分體式水煤漿氣化爐制造工藝技術(shù)

王新紅，徐曉星，竇炳程

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

0 引言

文中所述的燃燒室和激冷室可拆式氣化爐是國(guó)內(nèi)某有機(jī)污水制水煤漿、生產(chǎn)合成氣、氫氣示范技改項(xiàng)目氣化裝置中的主要設(shè)備。由于該分體式氣化爐與美國(guó)GE氣化爐及華東院四噴嘴氣化爐有很大區(qū)別，針對(duì)該產(chǎn)品特點(diǎn)，制定切實(shí)有效的制造工藝和措施[1-4]，并進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以解決多個(gè)制造難題。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及主要零部件材料及規(guī)格

該分體式氣化爐全長(zhǎng)約19 m，總重約60 t，其主要零部件材料及規(guī)格見(jiàn)表1。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其具有以下特點(diǎn)。

(1)采用分體式結(jié)構(gòu)，整個(gè)氣化爐由燃燒室和激冷室兩個(gè)容器組成，通過(guò)?1 709 mm水冷夾套連接，水冷夾套環(huán)形鍛件側(cè)面布置12個(gè)激冷水進(jìn)出孔。

(2)有2套冷卻系統(tǒng),一套是水冷夾套激冷系統(tǒng)；另一套是激冷室上部的冷卻系統(tǒng)。

(3)使用的煤質(zhì)氯離子含量比較高，對(duì)不銹鋼侵蝕嚴(yán)重，因此對(duì)激冷室不進(jìn)行堆焊。

表1 主要零部件技術(shù)參數(shù)

圖1 分體式氣化爐結(jié)構(gòu)示意

2 制造難點(diǎn)及控制措施

2.1 鎳基合金的深孔加工

氣化爐水冷夾套環(huán)形鍛件材料為鎳基合金Incoloy 825，側(cè)面12個(gè)激冷水進(jìn)出孔長(zhǎng)徑比為13.5(長(zhǎng)度365 mm，直徑?27 mm)。由于沒(méi)有鎳基合金深孔加工的經(jīng)驗(yàn)積累，經(jīng)過(guò)查閱大量的資料，并進(jìn)行深入研究，總結(jié)出鎳基合金深孔加工的重點(diǎn)是切削刀具參數(shù)選擇。初期方案為：刀具采用帶有內(nèi)冷功能的槍鉆桿，配高速鋼鍍層刀片，在數(shù)控鏜銑床加工，考慮到長(zhǎng)鉆桿剛性差，起鉆定位不精確，選用了L=130 mm和L=370 mm兩種刀桿；加工方式為L(zhǎng)=130 mm鉆桿鉆130 mm深底孔，L=370 mm刀桿鉆透，長(zhǎng)刀桿鉆孔采用多次退刀散熱；加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速210 r/min、進(jìn)給量為15 mm/min。由于沒(méi)有合適的鎳基合金試樣，故在產(chǎn)品上進(jìn)行試驗(yàn)。

選用上述方案進(jìn)行加工試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，L=130 mm刀桿鉆孔后刀片基本無(wú)磨損，L=370 mm刀桿刀片每次加工30 mm退刀冷卻一次，第三次退刀(即孔深190～220 mm)后刀具明顯磨損，鉆至尾部與另一垂直孔相貫區(qū)域時(shí)，磨損量及車削聲音又有一個(gè)階梯變化，最終平均一個(gè)孔要消耗2個(gè)鉆頭。分析其原因?yàn)椋褐鬏S轉(zhuǎn)速過(guò)快、進(jìn)給量過(guò)大、先鉆相貫孔導(dǎo)致鉆頭刀片受力不均。最后通過(guò)查閱資料并咨詢刀具廠家，作了兩次方案調(diào)整，最終刀片壽命達(dá)到了3孔/片，3次方案調(diào)整見(jiàn)表2，實(shí)際加工情況見(jiàn)圖2。

表2 加工方案對(duì)比

圖2 孔加工及刀具磨損情況

2.2 不銹鋼件組焊后尺寸控制[2-4]

