合成氣廢熱回收加熱器關(guān)鍵制造技術(shù)

(高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，哈爾濱 150046)

0 引言

合成氣廢熱回收加熱器是Cassle合成氨裝置中關(guān)鍵的配套換熱設(shè)備，它長(zhǎng)期處于高溫、高壓的苛刻工況下運(yùn)行[1]。為某出口合成氨項(xiàng)目制造的合成氣廢熱回收加熱器，是按照ASME Ⅷ-Div.2和API 934標(biāo)準(zhǔn)體系制造的化工換熱器產(chǎn)品，技術(shù)要求嚴(yán)格，制造難度大，對(duì)此，結(jié)合該設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造廠的設(shè)備能力，制定了切實(shí)有效的制造工藝和措施[2]，并進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，最終解決了多個(gè)制造工藝難題，為該種設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化制造積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 合成氣廢熱回收加熱器的結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

合成氣廢熱回收加熱器結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

合成氣廢熱回收加熱器是典型的折流桿式換熱器，主要由殼程組件，管系組件和管箱組件及附件組成，其主要特點(diǎn)如下：

(1)管系由30組折流柵組成管架，外部使用不銹鋼夾套包裹，結(jié)構(gòu)緊湊；

(2)管系采用先進(jìn)的防振設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)精巧；

(3)管子與管板的連接采取脹焊結(jié)構(gòu);

(4)管束尾部設(shè)置雙防震支架，將其運(yùn)行期間的振動(dòng)減到最小。

圖1 合成氣廢熱回收加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 主要技術(shù)參數(shù)及零部件規(guī)格

主要技術(shù)參數(shù)見表1，主要零部件材料及規(guī)格,見表2。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 主要零部件材料及規(guī)格

3 主要制造難點(diǎn)和重點(diǎn)制造技術(shù)

該臺(tái)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)和重點(diǎn)在制造技術(shù)，N3接管的裝焊與機(jī)加工精度控制，折流桿管系的制造過程是整臺(tái)設(shè)備制造的關(guān)鍵。

3.1 N3接管的裝焊與整體機(jī)加工

殼程組件主要材料為SA-336M F22Cl.3，由殼程反向法蘭、殼程筒體Ⅰ,Ⅱ構(gòu)成，其中殼程筒體Ⅰ的厚度達(dá)到220 mm，殼程筒體Ⅰ上有4個(gè)接管法蘭組件。

3.1.1 N3裝配位置精度控制

N3接管法蘭直接與氨塔對(duì)接，將在現(xiàn)場(chǎng)安裝氨塔內(nèi)件，尺寸精度要求極高，如圖2所示。由于氨合成塔由國(guó)外廠家供貨，相關(guān)接口安裝存在困難。為保證氨塔內(nèi)件能在現(xiàn)場(chǎng)順利安裝，N3接管的裝焊位置控制和N3接管內(nèi)壁的加工精度都極為重要。

為了從源頭開始保證N3接管的裝配位置精度，在外殼組件熱處理之后,殼程筒體Ⅰ上的開孔及坡口經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工成型，保證坡口的角度及與N3接管的間隙一致。N3接管與外殼裝焊時(shí)，當(dāng)殼體上的4個(gè)中心點(diǎn)到N3接管外壁的尺寸偏差不超過1 mm后，使用4塊L形拉筋板焊接固定，考慮SA-336M F22 Cl.3的焊接性能及焊接工作量，當(dāng)焊接工作量完成達(dá)到殼程筒體Ⅰ壁厚的1/2時(shí)進(jìn)行中間熱處理消除應(yīng)力，所有焊接工作量完成后再進(jìn)行一次熱處理，最后去除L形拉筋板，以減小焊接和熱處理過程中N3接管的變形。

3.1.2 N3接管法蘭與外殼的焊接

由于N3接管和殼程筒體Ⅰ的材料完全是SA-336M F22Cl.3，這種2.25Cr-1Mo材料中含有的Cr,Mo等合金元素為強(qiáng)碳化物形成元素，在較大焊接應(yīng)力的存在情況下能使焊接接頭的過熱區(qū)存在再熱裂紋傾向；焊接接頭中的P,S元素及殘余元素Sb,Sn,As的含量超過容許極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)回火脆性，影響其焊接性能和焊接接頭的力學(xué)性能及使用性能[3-5]。

