（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

化工企業(yè)的廢料中含有多種有毒，有害物質(zhì)，若不經(jīng)過(guò)妥善處理直接排放到環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生污染。將化工企業(yè)的廢棄物加以合理利用和回收變廢為寶，進(jìn)行資源的二次開(kāi)發(fā)是目前許多化工基地的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。利用氣化技術(shù)將廢料處理后，進(jìn)行資源的循環(huán)、利用、回收，對(duì)環(huán)境保護(hù)和降低生產(chǎn)成本有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。氣化技術(shù)是利用蒸汽/氧氣作為氣化介質(zhì)在高溫下和工業(yè)廢料反應(yīng)制造煤氣的自熱過(guò)程，在此過(guò)程中，廢料主要轉(zhuǎn)化成H2、CO 和H2S 以及一些易脫除的雜質(zhì)氣體，這些氣體可用于高效發(fā)電以及生產(chǎn)下游的化工原料。氣化爐是各種氣化技術(shù)的核心設(shè)備，它的制造技術(shù)直接影響氣化轉(zhuǎn)化的效率，應(yīng)予以重視。本文以我公司承攬的一臺(tái)氣化爐為例，闡述分析了氣化爐選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵工藝的控制要點(diǎn)與難點(diǎn)。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能簡(jiǎn)介

該設(shè)備主要由氣化室、激冷環(huán)、激冷室三部分組成，為法蘭連接分段式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)便于易損件激冷環(huán)的更換，同時(shí)避免了整體式氣化爐中Y 形鍛件的制造、加工、裝配的困難。氣化爐上部為氣化室，下部為激冷室，中間夾持激冷環(huán)。氣化室內(nèi)筑有三層耐火磚，內(nèi)層耐火磚主要耐高溫沖刷，中層起支撐作用支撐拱頂，外層起絕熱作用減少熱量散失。氣化室上部頂凸緣法蘭裝配噴嘴用于加熱反應(yīng)物料進(jìn)行氣化反應(yīng)。激冷室包括下降筒、上升筒、連接件等部件。氣化爐主體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 所示。從燃燒室出來(lái)的工藝氣體夾帶燃燒后的灰渣，經(jīng)過(guò)激冷環(huán)和下降筒，被激冷水降溫、洗滌、除渣。然后通過(guò)水封由上升筒與下降筒之間的通道進(jìn)入激冷室下部的水中進(jìn)行水浴，廢渣冷卻結(jié)塊從激冷室底部排出，粗煤氣通過(guò)下降筒與上升筒之間的環(huán)隙上升，在激冷室上部進(jìn)行氣、水初步分離后，從氣體出口排出[1]。氣化爐技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 設(shè)計(jì)

2.1 腐蝕機(jī)理分析

氣化反應(yīng)得到的粗煤氣除了CO、H2、H2O 外還含有少量的H2S、C2O 等雜質(zhì)氣體。影響設(shè)備腐蝕的主要因素就是H2S 和H2這兩種介質(zhì)。其中H2S 在有水存在的情況下形成了濕硫化氫腐蝕環(huán)境，而H2則容易引起氫腐蝕。

濕H2S 腐蝕主要引起硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂。因?yàn)闈馠2S 腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲入鋼的內(nèi)部固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力的共同作用下形成了硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。如果氫原子向鋼中滲透，在鋼中某些關(guān)鍵部位聚集形成氫分子，隨氫分子數(shù)量的增多，壓力增大，形成氫鼓泡，當(dāng)氫分子繼續(xù)聚集，氫壓力持續(xù)增大，鋼內(nèi)部不同層面或鄰近金屬表面的氫鼓泡相互連接而成的開(kāi)裂稱(chēng)之為氫致開(kāi)裂。氫致開(kāi)裂的裂紋與鋼內(nèi)部夾雜物或合金元素的微觀組織有關(guān)。通過(guò)降低鋼材中的雜質(zhì)含量以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理可以提高鋼材抗硫化氫應(yīng)力腐蝕及氫致開(kāi)裂的能力[2]。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Primal design parameters

