氨氧化爐關(guān)鍵部件制造技術(shù)

宋昌鵬，孫 瑩

(中國石油遼陽石化公司，遼寧遼陽 111003)

0 引言

氨氧化爐(以下簡稱氧化爐)是雙加壓法硝酸生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高、制造難度大。其制造技術(shù)水平和質(zhì)量的高低對于硝酸聯(lián)合裝置能否長期、安全、可靠運行具有十分重要的意義［1－2］。以某廠制造的氧化爐為例，針對制造過程中出現(xiàn)的難點，提出了一套切實可行的制造工藝及質(zhì)量控制手段。

1 氧化爐結(jié)構(gòu)

氧化爐管件多，結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，其關(guān)鍵部件主要由氧化段與余熱回收段兩部分組成，上下部分由法蘭連接。氧化段設(shè)有三層氣體分布室、氧化室、觸媒室等;余熱回收段包括水冷壁、蒸發(fā)器、過熱器等。氧化爐上封頭頂部接管通入氨氣與空氣的混合物，并在875℃的高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且放出大量的熱;下封頭底部接管為氮氧化物出口。余熱回收段主要用于反應(yīng)產(chǎn)物的冷卻、余熱回收，并副產(chǎn)4.2 MPa的中壓蒸汽。

其主要材料及規(guī)格如表1所示，外觀結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。

2 氧化爐制造工藝分析

2.1 制造難點

氧化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盤管多，各部件間間隙小，對制造質(zhì)量和檢驗要求必須嚴(yán)格。因為一旦出現(xiàn)問題，檢修極其困難。

表1 主體材料及規(guī)格

圖1 氧化爐外觀示意

圖2 氧化爐結(jié)構(gòu)示意

其制造難點如下:

(1)焊接工藝要求苛刻。在正常工況下氧化爐內(nèi)部處于高溫高壓條件下，奧氏體高合金耐熱不銹鋼焊接的主要問題有:焊接熱裂紋、焊接接頭各種形式的腐蝕和σ相的脆變等。碳鋼材質(zhì)的鋼管大部分采用ASME標(biāo)準(zhǔn)，如A210 Gr.A－1，A213 Gr.T22 等，由于 S，P 等雜質(zhì)的影響，焊接熱裂紋敏感性增大，容易引起焊縫中的熱裂紋［3］。

(2)裝配公差要求嚴(yán)格。蒸發(fā)器管排呈蛇形垂直排列，整個蒸發(fā)器管排固定在下部的集合總管上;蒸發(fā)器上放著過熱器盤管組，而過熱器又作為鉑網(wǎng)的支撐床，整個系統(tǒng)彈性支撐，這樣有利于熱膨脹，其結(jié)構(gòu)非常緊湊，各組件之間間隙只有幾毫米。殼體與水冷壁盤管緊密貼合，其間隙應(yīng)小于1 mm，管子之間沒有間隙［4］。

(3)氧化爐的氧化段與廢熱回收段采用法蘭螺栓連接，法蘭螺栓經(jīng)預(yù)緊后開車運行，運行一段時間后，經(jīng)常會出現(xiàn)由于螺栓的應(yīng)力松弛而預(yù)緊力不足的現(xiàn)象，造成法蘭端面密封面泄漏，從而導(dǎo)致非計劃停車。

2.2 解決措施

為保證制造質(zhì)量，結(jié)合氧化爐結(jié)構(gòu)特點和實際制造能力，進(jìn)行了高溫抗硝酸氧化合金材料焊接技術(shù)方面的研究，氧化爐的焊接嚴(yán)格遵照設(shè)備技術(shù)條件及相關(guān)規(guī)定。對設(shè)備中關(guān)鍵部件的焊接進(jìn)行了工藝試驗評定，并從中篩選最佳工藝方案。整個制造過程嚴(yán)格遵循壓力容器質(zhì)量保證體系要求，嚴(yán)格執(zhí)行各項工藝文件和規(guī)程，對關(guān)鍵部件采用了新技術(shù)進(jìn)行制造，保證了設(shè)備的制造質(zhì)量。例如水冷壁的制造，采用專利技術(shù)“硝酸氧化爐螺旋管排水冷壁彎制設(shè)備工裝”［5］，最大限度減少了水冷壁與殼體內(nèi)壁的間隙，避免在操作工況下殼體受到高溫的影響。為解決設(shè)備法蘭連接處密封泄漏問題，采用專利技術(shù)“防高溫應(yīng)力松弛的法蘭連接結(jié)構(gòu)”［6］，通過增設(shè)彈性墊圈，有效地避免了法蘭螺栓連接因高溫應(yīng)力松弛或預(yù)緊力不足而造成的密封泄漏問題。

