劉太平，武玉君，杜國珠

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150046)

0 引言

德士古氣化爐是國內(nèi)現(xiàn)有的幾種成熟的煤氣化裝置之一。隨著煤化工行業(yè)市場的擴大，德士古氣化爐進一步向大型化發(fā)展。某公司制造的德士古氣化爐設計金屬重量已達405 t，該氣化爐外形尺寸如下:φ3464/φ4474 mm ×22170 mm，其中燃燒室筒體壁厚132 mm，激冷室筒體壁厚162 mm，具體規(guī)格尺寸見圖1。

該氣化爐殼體板材厚、設備壓力高，技術要求嚴格，制造難度大。對此，制定了切實有效的制造工藝和措施［1］，并進行技術攻關，最終解決了多個制造工藝難題。

1 氣化爐結(jié)構(gòu)特點和主要規(guī)格參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)特點

該氣化爐殼體由凸緣法蘭、上封頭、燃燒室筒體、變徑段、殼體鍛件、激冷室筒體、下錐體、激冷室短節(jié)及下大法蘭組成(如圖1所示)。殼體主材選用SA－387Gr11CL2和SA－336F11CL3耐熱合金鋼，與介質(zhì)接觸氣化爐內(nèi)壁全部堆焊鎳基合金，其中燃燒室側(cè)堆焊Inconel 625，激冷室堆焊Inconel 600。

1.2 技術規(guī)格參數(shù)

氣化爐容器為Ⅲ類(A2)壓力容器，任意3000 mm長筒節(jié)直線度允差±3 mm，全長直線度允差±6 mm。制造完成后，氣化爐全長范圍內(nèi)設備中心線垂直度公差不大于16 mm;殼體圓度允差±6 mm;氣化爐頂凸緣法蘭中心線與爐體中心線間的同軸度允差不大于±6 mm，其與激冷環(huán)安裝中心線之間同軸度允差±3 mm;凸緣法蘭中心線與殼體中心線的角度允差±0.5°，氣化爐托磚板水平度偏差不大于±3 mm。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)示意

1.3 主要設計參數(shù)

該氣化爐主要設計參數(shù)見表1。

表1 主要設計參數(shù)

2 關鍵部件的制造難點及控制措施

2.1 激冷室筒體成型

激冷室筒體材質(zhì)為SA－387Gr11Cl2，內(nèi)徑為4150 mm，設計厚度160 mm，考慮到工藝減薄量，筒體取用厚度162 mm，筒體分4節(jié)，單節(jié)長度L=2055 mm。由于技術文件要求筒體圓度允差不大于±6 mm，如此厚壁大直徑的筒體成型尺寸公差控制難度很大。

為保證筒體尺寸公差滿足技術文件要求，利于后續(xù)工序?qū)嵤?，結(jié)合以往厚壁筒體卷制經(jīng)驗［2－4］，從以下幾個方面進一步優(yōu)化筒體成型工藝，最終將筒體內(nèi)徑尺寸控制在4147～4154 mm范圍內(nèi)，完全滿足了圖紙尺寸要求。

2.1.1 激冷室筒體成型工序流程的確定

常規(guī)情況下，激冷室筒體的成型應按照以下工序進行:預彎→卷圓→切除直邊段→二次合口→焊接縱縫→中間熱處理→校圓;但按照卷板機規(guī)格書中提供的技術要求，該厚度直邊段長度約為2倍的壁厚，將不可避免地造成不必要的原材料浪費。

結(jié)合多年厚壁筒體卷制經(jīng)驗，考慮到SA－387Gr11CL2材料在中間熱處理溫度區(qū)間左右的抗拉強度較室溫狀態(tài)降幅很大，將縱縫中間熱處理與校圓合并，將激冷室筒體成型工藝作出如下優(yōu)化:預彎→卷圓→焊接縱縫→中溫校圓。

2.1.2 筒體下料尺寸的確定

鋼板下料長度決定了筒體卷成后的周長πD是否超差;由于影響鋼板周長伸長量的因素很多，如卷校圓時卷制圈數(shù)、卷制時間、溫度、鋼板受力大小、卷制速度、鋼板材質(zhì)屈服強度等，很難準確地計算出來。對此，一般通過理論估算確定范圍，然后參考制造廠以往制造經(jīng)驗進行修正。

