淺析魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕修復(fù)施工技術(shù)

李立紅 李拴平

(中化二建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030021)

1 概述

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的資源特點(diǎn)，決定了現(xiàn)代大型煤炭深加工產(chǎn)業(yè)的廣闊發(fā)展前景。截止到2017年年底，全國(guó)煤炭保有查明資源儲(chǔ)量為16 000余億噸，為我國(guó)煤化工行業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件。加快對(duì)煤炭清潔高效利用技術(shù)的研究，大力發(fā)展煤制油、煤制天然氣等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，對(duì)保障我國(guó)能源安全具有非常重要的意義，也是我國(guó)建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代化能源體系的必由之路，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的根本途徑。國(guó)家從“十五”期間開(kāi)始至今,建設(shè)了一系列煤基合成油、煤制天然氣示范項(xiàng)目，氣化爐作為煤制油、煤制天然氣項(xiàng)目中的核心裝置，其內(nèi)夾套受高溫高壓煤炭的腐蝕破壞作用最為強(qiáng)烈，內(nèi)夾套一旦腐蝕穿孔，將導(dǎo)致整個(gè)裝置的停車(chē)，本文正是基于此背景下，對(duì)魯奇爐內(nèi)夾套的腐蝕修復(fù)施工方法進(jìn)行了研究。

2 工程概況

我單位施工的某煤制天然氣項(xiàng)目為我國(guó)首個(gè)大型煤制天然氣示范項(xiàng)目，設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)40億m3天然氣，核心裝置為Mark Ⅳ型魯奇加壓氣化爐，規(guī)格：φ4 000×13 000，設(shè)計(jì)壓力：4.0 MPa，一期共16臺(tái)。魯奇爐分外殼體和內(nèi)夾套兩層，其中外殼體厚度為60 mm、材質(zhì)為13MnNiMoNbR，內(nèi)夾套上部厚度為28 mm，材質(zhì)為20R；下部厚度為32 mm，材質(zhì)為15CrMoR。該項(xiàng)目一期投產(chǎn)運(yùn)行一年左右，16臺(tái)氣化爐內(nèi)夾套均出現(xiàn)不同程度的腐蝕破壞，其夾套腐蝕部位、程度不盡相同，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)各部位的具體情況制定針對(duì)性的修復(fù)方案。另外，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，夾套腐蝕修復(fù)工序繁瑣，受限空間交叉作業(yè)頻繁，給現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)工作帶來(lái)了一定的難度。

3 內(nèi)夾套修復(fù)方案的確定和實(shí)施

3.1 工藝流程

工藝流程見(jiàn)圖1。

3.2 方案確定

該項(xiàng)目魯奇爐采用的煤質(zhì)為褐煤，硫化物、鹵化物、堿金屬含量較高，其煤灰中鈉、鉀、硫酸鹽含量偏高以及氣化劑布?xì)獠痪鶆蚴窃斐蓨A套腐蝕的主要原因。經(jīng)掛片試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎳基合金材料可以抵抗該煤質(zhì)腐蝕。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)研究確定：對(duì)已腐蝕穿孔的夾套部位，更換基板材質(zhì)為Q245R、表面堆焊有3 mm～5 mm厚inconel625鎳基合金的復(fù)合板；對(duì)于腐蝕減薄的夾套部位，腐蝕區(qū)域采用異種鋼焊條A302補(bǔ)焊至厚度22 mm以上。然后對(duì)換板和補(bǔ)焊后的夾套表面均進(jìn)行噴砂處理使之露出均勻的金屬光澤。最后對(duì)所有未換板的夾套區(qū)域進(jìn)行堆焊3 mm～5 mm厚的inconel625鎳基合金。

3.3 附屬設(shè)備、爐篦的拆除和夾套測(cè)厚

3.3.1附屬設(shè)備、爐篦拆除

1)工藝管道拆除：將與煤溜槽、煤鎖相連的影響施工的管道全部拆除；拆除的管道統(tǒng)一編號(hào)、分類存放。

2)煤溜槽、煤鎖拆除：首先清理設(shè)備內(nèi)殘留煤塊，然后用廠房配套的40 t葫蘆將其固定，拆除與煤倉(cāng)連接的伸縮節(jié)及與煤鎖連接螺栓，將其吊至廠房外地面上妥善存放；拆除煤鎖下法蘭螺栓，將其吊至廠房外地面上妥善存放。

3)爐篦拆除：打開(kāi)人孔，鋪設(shè)軟梯，做氣體分析，合格后施工人員戴防毒面具進(jìn)入魯奇爐內(nèi)，用磨光機(jī)磨開(kāi)爐篦點(diǎn)焊的螺栓、螺母，按照從上到下的順序?qū)t篦分體后從魯奇爐上法蘭口吊至廠房外地面上妥善存放，如圖2，圖3所示。