3 氧化爐關(guān)鍵部件制造的要點

3.1 關(guān)鍵部件的制造

3.1.1 鉑網(wǎng)支撐架的焊接制作

鉑網(wǎng)支撐架(見圖3)是氧化段的核心部件之一，其作用是用來固定支撐鉑網(wǎng)和裝載拉西環(huán)，起催化反應(yīng)床作用。設(shè)備運行時溫度近900℃，原材質(zhì)為0Cr18Ni12Mo2Ti，原設(shè)備在正常生產(chǎn)時曾出現(xiàn)了幾次非計劃停車，檢修時發(fā)現(xiàn)支撐架四周焊縫出現(xiàn)大面積開裂，最終導(dǎo)致催化床脫落。分析表明，此處雖是高溫氧化區(qū)域，但不能形成腐蝕性的氣體，只需要材料滿足耐高溫使用條件即可［7］。為此經(jīng)和用戶溝通，將新制造的支撐架材料改為耐高溫性能更好的0Cr25Ni20。根據(jù)0Cr25Ni20奧氏體耐熱不銹鋼的物理性能以及對抗裂性和耐腐蝕性能的要求，焊接時應(yīng)采用小電流、多道焊的焊接方式，為防止材料中合金元素?zé)龘p，盡可能采用短弧焊，焊接時不做過度橫向擺動。

圖3 鉑網(wǎng)支撐架結(jié)構(gòu)示意

依據(jù)上述要點，采用以下焊接工藝:

(1)H0Cr26Ni21Ti φ2 mm 焊絲，I=90 ～100 A，U=12～14 V，v焊=80 ～90 mm/min，氬氣流量(正/背)6 ～9 L/min。

(2)E310－15 φ3.2 mm 焊條，I=110 ～140 A，U=24 ～32 V，v焊=110 ～160 mm/根。

(3)E310－15 φ4 mm 焊條，I=150～180 A，U=24～32 V，v焊=150～180 mm/根。

3.1.2 水冷壁的制造與檢驗

(1)制造。

氧化爐的殼體不設(shè)耐火襯里，而采用水冷壁式結(jié)構(gòu)(見圖4)。為達(dá)到理想的冷卻效果，充分保護殼體，要求水冷壁盤管之間沒有間隙，并貼合在圓柱形筒體和圓錐形筒體內(nèi)，最大間隙不得超過1 mm。

盤管由上往下盤繞，要求筒體內(nèi)壁與水冷壁管之間的最大間隙為1 mm，水冷壁管之間的間隙要求0 mm，完成后用厚0.2 mm，寬100 mm塞尺檢測水冷壁管之間的間隙，塞不進(jìn)為合格，否則應(yīng)校正。為保證盤管的加工質(zhì)量，滿足技術(shù)條件，水冷壁的纏繞采用了專利“硝酸氧化爐螺旋管排水冷壁彎制設(shè)備工裝”［5］(見圖5)。即采用預(yù)應(yīng)力成型法，先在可拆卸水冷壁纏繞工裝上進(jìn)行裝配，然后利用盤管回彈，使其與殼體內(nèi)壁緊密貼合。

圖4 水冷壁結(jié)構(gòu)示意

圖5 水冷壁彎制專利工裝示意

(2)檢驗。

1)管子對接環(huán)縫RT 100%，B級，Ⅱ級合格，焊縫表面 PT 100%，Ⅰ級合格［8］;

2)環(huán)焊縫按JB/T 2636—94《鍋爐受壓元件焊接接頭金相和斷口檢驗方法》進(jìn)行金相檢驗;

