德士古氣化爐的監(jiān)造要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

祁新飛，耿海斌

(1.南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036；2.三門峽化工機(jī)械有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引言

據(jù)BP《 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2021》數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量1 431.97億噸，占全球總量的13.3%，位居世界第四位；同時(shí)，中國(guó)的煤炭消費(fèi)總量也達(dá)到了8 227萬(wàn)噸，占全球消費(fèi)總量的54.3%[1]。在“雙碳”目標(biāo)帶動(dòng)下，越來(lái)越多的煤炭應(yīng)用于煤化工行業(yè)，不僅能生產(chǎn)出更多必須的化工產(chǎn)品，還能通過(guò)煤化工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量作為能源。

煤炭氣化技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤化工行業(yè)，筆者結(jié)合監(jiān)造工作經(jīng)驗(yàn)，介紹的德士古氣化是煤炭氣化技術(shù)中經(jīng)常使用的核心設(shè)備。

1 德士古氣化爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該德士古氣化爐為III類壓力容器，設(shè)計(jì)壓力為7.15 MPa，工作壓力為6.50 MPa，設(shè)計(jì)溫度為氣化室425 ℃，激冷室280 ℃，工作溫度為250 ℃。氣化室的工作介質(zhì)是高溫煤氣、熔渣，激冷室的工作介質(zhì)是高溫煤氣、熔渣、灰水。

該氣化爐從結(jié)構(gòu)上分為氣化室、激冷室、內(nèi)件。氣化室段由氣化室筒體、預(yù)熱燒嘴、四工藝燒嘴、內(nèi)錐形封頭、接管組成；激冷室由激冷室筒體、錐形封頭、卸料口短節(jié)筒體、設(shè)備法蘭、接管組成，如圖1所示。內(nèi)件由洗滌冷卻循環(huán)組件、降液筒、氣泡分割器、靜態(tài)破渣器組成。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該氣化爐技術(shù)要求：殼體任一截面上圓度公差不大于±5 mm；筒體直線度，在任意3 m范圍內(nèi)為2 mm，筒體總長(zhǎng)度上為7 mm；四工藝燒嘴接管中心線必須在同一平面上，平面度偏差不大于1 mm，且該平面必須與氣化爐中性線垂直，垂直度偏差不大于1 mm；頂部預(yù)熱燒嘴法蘭與激冷環(huán)的同軸度偏差不大于±3 mm；托轉(zhuǎn)盤水平度偏差不大于±3 mm。

2 監(jiān)造流程和控制重點(diǎn)

該氣化爐監(jiān)造流程同其他設(shè)備監(jiān)理流程大同小異，在此不再贅述。由于該設(shè)備技術(shù)要求高，監(jiān)造過(guò)程中要重點(diǎn)控制各部件尺寸和組裝尺寸。由于材料特殊性，生產(chǎn)過(guò)程中極易產(chǎn)生冷裂紋[2]，監(jiān)造中必須嚴(yán)格檢查焊前預(yù)熱的溫度避免產(chǎn)生淬硬組織，和焊后及消氫熱處理減少擴(kuò)散氫，來(lái)預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生。

2.1 制造工藝的控制

制造工藝是指導(dǎo)生產(chǎn)藍(lán)本，良好的制造工藝是生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量產(chǎn)品的前提和保證[3]。合適的成型溫度在Cr-Mo類鋼材卷制過(guò)程中，有利于避免出現(xiàn)淬硬傾向、產(chǎn)生冷裂紋、復(fù)合層敏化，縮短熱處理時(shí)間，故工藝的審查尤為重要。工藝文件包括焊接工藝評(píng)定、焊接工藝規(guī)程、制造工藝流轉(zhuǎn)卡、熱處理工藝、無(wú)損檢測(cè)工藝、水壓試驗(yàn)工藝、噴砂油漆工藝等。審查各工藝文件是否滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和已簽訂技術(shù)協(xié)議的要求，若不符合，要求制造廠整改。該設(shè)備的工藝難點(diǎn)是四工藝燒嘴的加工和組裝，務(wù)必要求制造廠編制相應(yīng)的制造工藝，嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行。

2.2 主要部件的控制

主要部件包括筒節(jié)、球形封頭、內(nèi)錐形封頭、錐形封頭。首先要確保所有部件的材料是復(fù)驗(yàn)符合技術(shù)協(xié)議和相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)，并確認(rèn)生產(chǎn)過(guò)程中有移植標(biāo)記[4]。部件尺寸偏差控制在允許的偏差范圍內(nèi)，是保證設(shè)備整體尺寸偏差滿足技術(shù)要求必要前提。在生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制制造過(guò)程，部件合格是保證設(shè)備質(zhì)量的必要條件。

筒節(jié)：筒節(jié)的監(jiān)造檢查包括坡口、錯(cuò)邊量、焊接、圓度、棱角度。每個(gè)筒節(jié)的環(huán)縫坡口應(yīng)機(jī)床上加工，來(lái)保證上下端面的平行度且滿足工藝要求；筒節(jié)縱縫焊接的預(yù)熱溫度大于150 ℃，焊材及焊接電流、電壓等參數(shù)必須滿足焊接工藝。焊接完成后立刻進(jìn)行消氫熱處理，校圓完成后，筒節(jié)的圓度≤5 mm，棱角度E≤2 mm；滿足上述條件24 h后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