水冷夾套主要材料為Incoloy 825，有2個(gè)?1 709 mm密封端面，由于鎳基合金電阻率大、導(dǎo)熱性差，焊接過(guò)程中比碳鋼更易產(chǎn)生變形，采取合理的工藝措施解決了焊接變形，保證了組件尺寸公差。

2.2.1 尺寸及公差控制

首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少夾套內(nèi)筒上一條環(huán)向拼接焊縫(見(jiàn)圖3)，從而減少焊接熱輸出；其次對(duì)稱裝焊，減少變形；最后，套裝短節(jié)內(nèi)外圓和環(huán)形鍛件的密封端面預(yù)留余量，待組件裝焊完畢、尺寸穩(wěn)定后再加工，確保公差要求。

圖3 設(shè)計(jì)院原圖(上)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖(下)

2.2.2 密封面二次機(jī)加工余量預(yù)留[4-7]

水冷夾套中Incoloy 825環(huán)形鍛件設(shè)計(jì)尺寸為：?1 709 mm/?968 mm，H=70 mm，上下端面?1 600～?1 709 mm區(qū)域?yàn)槊芊饷妗－h(huán)形鍛件厚度余量預(yù)留15 mm，由70 mm變至85 mm，每個(gè)端面分配的二次加工余量為7.5 mm，見(jiàn)圖4。實(shí)際需要二次加工余量由3個(gè)因素決定：一是環(huán)形鍛件端面來(lái)料平面度；二是組焊后端面變形量；三是密封面精加工找平余量。

圖4 二次加工后環(huán)形鍛件

(1)來(lái)料平面度通過(guò)測(cè)量一次加工的基準(zhǔn)平面和原始端面的臺(tái)階高度來(lái)確定，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 平面度檢測(cè)結(jié)果

(2)焊接變形與加工余量通過(guò)焊后組件在車床上進(jìn)行端面找平實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 焊接變形與加工余量Tab.4 Welding deformation and machining allowance mm

2.3 激冷室內(nèi)件安裝[2-4]

內(nèi)件中下降筒中部與激冷室連接法蘭Ⅰ螺栓連接、上部與激冷室支撐環(huán)套裝、頂部與水冷夾套套裝，見(jiàn)圖5。套裝間隙小，且連接法蘭Ⅰ厚度小，裝焊時(shí)易變形，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)件的安裝，保證激冷室內(nèi)件與氣化爐中心線同心，將擋板上連接法蘭Ⅰ的開(kāi)孔單邊預(yù)留5 mm余量，待激冷室整體熱處理結(jié)束后，測(cè)量該開(kāi)孔與激冷室上法蘭同心度，然后修配連接法蘭Ⅰ開(kāi)孔到圖紙尺寸，保證開(kāi)孔與激冷室上法蘭同心。

圖5 下降筒上部連接結(jié)構(gòu)(左)和中部連接結(jié)構(gòu)(右)

(1)水壓后連接法蘭Ⅰ與激冷室內(nèi)件把緊在一起，作為一個(gè)整體進(jìn)行裝配。

(2)支撐環(huán)與下降筒先套裝在一起，然后進(jìn)行試裝，等激冷室內(nèi)件裝焊合格后,再進(jìn)行支撐環(huán)與支撐板的焊接，防止因焊后支撐環(huán)變形而無(wú)法與下降筒套裝。

(3)連接法蘭 Ⅰ 以上150 mm處將下降筒分段，并將該處環(huán)縫改為內(nèi)坡口，以該處環(huán)縫為準(zhǔn)，使激冷室內(nèi)件分為兩個(gè)部分：上部組件和其余激冷室內(nèi)件。一是便于以下降筒上部組件為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)激冷室內(nèi)件與殼體中心線同心；二是調(diào)整合格后，可拆下上部組件，留出連接法蘭 Ⅰ 的焊接操作空間。