3)各組盤管與聯(lián)箱焊接之后，全部新焊縫進(jìn)行 PT 100%，Ⅰ級合格［8］;

4)進(jìn)行整個盤管(包括聯(lián)箱)的水壓試驗，試驗壓力10 MPa;

5)合格后進(jìn)行氨滲透檢查(試驗壓力為4.8 MPa)。

水冷壁制造好后，管內(nèi)通氮氣密封。水冷壁裝入殼體時，凡是施工焊縫，對水冷壁的熱影響區(qū)及對殼體的熱影響區(qū)必須進(jìn)行MT檢測，Ⅰ級合格［8］。水冷壁裝入殼體后，對殼體與水冷壁管相接觸部分和全部水冷壁管進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

3.1.3 蒸發(fā)器的制造與檢驗

(1)制造。

蒸發(fā)器(見圖6)是由多組盤管組成，每組盤管平面彎成多個U形(見圖7，8)，彎曲半徑小，急彎多。通過研制小直徑彎曲成形工裝，保證單組盤管的尺寸嚴(yán)格按圖紙要求。

圖6 蒸發(fā)器成型示意

圖7 蒸發(fā)器單管彎制示意

圖8 蒸發(fā)器單管制造示意

結(jié)構(gòu)特點如下:

1)盤管上部分靠拉條把緊，下部分與集氣管相焊，進(jìn)氣、出氣全部與集氣管焊死，每組盤管兩側(cè)有夾板及筋板加固(見圖9)。

2)進(jìn)出口盤管與集氣管相焊，集氣管與下部異型管相焊，集氣管材質(zhì)為20g，上有支承件為0Cr18Ni10Ti，與內(nèi)部支架相焊(見圖9)。

原設(shè)備經(jīng)過幾年的使用出現(xiàn)幾次非計劃停車修理，嚴(yán)重地影響生產(chǎn)，而多數(shù)原因為在生產(chǎn)運行過程中，余熱回收部分急彎較多，彎管過程中形成的壁厚減薄，加上管內(nèi)介質(zhì)的沖刷和腐蝕，使急彎處成為薄弱環(huán)節(jié)，出現(xiàn)泄漏。解決急彎處的彎管問題成為制造重點。為保證質(zhì)量，制造時要求彎管處壁厚減薄量≤20%壁厚;靠近彎管的直管部分100 mm范圍內(nèi)不得有焊縫，每條直段上最多只能允許有一個焊縫，彎管處禁止用彎頭。

圖9 蒸發(fā)器組裝示意

(2)檢驗。

1)管子對接環(huán)縫RT 100%，B級，Ⅱ級合格，PT 100% ，Ⅰ級合格［8］;

2)全部有R≤150 mm彎管處表面進(jìn)行PT 100% ，Ⅰ級合格［8］;

3)各組盤管及聯(lián)箱、變徑段、節(jié)流圈焊接前進(jìn)行通球檢查，球徑為管內(nèi)徑(名義)的75%;

4)進(jìn)行整個盤管(包括聯(lián)箱)的水壓試驗，試驗壓力10 MPa，合格后進(jìn)行氨滲透檢查(試驗壓力4.8 MPa)。

(3)本部件制造好后，管內(nèi)通氮氣密封。

3.1.4 過熱器的制造與檢驗

(1)制造。

過熱器(見圖10)是多組盤管以漸開線軌跡并行排列，利用漸開線彎管工裝成形。該部件的制造難點在于大直徑接管的漸開線曲線彎制，由于盤管分4層并行排列，如盤制形狀有誤差將造成盤管無法組對成型，對曲線形狀要求相當(dāng)嚴(yán)格。制造前，先打好樣子，保證尺寸，再利用大功率變位機，曲型定型，尺寸定好后再拆下，并同時裝好固定支承，避免變形(見圖11～13)。其次，組裝時要安排好組裝順序及采用正確的裝配方法。經(jīng)過反復(fù)研究，并借鑒以往的制造經(jīng)驗，采用立式分體組對。

圖10 過熱器組件示意

圖11 過熱器單管模臺示意

圖12 過熱器管件示意

(2)檢驗。

1)管子對接環(huán)縫RT 100%，B級，Ⅱ級合格，焊縫表面 PT 100%，Ⅰ級合格［8］;