殼程筒體Ⅰ的厚度220 mm，內(nèi)徑僅為1 260 mm，而N3接管法蘭外徑為846 mm，受尺寸結(jié)構(gòu)影響，焊接質(zhì)量穩(wěn)定的自動(dòng)焊接設(shè)備無法應(yīng)用于該接管的焊接，而只能使用全手工焊的方式來完成這種大淬硬傾向的合金材料，焊接難度極大。

為防止N3接管在焊接過程中出現(xiàn)裂紋，制造過程中采取了嚴(yán)格的預(yù)熱、層間溫度的控制和焊后立即消氫及中間熱處理等工藝措施，具體如下。

(1)選用低氫焊材，以降低熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量，焊前焊材按要求進(jìn)行烘干，使用過程中嚴(yán)格保溫。

(2)嚴(yán)格限制焊接材料中S,P及Sb,Sn,As等元素的含量，具體數(shù)值見表3，保證影響焊縫回火脆性的系數(shù)X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2≤15 ppm，同時(shí)通過進(jìn)行多項(xiàng)焊接工藝評(píng)定，對(duì)焊材、焊縫和產(chǎn)品試板進(jìn)行加速脆性試驗(yàn)-回火脆化傾向性評(píng)定試驗(yàn)，驗(yàn)證焊縫對(duì)回火脆性的敏感性，所有工藝評(píng)定合格后才能進(jìn)行焊接。

表3 熔敷金屬中微量元素的化學(xué)成分 %

(3)焊接中斷或焊接完成后，保持預(yù)熱溫度直至進(jìn)行消氫熱處理，在N3接管焊接至1/2的厚度時(shí)進(jìn)行620±15 ℃的中間熱處理，N3接管焊接完成后再進(jìn)行一次620±15 ℃的中間熱處理，外殼所有焊接完成后進(jìn)行690±10 ℃的最終熱處理，以消除焊縫金屬中的擴(kuò)散氫和部分焊接接頭殘余應(yīng)力。

(4)由于殼程筒體Ⅰ和N3接管的壁厚都特別厚，常規(guī)散燒嘴的預(yù)熱方式無法保證待焊區(qū)域的預(yù)熱溫度均勻，故本設(shè)備焊前高溫預(yù)熱使用熱處理爐加熱至300 ℃并保溫一段時(shí)間，使工件整體預(yù)熱均勻，減少材料內(nèi)部的溫度梯度。預(yù)熱出爐后，對(duì)殼程筒體Ⅰ內(nèi)外表面全方位保溫，并設(shè)計(jì)在外殼內(nèi)部專用的火焰加熱工裝，用于焊接過程中的保溫，保證焊接過程中溫度梯度合適。采取多人并行手工電弧焊，焊接過程中控制層間溫度(如圖3所示)，焊接完成后保持預(yù)熱溫度至消氫處理。

圖3 N3接管焊接操作

在上述控制措施基礎(chǔ)上，進(jìn)行了嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)定和焊工考試，調(diào)整焊接參數(shù)、提高焊工技能水平，以保證N3接管的最終焊接質(zhì)量。

3.1.3 外殼主螺栓孔及N3接管法蘭的整體加工

設(shè)計(jì)要求殼程組件整體熱處理后，再加工反向法蘭16個(gè)M130×4螺紋孔和周向的16個(gè)?8 mm孔，以及N3接管法蘭的內(nèi)壁，位置如圖4所示。在熱處理之后需要二次機(jī)加工的位置較多。