根據(jù)周長伸長量估算公式［1］:

ΔL=KπS(1+S/Dn)

式中 ΔL——周長伸長量，mm

K——卷制條件系數(shù)

S——板厚，mm

Dn——內(nèi)徑，mm

由于熱卷時 K=0.10～0.12，冷卷時 K=0.03，因此按冷卷計算時ΔL=16 mm，按熱卷計算時ΔL=63 mm。考慮到中溫時鋼板的塑性、縱縫的焊接收縮量，同時結(jié)合對SA－387Gr11CL2這種材質(zhì)類似筒身制造經(jīng)驗，筒體伸長量定為35 mm比較準確，即下料尺寸按πD中－35 mm。同時下料時應嚴格控制鋼板對角線公差，避免下料尺寸超差引起筒體成型尺寸超差。筆者在縱縫焊后及校圓后分別測量多個筒體外周長尺寸，與理論數(shù)據(jù)的差值基本都在10 mm以內(nèi)，這個數(shù)據(jù)為筒體內(nèi)徑尺寸避免超差提供了基礎。

2.1.3 激冷室筒體中溫校圓過程控制

激冷室筒體成型工藝的關鍵就是在中溫校圓，結(jié)合Cr－Mo鋼的特性，激冷室筒體校圓過程需控制在高溫區(qū)和低溫區(qū)進行，以避開材料脆性加大的溫度區(qū)間，其中高溫區(qū)主要用于校圓直邊，低溫區(qū)主要用于筒體整體尺寸的校圓。初卷圓時直邊段長度將對筒體校圓過程產(chǎn)生關鍵的影響。

焊縫金屬及其熱影響區(qū)在經(jīng)歷中溫過程后，其硬度及強度值仍會比其他位置高?；诹Ρ墼?，初卷直邊段長短將會影響校圓直邊段所需要的下壓力和校圓時間。這是因為筒體縱縫及其熱影響區(qū)在校圓過程中需承受的壓力均高于其余位置，而且每一次校圓的受壓點不能處于同一位置。因此，直邊段過長或過短都會增加校圓直邊段所消耗的時間，甚至會造成在高溫區(qū)間無法完全有效地校圓直邊，增加成本的同時還將影響焊縫的工藝評定時間;另一方面，焊縫及其熱影響區(qū)在校圓時所承受的壓力過大，受壓時間過長，焊縫及其熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋的風險進一步加大。

直邊段尺寸與校圓時間協(xié)調(diào)控制到一個合理的范圍是中溫校圓過程的關鍵。該工程氣化爐激冷室筒體初卷圓時控制單側(cè)直邊長度在2.5～3倍壁厚后，一次加熱筒體并校圓后，尺寸公差就已滿足要求，筒體中溫校圓過程見圖2。

圖2 筒體中溫校圓圖

筒體在中間熱處理溫度出爐后，由于溫差大，溫度下降很快，因此工序操作的銜接對筒體中溫校圓過程的影響很大。經(jīng)測算，內(nèi)徑4150 mm的筒體在高溫區(qū)間校圓需要的時間約1 h。由于筒體與周圍環(huán)境溫差很大，校圓過程中筒體冷卻很快，為保證筒體在高溫區(qū)間有足夠的時間進行校圓，減少筒體校圓前的不必要的溫度降低，必須縮短校圓前的準備時間，筒體加熱和校圓之間的工序銜接必須迅速有效。

2.2 厚壁錐體的成型

氣化爐變徑段壁厚162 mm，下錐體壁厚182 mm，具體尺寸規(guī)格見圖3，4。

由于錐體壁厚太大，無法冷壓成型，熱壓成型過程錐體的形線無法得到有效控制，而且錐體熱壓后續(xù)還有恢復性能的熱處理，這不可避免地會增加控制錐體瓦片成型公差的難度。錐體1/4分瓣成型后，單個瓦片的重量近8 t，裝配過程中調(diào)整難度很大，同時錐體壁厚和高度尺寸太高，焊接過程中的變形無法通過設備進行校正。兩個錐體的大口分別與激冷室筒體相接，若錐體裝焊成型后圓度公差無法控制到與激冷室筒體相近，將嚴重影響氣化爐的最終裝配直線度要求。

