鄭剛，奚旭，曾燕

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司， 四川 自貢 643000）

1 前言

煤的氣化是一個較為復(fù)雜的熱化學(xué)過程，它是主要以煤或煤焦為原料，混合氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在高溫和一定壓力條件下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料或下游原料的過程。氣化爐為完成這一反應(yīng)的主要關(guān)鍵設(shè)備。

2014-2015年度，我公司為國內(nèi)某知名化工公司制造了30萬噸煤制乙二醇項目的主要設(shè)備為螺旋形水冷壁氣化爐，該氣化爐采用國外專利商設(shè)計技術(shù)，其主要特點為多噴嘴頂置，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)與單個燒嘴布置對比，分部更加合理，操作控制較為靈活，可以降低氣化爐的故障率和開停車時間，且這種多燒嘴的布置對于設(shè)計負(fù)荷可調(diào)的余度大，有利于實現(xiàn)氣化爐的大型化。氣化室部分采用干煤粉進(jìn)料、螺旋形水冷壁保護(hù)，激冷室采用了較成熟的下行水激冷流程。我公司以該氣化爐項目為依托，以滿足業(yè)主及設(shè)計方要求、打造優(yōu)質(zhì)氣化爐產(chǎn)品為目的，通過對頂部燒嘴座、渣口冷卻器、氣化室水冷壁、中間冷卻器及高精度專用工裝等制造工藝技術(shù)的研發(fā)，解決了實際生產(chǎn)過程中遇到的各種困難，掌握了同類結(jié)構(gòu)氣化爐的核心制造技術(shù)，進(jìn)一步提高公司在生產(chǎn)、裝備及檢測等方面的綜合實力，提升了公司在行業(yè)內(nèi)的制造技術(shù)水平，為公司實現(xiàn)自主設(shè)計和制造氣化爐，大規(guī)模進(jìn)入氣化爐市場及氣化爐產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蛳铝嘶A(chǔ)。

2 氣化爐結(jié)構(gòu)簡介

圖1

本氣化爐結(jié)構(gòu)簡圖如圖1，氣化爐主要由反應(yīng)室和激冷室、激冷筒組件、破渣器、渣/氣出口組件、內(nèi)件等部件組成，反應(yīng)室包括：頂部封頭組件、筒體法蘭、反應(yīng)室筒體；激冷室包括隔離連接支承構(gòu)件、錐段、激冷室筒體、錐體、設(shè)備法蘭、圓筒、渣池錐體。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

設(shè)計壓力：6.2MPa；設(shè)計最高溫度：350℃；工作介質(zhì)：合成氣、N2、爐渣、黑水（易燃易爆，中度危害介質(zhì)）；水壓試驗壓力：8.3MPa（臥）；焊縫系數(shù)：1.0；容器類別：Ⅲ類（A2）；

主體材料：筒體（反應(yīng)室）14Cr1MoR；筒體（激冷室）SS316L（堆焊）+14Cr1MoR；封頭S31603+14Cr1MoR；設(shè)備法蘭14Cr1MoⅣ；凸緣14Cr1MoⅣ+堆焊A042/A022；

外形尺寸：24225×DN4000（厚度δ90+6）/DN3500（厚度δ85）×4500

設(shè)備總重：約261t。

3 關(guān)鍵部件制造工藝

該氣化爐的制造精度要求高，螺旋是冷壁盤管的零件和裝配尺寸公差要求非常小，相互之間配合精度較高，除了水冷壁外，頂部燒嘴座和排渣口都是由螺旋形組成的盤管組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且水冷壁內(nèi)件與外殼之間空間狹小，無返修空間，因此為保障產(chǎn)品長周期運行，內(nèi)件的制造質(zhì)量必須可靠。

3.1 頂部多噴嘴燒嘴座結(jié)構(gòu)