2)彎管處減薄量≤25%;

3)表面上其他焊縫PT 100%，Ⅰ級合格［7］;

4)全部有R≤120 mm彎管處表面進(jìn)行PT 100%檢測，Ⅰ級合格［7］;

5)各組盤管及聯(lián)箱焊接前進(jìn)行通球檢查，球徑為管內(nèi)徑(名義)的80%;

圖13 過熱器管件焊接示意

6)進(jìn)行整個盤管(包括聯(lián)箱)的水壓試驗，試驗壓力為12.0 MPa;

7)合格后進(jìn)行氨滲透檢查(試驗壓力為4.8 MPa);

8)A213 Gr.T22材料的任何焊接須進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后熱處理。

(3)本部件制造好后，管內(nèi)通氮氣密封。

3.2 氧化爐的整體組裝

圖14 蒸發(fā)器裝配殼體示意

圖15 整體試壓示意

氧化爐的整體組裝過程嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)［9－10］、設(shè)計圖樣以及制造工藝規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，各個工序嚴(yán)格遵循壓力容器質(zhì)量保證體系及各種程序文件。由于氧化爐的余熱回收段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盤管眾多，內(nèi)部空間小，一旦蒸發(fā)器、過熱器等部件的管件出現(xiàn)問題，很難維修。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于其中的部件，其裝配順序的選擇顯得尤為重要。經(jīng)過攻關(guān)研究，選擇先將過熱器、蒸發(fā)器、水冷壁、集氣箱、金屬箱、筒體等部件單獨制作，并各自單獨試壓一次。即先將水冷壁管通過技術(shù)手段裝入筒體內(nèi)并試壓;試壓合格后再將蒸發(fā)器部件、金屬箱、集氣箱組裝在一起，作為一個整體并試壓，將蒸發(fā)器整體裝入筒體內(nèi)(見圖14)，試壓一次;最后將過熱器裝入筒體內(nèi)并試壓;最終整體試壓一次(見圖15)。這樣通過模塊化制造理念，最大限度地降低了各部件出現(xiàn)缺陷的幾率，保證了設(shè)備整體質(zhì)量。

4 結(jié)語

在制造氧化爐過程中，對主要受壓件，以及耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼材料都編制了《壓力容器制造過程控制卡》，進(jìn)行材料標(biāo)記移植和確認(rèn)，各個質(zhì)量控制點均有記錄，整個產(chǎn)品的制造過程自始至終處在全面質(zhì)量管理的質(zhì)保體系控制中，為向用戶提供質(zhì)量合格的產(chǎn)品提供了可靠的保證。至今該設(shè)備一直平穩(wěn)運行在硝酸裝置上，說明氧化爐的制造工藝和質(zhì)量保證措施合理有效，達(dá)到了氧化爐圖紙的設(shè)計要求和用戶的生產(chǎn)需求。

［1］黃炳潮，陳偉龍.涂布機節(jié)能挖潛——TORH有機廢氣處理及熱回收裝置蓄熱室溫度場的優(yōu)化［J］.包裝與食品機械，2011，29(1):67－70.

［2］趙欽新，郭元亮，史進(jìn)淵，等.鍋爐全生命周期安全高效運行和節(jié)能減排［J］.壓力容器，2013，30(1):1－14.

［3］中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊(第二卷)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［4］萬栓紅.國產(chǎn)100 kt/a雙加壓法硝酸裝置蒸汽不能自給原因淺析［J］.化肥工業(yè)，2012，39(2):47－49.

［5］胡麗莉.硝酸氧化爐螺旋管排水冷壁彎制設(shè)備工裝:中國，201120503328.7［P］.2012－10－10.

［6］胡麗莉.防高溫應(yīng)力松弛的法蘭連接結(jié)構(gòu):中國，201120503547.5［P］.2012－08－15.

［7］鄭守利.氧化爐泄漏原因分析及對策［J］.石油化工設(shè)備，2010，39(2):95－96.

［8］JB/T 4730—2005，承壓設(shè)備無損檢測［S］.

［9］TSG R0004—2008，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［10］GB 150—1998，鋼制壓力容器［S］.