工，以保證二者同心。由于激冷室、上下錐體的壁厚都超過(guò)160 mm，接管焊接工作量大，為防止焊接過(guò)程中焊接應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生熱裂紋和應(yīng)力裂紋，激冷室、上下錐體上的接管焊至壁厚的2/3后進(jìn)行中間熱處理，降低風(fēng)險(xiǎn)。托轉(zhuǎn)盤(pán)及下大法蘭都在中間熱處理后加工，以保證整體零件尺寸公差滿足要求，利于后續(xù)總裝。

氣化爐殼體三大段分別對(duì)接時(shí)，為保證整體裝配公差滿足要求(如圖5所示)，分別在爐頂凸緣法蘭處、托轉(zhuǎn)盤(pán)法蘭中心及爐底下大法蘭處各選定一個(gè)測(cè)量截面，并在所測(cè)量的截面上用定心器定出中心點(diǎn)。使用測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡利用已定出上下法蘭上的兩中心點(diǎn)建立爐體中心基準(zhǔn)線;裝配過(guò)程中使用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡測(cè)量凸緣法蘭定位中心點(diǎn)與爐體中心基準(zhǔn)線間的距離偏差并加以調(diào)整。凸緣法蘭調(diào)整合格后，再利用定心器分別確定激冷室及燃燒室筒體各截面的中心，并利用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡測(cè)量各截面的中心點(diǎn)與殼體直線度偏差［8］。結(jié)合所測(cè)的偏差值，調(diào)整三大段，合格后裝焊成一體。

圖5 氣化爐總裝檢測(cè)示意

2.5 大型德士古氣化爐的運(yùn)輸

該大型德士古氣化爐的外形尺寸規(guī)格和噸位大，遠(yuǎn)超一般大件的運(yùn)輸尺寸，運(yùn)輸難度特別大。在不考慮接管方位的情況下，零件理論高度已達(dá)4474 mm，無(wú)法使用常規(guī)板車(chē)裝車(chē)承載運(yùn)輸。結(jié)合運(yùn)輸路線中路橋情況，最終確定如圖6所示的“抬轎式”裝車(chē)運(yùn)輸方案。

圖6 氣化爐運(yùn)輸方案示意

圖7 氣化爐裝車(chē)圖

“抬轎式”裝車(chē)運(yùn)輸方案是結(jié)合了氣化爐殼體燃燒室到激冷室的外徑尺寸變化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)輸過(guò)程中，將氣化爐殼體中激冷室懸空，有效降低車(chē)貨的整體高度，使用前后兩板車(chē)共同承載的方式運(yùn)輸。裝車(chē)時(shí)，將前車(chē)支撐點(diǎn)固定于前板車(chē)轉(zhuǎn)盤(pán)上，前車(chē)承重約240 t，后車(chē)支撐點(diǎn)在后板車(chē)支座上，承重約165 t，爐體重心調(diào)整至前后支撐點(diǎn)間距前支撐點(diǎn)約15 m的位置。實(shí)際裝車(chē)和運(yùn)輸過(guò)程中，將燃燒室側(cè)筒體固定于前車(chē)懸臂梁上，同時(shí)在后車(chē)支撐點(diǎn)處裝焊專(zhuān)門(mén)制作的強(qiáng)度合適的氣化爐工裝筒，使用20個(gè)高強(qiáng)度螺栓將工裝筒和氣化爐連接固定，最終控制車(chē)貨行駛高度在5100±200 mm范圍波動(dòng)，滿足運(yùn)輸路線上的所有路橋高度要求，如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

該煤制烯烴工程的大型德士古氣化爐順利制造完成，表明針對(duì)這種超大規(guī)格德士古氣化爐采取的關(guān)鍵制造工藝措施、檢測(cè)手段及運(yùn)輸方式是切實(shí)有效的，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和制造的順利進(jìn)行起到了關(guān)鍵作用。該氣化爐的制造成功，為超大規(guī)格板焊壓力容器積累了經(jīng)驗(yàn)，也可以為其他超大規(guī)格板焊壓力容器的制造工藝和質(zhì)量的改進(jìn)提供借鑒和參考。

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