3.3.2夾套測(cè)厚

以人孔為起點(diǎn)，順時(shí)針?biāo)椒较蛎扛?00 mm，垂直方向每隔300 mm確定一點(diǎn)，并打磨光滑，用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量每一點(diǎn)的厚度。對(duì)于夾套腐蝕嚴(yán)重甚至腐蝕穿孔的部位相應(yīng)加密觀測(cè)，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理并繪制出夾套厚度分布圖，準(zhǔn)確確定每臺(tái)魯奇爐夾套換板和補(bǔ)焊面積及補(bǔ)焊厚度。

3.4 換板

1)夾套等分、定位：采取分塊拆除的方法，以魯奇爐人孔為起點(diǎn)、對(duì)夾套進(jìn)行八等分，用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)記；由于夾套腐蝕嚴(yán)重，其下部段(材質(zhì)15CrMoR)和上部段(材質(zhì)20R)之間的焊縫已無(wú)法辨識(shí)，故采用便攜式光譜儀做光譜分析，確定焊縫位置并用記號(hào)筆在夾套四周進(jìn)行標(biāo)記。

2)夾套拆除：在需拆除的每塊夾套中心線位置焊接吊耳，先用氣刨將其切割至5 mm～10 mm深后，換用等離子切割機(jī)將其切割移除。

3)復(fù)合板組對(duì)：復(fù)合板為V型坡口，夾套拆除兩塊后，開(kāi)始組對(duì)一塊復(fù)合板并焊接定位護(hù)板。以后每拆除一塊夾套均組對(duì)一塊復(fù)合板直至復(fù)合板組對(duì)完畢，以防止夾套拆除時(shí)大量變形。復(fù)合板組對(duì)以內(nèi)表面平齊，縱向焊縫錯(cuò)邊量不大于3 mm、環(huán)向焊縫錯(cuò)邊量不大于3 mm，兩塊復(fù)合板材間縱縫坡口間距為(2±1)mm為準(zhǔn)。

4)復(fù)合板焊接：施焊前清除坡口及母材兩側(cè)表面20 mm范圍內(nèi)的氧化物、油污及其他有害雜質(zhì)，并在始焊處100 mm內(nèi)將復(fù)合板預(yù)熱至80 ℃以上。復(fù)合板焊接時(shí)先焊縱焊縫再焊環(huán)焊縫，焊工對(duì)稱分布，沿同一方向施焊，并留丁字焊縫最后施焊。焊接完畢后進(jìn)行焊縫外觀檢查，表面不得有裂紋、咬邊、凹坑、飛濺等缺陷。

3.5 夾套補(bǔ)焊

由于夾套腐蝕以均勻凹坑為主，故把腐蝕部位劃分為更小的多個(gè)區(qū)域，以每個(gè)區(qū)域凹坑中心最薄處開(kāi)始向四周施焊，采取補(bǔ)焊面積逐漸增大的多層次補(bǔ)焊方法。

為減少合金鋼焊接熱處理工作量，補(bǔ)焊焊材選用不銹鋼φ3.2 A302焊條。補(bǔ)焊前用火焰加熱法預(yù)熱至150 ℃～200 ℃，先從每個(gè)區(qū)域凹坑中心開(kāi)始，采用小電流、小面積補(bǔ)焊，防止電流過(guò)大造成夾套變形甚至燒穿夾套，然后仍以凹坑中心開(kāi)始采用正常電流補(bǔ)焊、補(bǔ)焊面積比上次稍微增大，重復(fù)此操作，補(bǔ)焊層數(shù)逐漸增多、補(bǔ)焊面積層層增大直至補(bǔ)焊區(qū)域內(nèi)的夾套厚度達(dá)到22 mm以上；其他補(bǔ)焊區(qū)域采用同樣的方法施工直到夾套補(bǔ)焊完畢。

對(duì)補(bǔ)焊完畢的夾套進(jìn)行厚度測(cè)量，測(cè)量方法與3.2.2條夾套測(cè)厚相同，以保證施工質(zhì)量。

3.6 換板焊縫熱處理

1)同臺(tái)夾套焊縫應(yīng)同步進(jìn)行熱處理，防止夾套受熱不均勻產(chǎn)生局部應(yīng)力。熱處理設(shè)備采用ZWK-11-180KW型智能控溫裝置，磁鋼電加熱片規(guī)格為500 mm×300 mm。

2)依據(jù)換板焊縫長(zhǎng)度確定電加熱片數(shù)量，把磁鋼電加熱片緊貼在夾套表面，均勻插入熱電偶至焊縫中心位置，磁鋼電加熱片外采用陶瓷纖維氈保溫并采取加固措施，二次線、信號(hào)線分別與電加熱片和熱電偶連接。熱處理參數(shù)如表1所示。

表1 夾套焊縫熱處理參數(shù)

3)設(shè)置智能控溫裝置程序，確保各個(gè)程序無(wú)誤，同時(shí)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)進(jìn)行熱處理。

4)熱處理過(guò)程中，密切注意熱電偶溫度并采取相應(yīng)措施，確保焊縫熱處理溫度同步。

3.7 夾套換板和補(bǔ)焊質(zhì)量檢測(cè)