球形封頭：球形封頭先拼接后熱成型，之后進(jìn)行正火+回火恢復(fù)性能熱處理。拼縫組對(duì)控制縱縫錯(cuò)邊量，嚴(yán)格按照WPS進(jìn)行焊接，完成后立即進(jìn)行消氫熱處理，24 h后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)合格后，進(jìn)行熱壓成型。成型后按熱處理工藝進(jìn)行正火+回火恢復(fù)性能熱處理，注意封頭焊接試板同爐。球形封頭尺寸控制參數(shù)有：球形封頭壁厚、外凸、內(nèi)凹、封頭深度。

內(nèi)錐形封頭和錐形封頭：錐體的制造采用先分片壓制、后拼接成型、再校形的方法。制造過(guò)程中需控制錐片組對(duì)時(shí)的錯(cuò)邊量，焊接過(guò)程中的預(yù)熱溫度、焊接材料，焊后的消氫熱處理和無(wú)損檢測(cè)。錐形封頭尺寸控制參數(shù)：大、小端的直徑和圓度，封頭的高度(要保證有足夠的加工余量)。

2.3 組裝的控制

筒節(jié)與筒節(jié)的組對(duì)：筒節(jié)組對(duì)前，先用吊心法確定出筒節(jié)的基準(zhǔn)線，以基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)組對(duì)；組對(duì)過(guò)程中控制B類焊縫錯(cuò)邊量≤6 mm，同時(shí)控制筒體的直線度，符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議后進(jìn)入施焊工序。焊接過(guò)程中預(yù)熱溫度＞150 ℃，焊接材料符合WPS。之后按工藝進(jìn)行消氫熱處理和無(wú)損檢測(cè)。另外激冷室筒節(jié)內(nèi)部需進(jìn)行堆焊(≥6 mm的堆焊層)，堆焊過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接電流、電壓等參數(shù)，以減小堆焊對(duì)筒體的圓度的影響。筒節(jié)與上封頭、錐形封頭的組裝：經(jīng)檢驗(yàn)合格的部件，進(jìn)入組裝工序。在組對(duì)過(guò)程中，控制環(huán)焊縫的錯(cuò)邊量，合格后進(jìn)入焊接工序。嚴(yán)格按照WPS進(jìn)行焊接，按照熱處理工藝進(jìn)行熱處理。

本設(shè)備的制造重點(diǎn)和難點(diǎn)在于四工藝燒嘴的組裝，在進(jìn)行四工藝燒嘴組裝焊接時(shí)，給出如下的建議：

(1)在各個(gè)零部件都滿足相應(yīng)的技術(shù)要求后，進(jìn)行組裝工作。組裝工藝燒嘴時(shí)，采用紅外線跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量合格后，方可進(jìn)入下道工序；

(2)為了防止焊接變形，工藝燒嘴安裝檢驗(yàn)合格后，采用對(duì)稱焊的方法使用手工焊焊接固定，再采用自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中要不間斷用紅外線跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，確保有效控制焊接變形量；

(3)預(yù)熱工裝要保證Cr-Mo鋼的預(yù)熱范圍和溫度要求，焊接時(shí)，至少每1 h進(jìn)行檢測(cè)一次且要有溫度測(cè)量記錄。

2.4 監(jiān)造重點(diǎn)及檢驗(yàn)方案

該四噴嘴水煤漿氣化爐的四工藝燒嘴的平面度、兩對(duì)燒嘴接管中心線的垂直度、四工藝燒嘴所在平面與設(shè)備中心線的垂直度要求很高，這是該設(shè)備制造和檢驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這樣高要求的技術(shù)條件同樣也為檢驗(yàn)工作也帶來(lái)了困難，現(xiàn)根據(jù)監(jiān)造過(guò)程中處理經(jīng)驗(yàn)提出以下兩種檢驗(yàn)方案：

(1)利用激光掃面三維測(cè)量如圖2所示，該方案的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，但該方案需要先進(jìn)的設(shè)備，并且激光掃描錄入軟件時(shí)間長(zhǎng)。一般制造廠沒(méi)有該設(shè)備，需請(qǐng)第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)。該方法還存在另一個(gè)弊端，跨專業(yè)，需要對(duì)技術(shù)協(xié)議要求深入溝通理解。