圖4 外殼需整體機(jī)加工部位示意

為保證整體加工精度，專門制定了加工方案，首先將殼程組件裝卡在數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)臺(tái)上，使N3接管的中心線與數(shù)控機(jī)床的主軸中心線平行，加工N3接管法蘭內(nèi)表面和密封面；完成后旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)90°至外殼中心線與數(shù)控機(jī)床主軸平行，使用專用螺紋銑刀加工反向法蘭的16個(gè)M130×4螺栓孔;最后使用垂直銑頭加工反向法蘭周向的16個(gè)?8 mm孔，如圖5所示，反向法蘭上16個(gè)M130×4的螺紋底孔優(yōu)先使用其他設(shè)備加工，以降低數(shù)控機(jī)床的工作量，提高加工效率。使用上述工序，保證了外殼組件僅經(jīng)過1次裝卡后，實(shí)現(xiàn)了所有部位的機(jī)加工，減少了因多次裝卡引起的加工偏差，從而保證外殼整體及N3接管的加工精度。

圖5 外殼組件整體加工

3.2 折流柵管系的制造

合成氣廢熱回收加熱器的管系由管板、U形換熱管，不銹鋼折流柵、不銹鋼內(nèi)套筒、定位支撐條、定距管及拉桿等組成，其中管系中共有4種不同形式的折流柵30個(gè)，各種折流柵交錯(cuò)間隔布置，管系結(jié)構(gòu)詳見圖6。

圖6 合成氣廢熱回收加熱器管系結(jié)構(gòu)示意

合成氣廢熱回收加熱器的折流柵管系的制造難點(diǎn)主要集中在折流圈[6]、折流桿的加工與組裝和管系的最終組裝等方面。

3.2.1 折流柵的制造

折流柵由折流圈和折流桿組焊而成。折流圈內(nèi)徑、外徑為?1 0940+0.8mm，?1 060 mm，材料為SA-240M 321，厚度為δ20 mm；折流桿直徑為?5 mm，材料為SA-479M 321。折流柵分為4種，其中2種折流柵的折流桿為豎向布置;另外2種折流柵的折流桿為橫向布置，如圖7所示。同向布置的折流桿與中心距離不同，4種折流柵按順序依次布置，每個(gè)折流柵之間的間距為310 mm，每?jī)蓚€(gè)折流圈形成20.4 mm×20.4 mm的方形柵格，如圖8所示，使每個(gè)折流桿均能起到支撐換熱管的作用。

圖7 折流柵結(jié)構(gòu)示意

圖8 折流柵與換熱管的支撐形式

折流圈單邊寬度最小處為17 mm，如圖9所示，厚度為δ20 mm，熱切割下料后極易產(chǎn)生變形。同時(shí)折流圈材料為不銹鋼，裝焊時(shí)焊接收縮量大，變形量大且控制難度大。每個(gè)折流柵在圓周上和中間橫桿上共有13個(gè)?11 mm的拉桿孔，四象限上還有4個(gè)12 mm×20 mm的方槽缺口。拉桿孔和定位方槽位置精度不合適將直接導(dǎo)致定距連接板組裝困難，影響最終管系的組裝。

折流桿直徑僅為?5 mm，且折流桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)(最長(zhǎng)達(dá)到1 058 mmm)，折流桿橫向布置的折流柵中間部位沒有任何搭接部分，焊接后折流桿極易產(chǎn)生變形，折流柵的網(wǎng)狀管孔定位精度很難保證，這將直接影響管架立裝精度和穿管難易程度。

圖9 折流圈結(jié)構(gòu)示意

為了保證折流柵的成型和組焊質(zhì)量，同時(shí)考慮到合成氣廢熱回收加熱器的折流圈輪廓是異形的結(jié)構(gòu)件，無法通過條料卷制并機(jī)加工成型[7-8]，確定將折流柵的制造分為折流圈的預(yù)制和折流柵的組焊及加工兩部分。折流圈按1/3冷切割下料，減少原材料消耗和變形[9]，如圖10所示。

圖10 折流圈分段圖

折流圈在平臺(tái)上裝焊成一體后，將每個(gè)折流圈使用專用工具懸空，在控制焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上交替焊接，減小折流圈拼焊過程中的變形；逐件校平折流圈后，多塊疊裝，數(shù)控機(jī)加工折流圈的內(nèi)外輪廓，用以保證折流桿裝焊前折流圈的尺寸精度。