影響氫腐蝕敏感性最關(guān)鍵的因素是鋼材的化學(xué)成分、操作溫度、暴露時(shí)間的氫分壓和應(yīng)力水平。金屬材料因吸收氫而導(dǎo)致塑性降低，性能惡化的現(xiàn)象稱(chēng)為氫損傷。在高溫條件下侵入鋼中的氫和不穩(wěn)定碳化物析出的碳起化學(xué)反應(yīng)生成甲烷，導(dǎo)致鋼材破裂形成氫腐蝕。因?yàn)闅涓g是由不穩(wěn)定碳化物的分解造成的，所以在鋼材中添加能形成穩(wěn)定碳化物的元素，就可使碳的活性降低，減少和防止鋼中甲烷的生成，從而提高鋼材抗氫腐蝕能力[3]。

2.2 材料的選擇

由于氣化反應(yīng)的高溫高壓及介質(zhì)中H2及H2S 的腐蝕，材料選擇的正確與否關(guān)系到整個(gè)氣化反應(yīng)能否正常進(jìn)行。氣化的反應(yīng)溫度在400℃左右，如果選擇Q345R，極易造成鋼材的氫腐蝕傾向?qū)е略O(shè)備整體失效。鉻鉬鋼因含有強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V 具有良好的熱穩(wěn)定性，阻止碳化物分解并對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，從而改善鋼材抗氫腐蝕的能力，其溫度持久極限和蠕變極限較高，因此常用作高溫抗氫鋼以防止氫腐蝕。該設(shè)備氣化室選擇14Cr1MoR， 激冷室選擇Q345R 正火材料堆焊S31603。濕H2S 腐蝕與焊接殘余應(yīng)力有關(guān)，屬于延遲破壞。預(yù)防措施應(yīng)減少熱影響區(qū)的擴(kuò)散氫含量，焊接時(shí)預(yù)熱，保持層間溫度、焊后消氫熱處理避免焊縫中溶入氫。設(shè)備制造完成后進(jìn)行整體熱處理，盡可能地將氫驅(qū)除，可有效防止?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕。

2.3 激冷室內(nèi)件設(shè)計(jì)

激冷室內(nèi)件主要有材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo2（316L），厚度8 mm 的上升筒與材質(zhì)為Incoloy 825，厚度8 mm 的下降筒組成。Incoloy 825 合金具有耐高溫和抗沖蝕的優(yōu)良性能，適宜制作下降筒，但是價(jià)格昂貴，故只是在耐高溫部件選用，而其他部件根據(jù)氣化爐激冷室的特點(diǎn)選用316L，節(jié)約材料和制造成本。下降筒與激冷環(huán)短節(jié)焊接連接，作用是通過(guò)激冷環(huán)形成一層均勻的水膜，工藝氣走下降筒內(nèi)側(cè)，從而起到激冷工藝氣的作用。上升筒與激冷室殼體通過(guò)螺栓連接并可拆，作用是引導(dǎo)氣流方向?qū)⒓だ浜蟮暮铣蓺庖良だ涫乙好嫔喜?，不至于氣流鼓泡時(shí)對(duì)整個(gè)液面產(chǎn)生過(guò)大波動(dòng)。下降筒與上升筒通過(guò)兩組各8 塊連接板連接，連接方式如圖2 所示，連接板設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，可適當(dāng)調(diào)節(jié)上升筒的位置。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，因激冷環(huán)工況惡劣，長(zhǎng)期受高溫氣體沖刷，使用壽命一般為2 ～ 3年，考慮方便激冷環(huán)的更換，所以該氣化爐設(shè)計(jì)分為二段可拆式，氣化和激冷兩腔用法蘭連接，中間夾持激冷環(huán)。這樣設(shè)計(jì)便于拆卸更換易損件激冷環(huán)及下降筒。

圖2 上升筒與下降筒連接結(jié)構(gòu)Fig.2 Connecting structure of ascending cylinder and descending cylinder

3 設(shè)備制造的難點(diǎn)及重點(diǎn)

3.1 球封與筒體

球形封頭半徑為1 405 mm，缺高118 mm，壁厚27 mm。二拼一下料，整體熱壓成型。為保證封頭與頂部凸緣法蘭之間的同軸度及后續(xù)與筒體合攏時(shí)的整體同軸度，采取了二者相焊、熱處理后加工密封面與螺栓孔及合攏處坡口等的工藝，且其焊縫采用全焊透的對(duì)接結(jié)構(gòu)型式。