圖2 激光掃面三維測(cè)量圖解

(2)另外一種方法歸納為“打靶法”具體操作方法：制作五個(gè)靶心工裝，靶環(huán)間距為1 mm，將一個(gè)靶心工裝固定在預(yù)熱燒嘴內(nèi)部，并將工裝與預(yù)熱燒嘴調(diào)成同心；將另外四個(gè)靶心分別放置在工藝燒嘴接管內(nèi)部，同樣調(diào)成同心。從兩個(gè)相鄰燒嘴接管中心沿垂直于燒嘴法蘭面的方向發(fā)出兩束激光，測(cè)量激光束在相對(duì)工藝燒嘴接管靶心處的偏差、兩激光束的垂直度、兩激光束在筒體軸向的偏差，這樣就測(cè)出了兩工藝燒嘴接管的中心線的間距、平面度和垂直度。設(shè)備中心線與工藝燒嘴平面垂直度的測(cè)量方法：從卸料口中心沿垂直卸料口法蘭面方向發(fā)出激光束，測(cè)量該激光束與從兩對(duì)工藝燒嘴引出激光束焦點(diǎn)的距離。設(shè)備同軸度測(cè)量方法：測(cè)量沿設(shè)備軸向方向的激光束落在預(yù)熱燒嘴靶心工裝上交點(diǎn)和靶心中心距離偏差。

3 容易忽略問(wèn)題的匯總

3.1 驗(yàn)收基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記

在筆者進(jìn)行監(jiān)造的過(guò)程中，遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：激冷室下段降液管的定位尺寸是該末端到激冷室筒體末端的距離；然而，激冷室筒體末端與錐形封頭已焊接完成，很難準(zhǔn)確確定筒體末端的位置，造成降液筒的定位尺寸偏差。建議在激冷室筒體與錐形封頭組對(duì)完成后，焊縫施焊前，以筒節(jié)末端為基準(zhǔn)，在筒體上以200 mm作為標(biāo)距引出基準(zhǔn)圓，方便降液管的制作和檢驗(yàn)。

3.2 洗滌冷卻環(huán)制作

洗滌冷卻環(huán)組件由冷卻水管、筒節(jié)、洗滌冷卻外環(huán)、洗滌冷卻內(nèi)環(huán)、限位塊構(gòu)成。洗滌冷卻環(huán)組件的作用是使冷卻水在降液管內(nèi)形成均勻的水層，將降液管的熱量帶走，降低降液管內(nèi)溫度。該部件的技術(shù)難點(diǎn)是洗滌冷卻外環(huán)與筒體的間隙要求偏差要求極高，該部件的技術(shù)要求限位塊距筒體的距離為1±0.1 mm，限位塊的作用目的是保證該間隙均勻和限制使用過(guò)程中洗滌冷卻環(huán)外觀位置。洗滌冷卻外環(huán)距筒節(jié)的距離不均，造成水層分布不均，使降液管內(nèi)溫度存在偏差，降低降液管的壽命。該部件的制造可以將筒節(jié)、洗滌外環(huán)、洗滌內(nèi)環(huán)組焊完成后，再進(jìn)行機(jī)加工來(lái)保證該間隙精度，然后再按照?qǐng)D紙安裝、焊接限位塊。

3.3 設(shè)備表面保溫螺母保護(hù)

在氣化爐工作過(guò)程中，為了檢測(cè)氣化室的溫度，以便進(jìn)行相應(yīng)的控制，氣化室段筒體外側(cè)和上封頭外側(cè)焊有數(shù)千個(gè)熱電偶螺母。螺母在筒體縱向的間距為200 mm，而滾輪架滾輪寬度一般有300 mm左右，這樣就遇到了一個(gè)問(wèn)題：設(shè)備在最終熱處理后是不允許進(jìn)行焊接工作，故在設(shè)備最終熱處理前，凡是與設(shè)備本體連接的部件焊接工作完成；筒體放置在滾輪架上，總會(huì)碰到一圈的熱電偶螺母?，F(xiàn)給出如下兩個(gè)處理方案：第一方案對(duì)熱電偶螺母在設(shè)備最終熱處理后進(jìn)行焊接，出具局部熱處理工藝，然后進(jìn)行局部熱處理。第二方案采用寬度為400 mm，大于滾輪架滾輪寬度，厚度為15 mm的板材，卷制成半徑為1 910 mm(該氣化爐直徑為3 600 mm，筒體板厚為110 mm)的兩個(gè)半圓，在該圓弧板材與熱電偶干涉的位置開(kāi)50 mm的孔，大于螺母外徑，在設(shè)備最終熱處理前，將兩塊弧板點(diǎn)焊到筒體上，將護(hù)板的位置與滾輪架接觸，從而保護(hù)熱電偶螺母。該方案的弊端是在熱處理后噴砂油漆設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)備有可能在滾輪架上沿設(shè)備筒體徑向移動(dòng)，造成滾輪與設(shè)備筒體接觸，從而破壞熱電偶螺母；另一個(gè)弊端是，在設(shè)備發(fā)運(yùn)前，去掉該工裝時(shí)，存在傷及母材的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文就筆者對(duì)四噴嘴水煤漿氣化爐的監(jiān)造過(guò)程的反思、總結(jié)，在氣化爐制造過(guò)程中，四工藝燒嘴的組裝工作該設(shè)備的難點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)的措施來(lái)控制制造過(guò)程造成的偏差，以生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。對(duì)今后同類型設(shè)備制造和監(jiān)理有很大的借鑒意義。在今后的設(shè)備制造或監(jiān)造工作中，遇到相似的問(wèn)題要舉一反三，全面考慮制造過(guò)程中的影響因素，找出主要因素進(jìn)行生產(chǎn)控制。