為提高折流柵組對(duì)精度，根據(jù)圖紙結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)一組裝配胎具[10](見圖11)，在裝配胎具上控制折流桿開槽間隙公差，弓形擋板完全機(jī)械加工成型，保證與折流圈組對(duì)時(shí)，間隙合適，使焊接后的收縮在預(yù)期范圍內(nèi)。組對(duì)過程中控制折流的平直度，以保證所有折流圈穿管時(shí)的同軸度。折流桿與折流圈間的焊縫采用焊接線能量較小的氬弧焊進(jìn)行，控制焊接過程中的熱輸入，減小焊接對(duì)整個(gè)折流柵變形的影響，待整體完全冷卻后，再將折流柵組件從工裝脫模，最大限度地降低焊接殘余應(yīng)力的影響。

圖11 折流桿與折流圈在胎具上組裝

每個(gè)折流柵冷精校合格后，使用數(shù)控機(jī)床一次加工成型折流圈圓周上的缺口和拉桿孔，有效地保證方槽和拉桿孔的相對(duì)位置誤差[6]，折流圈加工完成后效果如圖12所示。

圖12 加工完成的折流柵

通過上述工藝流程和加工質(zhì)量控制措施，除了有效地降低了原材料成本外，還保證了折流柵的成型和組焊質(zhì)量，折流柵最終的尺寸精度完全符合圖紙要求，減少了后期管系組對(duì)調(diào)整的難度。

3.2.2 管架的組裝

合成氣廢熱回收加熱器管系中折流柵數(shù)量達(dá)到30塊，且折流柵之間的間距很近，其間距為130 mm；換熱管外徑?19.05 mm，折流桿形成的柵格為20.4 mm×20.4 mm，換熱管外壁與折流桿外壁的理論距離為0.675 mm，如圖13所示，管架立裝的精度要求非常高。

圖13 換熱管外壁與柵格間距示意

為保證管架立裝的最終質(zhì)量滿足穿管要求，將管系分為4部分分別立裝，見圖14，分段處的拉桿使用螺紋套筒連接，分段如圖15所示。第1部分：將第1段拉桿與管板裝配好，在殼程筒體Ⅲ外部整體立裝1#～6#折流柵，使用定位管固定，待管架調(diào)整后，整體將1#～6#折流柵整體推入殼程筒體Ⅲ中，并將一些工藝用換熱直管引入管板對(duì)應(yīng)管孔中定位；第2部分：在圓圈區(qū)域逐塊立裝7#～12#折流柵，并調(diào)整定位；第3部分：由于相鄰折流柵之間的間距只有130 mm，拉桿拼接處的操作空間會(huì)非常小，拉桿連接處的螺紋上緊很困難,所以為了留出拉桿拼接處的操作空間，將最后3塊折流柵，即28#～30#折流柵先不裝，將13#～27#折流柵組件，由于少了3塊折流柵，拉桿留出的長(zhǎng)度為450 mm，拉桿拼接處有足夠的操作空間;第4部分：待13#～27#折流柵組裝完成之后，最后立裝28#～30#折流柵[11]。

圖14 管架分段組裝

圖15 管系分段組裝示意

通過上述分段工序制作，再進(jìn)行總體組裝的工藝，既降低了制造難度，又保證了管板與所有折流柵軸線的同心度和垂直度，順利完成了這種折流柵式管系的組裝，為最終順利穿管奠定了基礎(chǔ)，完成效果見圖16。

圖16 管架組裝效果

4 結(jié)語

該合成氣廢熱回收加熱器的折流柵式管束的制造完成，打破了國(guó)外廠家對(duì)此種換熱器生產(chǎn)制造的技術(shù)壟斷。實(shí)踐證明針對(duì)這種結(jié)構(gòu)換熱器采取的制造工藝和改進(jìn)措施是切實(shí)有效的，對(duì)保障產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率起到了關(guān)鍵作用。使用的折流柵制作和管系立裝的工藝技術(shù)，為提升折流桿換熱器的裝配質(zhì)量積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也可以為其他結(jié)構(gòu)換熱器的制造工藝和質(zhì)量的改進(jìn)提供借鑒和參考。