針對錐體成型的困難，結(jié)合其他錐體成型經(jīng)驗［5］，錐體成型按照如下方案進行:

(1)錐體瓦片四周留足夠的余量，用以保證瓦片尺寸;

(2)錐體專用裝配平臺上組裝，裝配過程中先加工其中3個瓦片的拼接坡口并拼裝固定，剩余一片試裝調(diào)整合格后加工余量和坡口，再與其余3片裝焊固定。

圖3 上錐體結(jié)構(gòu)示意

圖4 下錐體結(jié)構(gòu)示意

(3)裝焊拼縫前，應在錐體高度方向上均布裝焊3個環(huán)向拉筋固定錐體尺寸，特別是大小口附近，盡量減小錐體因拼縫焊接產(chǎn)生尺寸變化。

(4)錐體拼縫應采用對稱焊接，焊縫焊至2/3壁厚后進行中間熱處理，減小焊接應力，所有焊縫焊滿后再進行中間熱處理，進一步減小焊接應力，最后一次中間熱處理結(jié)束后方可拆除固定拉筋。

(5)錐體大小口機械加工時相互兼顧，以保證錐體大小口同心度，同時與激冷室相關筒體配車合車加工坡口及內(nèi)外輪廓［6］，以保證相關部件的同心度，降低爐殼在總裝過程中的調(diào)整難度。

2.3 氣化爐殼體內(nèi)表面的鎳基堆焊

氣化爐結(jié)構(gòu)(如圖1所示)分為上部燃燒室和下部激冷室兩部分，煤的氣化在燃燒室段完成，產(chǎn)出氣和煤渣進入激冷室段冷卻和排出。德士古氣化爐內(nèi)部，特別是激冷室側(cè)的工作介質(zhì)都具有嚴重的腐蝕性。為避免這種高溫、強有害腐蝕性介質(zhì)對殼體的腐蝕，設計結(jié)構(gòu)采取了在爐殼所有與工作介質(zhì)接觸的內(nèi)表面全部堆焊鎳基合金的方式，其中燃燒室側(cè)堆焊Inconel 625，堆焊厚度≥6 mm，激冷室側(cè)堆焊Inconel 600，堆焊厚度≥3 mm。

本次堆焊面積大，工作量重，對于筒體、錐形封頭等零部件可以實現(xiàn)帶極堆焊［7］的部件，在對比各種大面積堆焊工藝的優(yōu)缺點后，最終選用高效率的附帶磁控裝置的帶極電渣堆焊工藝進行生產(chǎn)。鎳基合金的堆焊過程中，鎳元素與雜質(zhì)元素易形成低熔點共晶物而產(chǎn)生熱裂紋，為此，針對堆焊焊材，調(diào)整和優(yōu)化影響堆焊質(zhì)量的相關重要焊接工藝參數(shù)進行焊接工藝評定試驗，確定了最合格的焊接材料和焊接參數(shù)。

鎳基合金單層或雙層堆焊均在第一層堆焊完成后，工件整體進爐進行消氫處理，釋放堆焊產(chǎn)生的部分熱應力，降低產(chǎn)生焊接缺陷的風險，減小筒體圓度因堆焊產(chǎn)生變形的幾率。

2.4 氣化爐殼體的總裝

該工程氣化爐殼體總重近390 t，且需要對接的各部件都是由卷制或壓制成型厚壁筒體或錐體，零件本身存在一定公差，總裝過程中的調(diào)整難度非常大，生產(chǎn)效率低，還存在一定的安全風險。