(4)下降筒與水冷夾套套裝部分裝十字支撐，將下降筒撐圓，待水冷夾套與下降筒套裝完成后再拆除[6-8]，見(jiàn)圖6。

圖6 下降筒套裝區(qū)域撐圓現(xiàn)場(chǎng)

2.4 氣化爐整體尺寸的保證[7-11]

該氣化爐由兩臺(tái)設(shè)備組成，但最終作為一個(gè)整體進(jìn)行尺寸驗(yàn)收。工藝制定合理裝配順序和控制措施，采用了配車、組件機(jī)加工、整體試裝等工藝方法，保證設(shè)備殼體的整體形位公差。

(1)燃燒室封頭頂部大法蘭與封頭成組件，消應(yīng)力穩(wěn)定尺寸后加工，保證法蘭內(nèi)圓中心與組件中心線同心，同時(shí)，保證法蘭端面垂直組件中心線，下法蘭組件如圖7所示。

圖7 燃燒室下法蘭組件

(2)將兩臺(tái)設(shè)備拆分為3個(gè)部件進(jìn)行整體試裝。燃燒室下封頭組件和激冷室上封頭組件把緊在一起作為一個(gè)組件，激冷室和燃燒室其余部分分別為一個(gè)組件，3個(gè)組件進(jìn)行試裝，2條環(huán)縫用于氣化爐最終尺寸的調(diào)整(見(jiàn)圖8)。

(3)環(huán)形鍛件上下兩個(gè)端面互為基準(zhǔn)進(jìn)行車削加工，保證水冷夾套環(huán)形鍛件上下兩個(gè)端面的平行度，從而保證設(shè)備整體直線度[6-8]，兩個(gè)端面平行度通過(guò)測(cè)量環(huán)形鍛件各處厚度來(lái)計(jì)算。實(shí)際生產(chǎn)中，環(huán)形鍛件最厚68.3 mm，最薄66.7 mm，不平度為1.6 mm，見(jiàn)圖9。

圖8 氣化爐整體試裝現(xiàn)場(chǎng)

圖9 環(huán)形鍛件二次機(jī)加工后厚度測(cè)量

2.5 整體水壓試驗(yàn)[9]

兩臺(tái)設(shè)備單獨(dú)水壓試驗(yàn)，廠內(nèi)無(wú)合適大水壓蓋，同時(shí)單獨(dú)水壓試驗(yàn)也無(wú)法驗(yàn)證水冷夾套及兩設(shè)備連接法蘭密封面的密封性能。工藝制定合理的水壓試驗(yàn)方案，主要從提高密封面加工質(zhì)量和減少兩臺(tái)設(shè)備施加給連接螺栓的扭矩這兩方面采取措施，最終實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備的整體水壓試驗(yàn)。

2.5.1 密封面加工[6-11]

(1)密封面預(yù)留余量，當(dāng)各件裝焊完畢、組件尺寸穩(wěn)定后，再進(jìn)行密封面的加工。

(2)密封面先粗車去余量，然后精車密封端面，保證密封面粗糙度≤Ra6.3。

(3)對(duì)于水冷夾套環(huán)形鍛件密封面，先將環(huán)形鍛件粗加工去余量，并保留足夠二次機(jī)加余量，待與圓周方向均布接管組焊完成后，再對(duì)組件進(jìn)行兩次加工，精車密封面(見(jiàn)圖9)，保證密封面粗糙度≤Ra6.3。

2.5.2 整體水壓試驗(yàn)

激冷室和燃燒室進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)時(shí)只使用一對(duì)滾輪架，布置在兩容器重心位置，增大兩臺(tái)設(shè)備的自由度，減少設(shè)備自重施加給連接螺栓的力，如圖10所示。

圖10 一對(duì)滾輪架整體水壓試驗(yàn)(左)和法蘭連接(右)示意

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述工藝措施的實(shí)施，有效解決了分體式氣化爐制造過(guò)程中的難題，控制了產(chǎn)品尺寸公差，保證了產(chǎn)品的最終使用性能，該設(shè)備已于2017年投入運(yùn)行，至今運(yùn)行狀況良好，為同類型產(chǎn)品的制造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。