圖2 頂部燒嘴座

氣化爐的頂部燒嘴座結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，主要由序號1管子組成的螺旋環(huán)繞盤管、序號2頂部鍛件法蘭、序號3燒嘴穿插的導(dǎo)向管、序號4密封圓筒等結(jié)構(gòu)組成。

3.1.1 燒嘴座的制造工藝要點

氣化爐燒嘴的布置直接影響燃燒和氣化反應(yīng)效果，因此必須保障燒嘴穿插的底部盤管每個開孔尺寸滿足圖紙及技術(shù)要求，保證周邊各孔與中間孔的夾角及距離滿足圖紙及技術(shù)要求。因各孔尺寸較小，且為螺旋結(jié)構(gòu)，采用普通彎管機無法彎制成型。通過分析，設(shè)計靠樣彎管的工裝，底部盤管的內(nèi)圈采用加熱的對工裝樣彎制，而外圈盤管尺寸較大，可以采用異型彎管機彎制圓環(huán)后對接，為保證各孔夾角，裝焊時在平臺上采用工裝定位，如圖3產(chǎn)品在裝配各底孔圖片。

3.1.2 調(diào)整燒嘴盤管與頂部外殼大法蘭的距離

在頂部鍛件法蘭各孔加工完成以及盤管組裝后，通過試裝，確定燒嘴盤管與頂部大法蘭連接處密封圓筒的高度尺寸，按實際情況加工圓筒高度，確保燒嘴盤管與頂部大法蘭連接后滿足圖紙要求，保證導(dǎo)向管實際長度滿足圖紙要求，大法蘭蓋與導(dǎo)向管焊接完成后，盤管與法蘭裝焊完成后都應(yīng)用燒嘴假件試穿，確保產(chǎn)品尺寸滿足使用要求。

3.2 氣化室螺旋水冷壁制造

3.2.1 氣化室結(jié)構(gòu)

圖3 底孔裝焊放樣

該氣化爐的水冷壁采用管子螺旋盤繞而成，內(nèi)部布滿銷釘，敷設(shè)耐火材料，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4，由四根管子盤繞而成，根據(jù)結(jié)構(gòu)，主要可分為三部分，由序號1氣化室上部錐形螺旋盤管、序號2氣化室中部直段螺旋盤管、序號3氣化室下部錐形螺旋盤管組成，在上部盤管和下部盤管口之間分別由鋼板組成的圓筒組件可以套入燒嘴座盤管以及排渣口盤管組件，形成了整個氣化室燃燒空間的主體結(jié)構(gòu)。

3.2.2 氣化室的制造工藝要點

（1）因設(shè)計和運行的高要求，為確保環(huán)形空間無合成氣泄漏，需要保證氣化室管子與扁鋼焊接的氣密性，制造完成后需按圖紙及技術(shù)要求對氣化室進(jìn)行氣密性試驗，保證各焊接焊縫無泄漏。

（2）直段螺旋管制造過程中需要控制管屏的直徑及螺旋角

根據(jù)管屏結(jié)構(gòu)以及設(shè)備能力，該氣化爐由四根管子組成，因此在制造中采用2根管子組成的管組（拼屏形式為：②- ②-即○- ○-.○- ○-）繞制而成，管組采用自動焊焊接而成。首先在螺旋盤管繞機模具上放出螺旋樣，通過調(diào)整螺旋盤管繞機與待繞管組的角度，對樣繞制來滿足其螺旋角。在繞制過程中，將螺旋管組端部點焊在模具上，并使管子與模具貼緊，在繞制管組時邊繞邊將管組之間點焊（盡可能的焊）在一起，從而保證管屏的直徑。繞制完成后取下管屏，加裝防變形工裝。最后手工焊焊妥管組與管組之間連接的角焊縫。