為保證氣化爐殼體總裝尺寸公差及爐殼上接管的位置精度符合技術文件的要求，爐殼分成上、中、下三大段分別進行組裝，三大段組裝合格后進行最終對接。其中凸緣法蘭和球形封頭組焊后進行中間熱處理，再進行燒嘴中心孔和封頭環(huán)縫坡口加工，以保證二者同心。由于激冷室、上下錐體的壁厚都超過160 mm，接管焊接工作量大，為防止焊接過程中焊接應力過大而產(chǎn)生熱裂紋和應力裂紋，激冷室、上下錐體上的接管焊至壁厚的2/3后進行中間熱處理，降低風險。托轉(zhuǎn)盤及下大法蘭都在中間熱處理后加工，以保證整體零件尺寸公差滿足要求，利于后續(xù)總裝。

氣化爐殼體三大段分別對接時，為保證整體裝配公差滿足要求(如圖5所示)，分別在爐頂凸緣法蘭處、托轉(zhuǎn)盤法蘭中心及爐底下大法蘭處各選定一個測量截面，并在所測量的截面上用定心器定出中心點。使用測微準直望遠鏡利用已定出上下法蘭上的兩中心點建立爐體中心基準線;裝配過程中使用準直望遠鏡測量凸緣法蘭定位中心點與爐體中心基準線間的距離偏差并加以調(diào)整。凸緣法蘭調(diào)整合格后，再利用定心器分別確定激冷室及燃燒室筒體各截面的中心，并利用準直望遠鏡測量各截面的中心點與殼體直線度偏差［8］。結(jié)合所測的偏差值，調(diào)整三大段，合格后裝焊成一體。

圖5 氣化爐總裝檢測示意

2.5 大型德士古氣化爐的運輸

該大型德士古氣化爐的外形尺寸規(guī)格和噸位大，遠超一般大件的運輸尺寸，運輸難度特別大。在不考慮接管方位的情況下，零件理論高度已達4474 mm，無法使用常規(guī)板車裝車承載運輸。結(jié)合運輸路線中路橋情況，最終確定如圖6所示的“抬轎式”裝車運輸方案。

圖6 氣化爐運輸方案示意

圖7 氣化爐裝車圖

“抬轎式”裝車運輸方案是結(jié)合了氣化爐殼體燃燒室到激冷室的外徑尺寸變化的結(jié)構(gòu)特點，運輸過程中，將氣化爐殼體中激冷室懸空，有效降低車貨的整體高度，使用前后兩板車共同承載的方式運輸。裝車時，將前車支撐點固定于前板車轉(zhuǎn)盤上，前車承重約240 t，后車支撐點在后板車支座上，承重約165 t，爐體重心調(diào)整至前后支撐點間距前支撐點約15 m的位置。實際裝車和運輸過程中，將燃燒室側(cè)筒體固定于前車懸臂梁上，同時在后車支撐點處裝焊專門制作的強度合適的氣化爐工裝筒，使用20個高強度螺栓將工裝筒和氣化爐連接固定，最終控制車貨行駛高度在5100±200 mm范圍波動，滿足運輸路線上的所有路橋高度要求，如圖7所示。

3 結(jié)語

該煤制烯烴工程的大型德士古氣化爐順利制造完成，表明針對這種超大規(guī)格德士古氣化爐采取的關鍵制造工藝措施、檢測手段及運輸方式是切實有效的，對產(chǎn)品質(zhì)量和制造的順利進行起到了關鍵作用。該氣化爐的制造成功，為超大規(guī)格板焊壓力容器積累了經(jīng)驗，也可以為其他超大規(guī)格板焊壓力容器的制造工藝和質(zhì)量的改進提供借鑒和參考。

［1］ 蘭州石油機械研究所.壓力容器制造和修理［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

［2］ 李國驥，杜國珠.新型氣化爐側(cè)壁四燒嘴組件制造技術［J］.壓力容器，2005，22(6):37 －39.

［3］ 張利偉，都吉哲，張暉，等.水煤漿氣化爐的制造［J］.壓力容器，2005，22(4):26 －30.

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［5］ 袁承春.魯奇式氣化爐錐形封頭組件制造技術改進［J］.壓力容器，2012，29(8):55 －59.

［6］ 袁承春.德士古氣化爐整體法蘭制造技術［J］.壓力容器，2013，30(11):60 －65.

［7］ 張圓磊.90°彎頭內(nèi)壁整體堆焊［J］.壓力容器，2013，30(7):75 －79.

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