1)夾套換板焊縫表面不得有裂紋、咬邊、凹陷、熔合性飛濺等缺陷；焊縫兩側(cè)150 mm內(nèi)打磨光滑，進(jìn)行UT和TOFD檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

2)夾套補(bǔ)焊完畢進(jìn)行表面質(zhì)量檢查，不得有焊瘤、裂紋等缺陷；對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

3.8 夾套噴砂處理

噴砂材料為石英砂、噴砂面積除夾套換板外其他所有區(qū)域。在爐內(nèi)搭設(shè)井字型腳手架，加大爐內(nèi)空氣流量、確?？諝鈺惩?。夾套噴砂由上至下進(jìn)行，及時(shí)清理廢棄石英砂，保證下部噴砂質(zhì)量。噴砂完畢后表面應(yīng)無(wú)油跡、污垢、鐵銹、氧化物等，在聚光燈下顯示均勻的金屬光澤。

3.9 夾套堆焊、PT檢測(cè)

夾套噴砂除銹合格、滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后，方可進(jìn)行夾套堆焊，堆焊采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)，焊機(jī)為自動(dòng)堆焊機(jī)，每臺(tái)魯奇爐同時(shí)采用5臺(tái)堆焊機(jī)施工。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

沿夾套內(nèi)壁安裝焊機(jī)環(huán)軌道和垂直導(dǎo)軌、安裝堆焊機(jī)，焊絲使用前必須清理表面油污、鐵銹等。用規(guī)格為φ1.2或φ1.6的焊絲進(jìn)行第一次堆焊，在保證焊透的前提下，采用小電流、短電弧操作，第一次堆焊厚度可達(dá)1.8 mm～2.2 mm。第二次堆焊采用小電流多層多道焊，層間溫度控制在100 ℃以下，每層間清理徹底，各層各道間相互錯(cuò)開(kāi)、搭接處平滑過(guò)渡，兩次堆焊厚度可達(dá)4.0 mm～4.5 mm。

堆焊完畢后進(jìn)行表面質(zhì)量檢查，不得有焊瘤、裂紋等缺陷；然后進(jìn)行PT檢測(cè)，評(píng)定級(jí)別為Ⅰ級(jí)合格。

3.10 夾套耐壓試驗(yàn)

夾套設(shè)計(jì)壓力為0.15 MPa、試驗(yàn)壓力0.19 MPa，耐壓水源為消防水、壓力為1.0 MPa。

試驗(yàn)壓力至0.15 MPa時(shí)停留30 min，壓力表無(wú)壓力降方可繼續(xù)升壓至0.17 MPa停留10 min，觀察夾套有無(wú)異常，壓力表無(wú)壓力降方可繼續(xù)升壓至0.19 MPa，此次升壓速度控制在0.005 MPa/min，升壓過(guò)程中仔細(xì)傾聽(tīng)夾套是否有異常聲響以及觀察夾套是否有鼓包等異?，F(xiàn)象。

3.11 爐篦、附屬設(shè)備等調(diào)試、回裝

3.11.1爐篦回裝、調(diào)試

爐篦配件依據(jù)拆卸時(shí)的編號(hào)，按照爐篦圖紙及相關(guān)要求由下至上層層回裝。爐篦調(diào)試前，魯奇爐內(nèi)清理干凈，嚴(yán)禁有鐵制品遺留在爐篦內(nèi)。

3.11.2附屬設(shè)備回裝

附屬設(shè)備等安裝應(yīng)先煤鎖后煤溜槽然后工藝管道的順序按要求依次回裝。

4 實(shí)施效果

我單位在本工程中應(yīng)用上述施工方法共修復(fù)16臺(tái)魯奇加壓氣化爐，先后進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。運(yùn)行一年后，入爐檢查確認(rèn)夾套inconel625堆焊層表面無(wú)腐蝕、裂紋等缺陷，夾套腐蝕修復(fù)效果良好。目前該項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，正在給我國(guó)北方供應(yīng)著源源不斷的清潔天然氣，助力我國(guó)打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。

5 結(jié)語(yǔ)

魯奇爐夾套修復(fù)施工中工序復(fù)雜，操作空間狹小、焊接工程量大，采用補(bǔ)焊和換板相結(jié)合的方案，有效降低工程成本、縮短施工工期；無(wú)損檢測(cè)采用滲透、超聲波和TOFD相結(jié)合的方法，確保了夾套換板焊接焊縫、補(bǔ)焊、堆焊層質(zhì)量；熱處理電加熱片對(duì)稱布置，同臺(tái)爐統(tǒng)一、同步進(jìn)行熱處理，確保熱處理效果；堆焊采用自動(dòng)堆焊機(jī)，提高了生產(chǎn)效率、保證了施工質(zhì)量；由于我國(guó)煤質(zhì)種類繁多，同類型壓力容器的腐蝕破壞機(jī)理不盡相同，但本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)魯奇爐夾套腐蝕修復(fù)施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為今后同類型的壓力容器的腐蝕修復(fù)工程提供了一定的借鑒。