圖4 氣化室螺旋管屏簡圖

（3）錐段螺旋管屏的成型

根據(jù)上下錐段螺旋管屏結(jié)構(gòu)，設(shè)計一套裝配工裝，利用工裝進(jìn)行裝配。先將單根管子在異形彎管機上彎制成螺旋管圈，再在工裝上對樣進(jìn)行管子對接和裝配。管子的螺旋升角可以在裝配時進(jìn)行調(diào)節(jié)，先將管子用千斤頂壓緊后再封焊扁鋼，內(nèi)側(cè)扁鋼待工裝拆除后再焊接，如圖5所示。

圖5 錐段螺旋管裝配

（4）螺旋管屏上中下部裝配時整體長度控制各部分同軸度

根據(jù)設(shè)計圖樣放樣，確定管屏直段及錐段各部分的長度尺寸，設(shè)計三個激光靶，兩錐段各一個，直段一個，采用激光輔助裝配的方式保證直段和錐段的同軸度。

3.3 氣化爐殼體的制造

根據(jù)氣化爐殼體總長度以及各接管尺寸位置，可以將殼體直段部分由5段筒節(jié)構(gòu)成：反應(yīng)室3段，筒節(jié)板料按寬度和長度雙定尺采購。各筒節(jié)采用δ150×4200四輥卷板機冷卷成型、雙面埋弧自動焊縱縫，焊后立即消氫，冷校圓，100%無損探傷（RT/UT/MT）合格后在5米立車機加兩端環(huán)縫坡口。

3.3.1 筒節(jié)下料

為保證筒節(jié)的制造精度，首先應(yīng)嚴(yán)格控制鋼板下料的尺寸和形狀偏差。下料尺寸一般按以下方式計算：

L展開=∏（筒節(jié)內(nèi)徑+δ平均壁厚）—卷板伸長量+預(yù)彎直段=11740/13340；控制鋼板對角線偏差在3mm以內(nèi)。

采用4m×21m數(shù)控火焰氣割機下料。

3.3.2 筒節(jié)兩端預(yù)彎

鋼板預(yù)彎在δ150×4200四輥卷板機上進(jìn)行，預(yù)彎之前先劃鋼板的中心線和預(yù)彎的直邊余量線，然后在卷板機上預(yù)彎時使用線錘找正鋼板的中心線并使鋼板中心線與輥子的母線垂直，從而保證鋼板的找正。

在鋼板預(yù)彎之前，打磨鋼板的受拉面磨成R約8mm的圓角以防止受拉面卷裂。

預(yù)彎時，嚴(yán)格按照卷板操作工藝守則進(jìn)行，充分利用四輥卷板機預(yù)彎時側(cè)輥抬升的可控制性，分多次預(yù)彎成形。另外，在預(yù)彎時嚴(yán)格控制預(yù)彎半徑，保證預(yù)彎半徑略大于筒節(jié)半徑。

3.3.3 筒節(jié)坡口制備

A、縱縫坡口加工：

縱縫采用窄間隙坡口：內(nèi)壁利用磨銼機磨窄間隙坡口；

B、環(huán)縫坡口加工：采用5米立車加工環(huán)縫坡口，在機加工環(huán)縫坡口時，需找正筒節(jié)，保證筒節(jié)的中心與止口中心重合。

3.3.4 筒節(jié)卷板及校圓

筒節(jié)卷板嚴(yán)格按照工藝守則進(jìn)行，控制好筒節(jié)的橢圓度和控制好側(cè)輥的進(jìn)給量，以保證不過卷。

每一次側(cè)輥進(jìn)給后都利用規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)樣板來檢查筒節(jié)的曲率以保證卷板時的筒身圓度。

縱縫焊接后，對筒節(jié)進(jìn)行校圓，保證筒節(jié)的圓度；單節(jié)筒節(jié)（L=2670）作為一節(jié)見證件并確定冷卷伸長量，經(jīng)檢查合格后作為產(chǎn)品筒節(jié)。

3.4 氣化爐封頭制造

本氣化爐橢圓封頭規(guī)格DN3500×δ85(min)，材質(zhì)14Cr1MoR，鋼板定尺采購，投料前按原材料技術(shù)條件復(fù)驗合格。鋼板兩拼，拼縫采用雙面埋弧自動焊（帶焊接母材試板），打磨拼接焊縫余高，100%無損探傷（RT/UT/MT）合格。試板和坯料同爐，料坯和試板在爐內(nèi)墊高不得低于300mm，擋好火焰，火焰不得直接沖刷料片。按加熱工藝對料坯和試板進(jìn)行加熱，水壓機熱壓成型。標(biāo)準(zhǔn)樣板形狀檢查和測厚合格后氣割直邊余量并氣割預(yù)開孔，5米立車找正加工中心開孔，端面坡口暫不加工。

3.5 氣化爐殼體錐體制造

隔離連接支撐組件中的內(nèi)錐、殼體錐段材質(zhì)14Cr1MoR，鋼板定尺采購，投料前按原材料技術(shù)條件復(fù)驗合格。分4瓣在8000t水壓機上進(jìn)行展壓成型，做對應(yīng)錐體大小口尺寸樣板，用專用模具壓制。經(jīng)預(yù)組裝并加工縱縫拼接坡口后焊接成整體，100%探傷（RT/UT/MT）合格，標(biāo)準(zhǔn)樣板形狀檢查和測厚合格后采用6.3米立車加工大小頭（大端、小端各留20mm暫不加工）。

4 氣化爐總裝工藝要點

4.1 外殼組裝

分別組裝氣化室3段筒體、環(huán)形鍛件+內(nèi)錐封頭、激冷室3段筒體、下部錐體+下部法蘭、激冷室短節(jié)+殼體錐段+密封焊環(huán)成5大部件，采用激光經(jīng)緯儀發(fā)射激光束在筒體環(huán)縫組裝和焊接過程中進(jìn)行實時監(jiān)控，確保筒體直線度滿足要求，圖6為組裝完成的氣化爐外殼。

圖6 組裝完成的氣化爐外殼

4.2 氣化爐水冷壁與外殼間的組裝

氣化爐外殼在組裝完成及探傷熱處理水壓后，切除封頭，敷設(shè)耐火材料，轉(zhuǎn)與氣化爐水冷壁內(nèi)件進(jìn)行組裝，在充分分析保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，本次組裝采用臥式套裝的方案，套裝樣圖如圖7。

主要套裝步驟如下：

殼體平置于滾輪架上，從殼體套入中間冷卻器，從殼體上端吊裝入渣口冷卻器，裝焊中間冷卻器、渣口冷卻器進(jìn)出水連接管。

圖7 內(nèi)件與外殼套裝圖

從殼體下端吊裝入激冷室的洗滌冷卻管，螺栓、螺母固定妥當(dāng)；裝焊洗滌冷卻管上檢漏盤管，裝焊氣泡分隔器、靜態(tài)破渣器等。

按管口方位圖調(diào)整水冷壁與殼體角度，將氣化室水冷壁吊/拖入殼體指定位置，兩端適當(dāng)固定后拆除配重筒體。裝焊封頭、探傷、熱處理、敷設(shè)耐火材料、烘干等。

5 總結(jié)

采用該技術(shù)的螺旋形新型氣化爐，為國內(nèi)第一次制造，通過前期對氣化爐結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，合理的工藝制造方案以及精心的生產(chǎn)組織，該類型兩臺氣化爐于2015年在東方鍋爐德陽制造基地成套制造完成并運往項目施工現(xiàn)場。這種結(jié)構(gòu)的氣化爐體型不大，在廠內(nèi)制造完成后，現(xiàn)場即可一次吊裝完成，不僅節(jié)約制造成本而且可大大節(jié)省后期筑爐時間。氣化爐的國產(chǎn)化可以進(jìn)一步降低設(shè)備投資，有助于大幅降低煤化工項目的投資成本，助推我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。