氣化室筒體的成型、焊接是該設(shè)備制造的技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)。板材下料后，保證鋼板的對(duì)邊平行，按要求劃線展開(kāi)長(zhǎng)尺寸，要求劃線后鋼板的對(duì)角線長(zhǎng)度相等，偏差控制在2 mm 以內(nèi)，用刨邊機(jī)加工縱環(huán)焊縫坡口，考慮到筒體橢圓度需嚴(yán)格控制，成型過(guò)程中控制好進(jìn)給量，不間斷用樣板檢測(cè)筒節(jié)的曲率，確保不會(huì)過(guò)卷。

因激冷室筒體內(nèi)表面需堆焊不銹鋼覆層，為保證堆焊后筒體內(nèi)徑不變，在筒節(jié)卷制成形時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制各筒節(jié)的碾壓圈數(shù)，控制其錯(cuò)邊量，同時(shí)也應(yīng)控制棱角度等相關(guān)要求。筒節(jié)環(huán)焊縫焊接完畢后再進(jìn)行堆焊。為保證堆焊效果，對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行了打砂處理。

氣化爐殼體坡口型式設(shè)計(jì)為對(duì)接接頭全焊透結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。坡口加工完成后進(jìn)行殼體組對(duì)焊接，焊前預(yù)熱溫度150 ～ 200℃，焊后應(yīng)立即做325 ～ 375℃下保溫2 h 消氫處理，內(nèi)外部同時(shí)加熱，熱電偶點(diǎn)焊在焊縫上，且焊接過(guò)程必須是連續(xù)的，并要保證焊件溫度維持預(yù)熱溫度并嚴(yán)格控制層間溫度。如果在焊接過(guò)程中出現(xiàn)間歇或停止現(xiàn)象，焊件必須一直保持預(yù)熱狀態(tài)直到焊接結(jié)束。

3.2 氣化室的整體加工

氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中，如果頂部噴嘴出現(xiàn)嚴(yán)重偏噴，會(huì)對(duì)耐火磚造成燒蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致耐火磚大量脫落，造成竄氣爐壁超溫現(xiàn)象。因此保證頂部凸緣法蘭公差要求非常關(guān)鍵。為保證設(shè)備頂部凸緣法蘭與托磚盤(pán)的平行度與同軸度要求，需在筒體成型、零部件工藝留量、劃線開(kāi)孔定位、焊接變形控制、裝配順序及焊后精加工等方面進(jìn)行詳細(xì)工藝控制方案。

圖3 殼體焊接結(jié)構(gòu)詳圖Fig.3 Detailed drawing of shell welding structure

具體加工方式采用將設(shè)備頂封頭組件、氣化室殼體與托磚盤(pán)組件組焊后整體加工頂部凸緣法蘭中心孔和密封面的型式。首先車(chē)封頭中心孔前應(yīng)以封頭與筒體對(duì)接端面為基準(zhǔn)，嚴(yán)格按照與筒體對(duì)接處外圓找正車(chē)中心孔，保證中心孔與封頭軸心同軸。同時(shí)頂部凸緣法蘭內(nèi)徑和密封面留機(jī)加量，氣化室殼體、托磚盤(pán)組件等各件加工成品，在各組件組焊合攏時(shí)，嚴(yán)格控制合攏縫間隙，按機(jī)加工的坡口鈍邊為基準(zhǔn)找正組對(duì)，焊接時(shí)對(duì)稱(chēng)施焊，以保證在合攏過(guò)程中不造成大的變形；然后利用數(shù)控鏜床定位找正托磚盤(pán)底面，保證該面與鏜床工作臺(tái)垂直，與鏜軸軸線平行，即保證托磚盤(pán)面0°、90°、180°、270°四點(diǎn)縱向坐標(biāo)一致，找出托磚盤(pán)底孔圓心，鏜床數(shù)據(jù)清零作為設(shè)備軸線零點(diǎn)，移動(dòng)鏜床至頂部凸緣法蘭面，按托磚盤(pán)底面及底孔圓心為基準(zhǔn)確定頂部凸緣法蘭孔心及平面尺寸數(shù)據(jù)并記錄；最后調(diào)整設(shè)備軸線與鏜床鏜軸軸線平行，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定加工基準(zhǔn)，一次性裝卡完成加工頂部凸緣法蘭內(nèi)孔、密封面、螺栓孔。通過(guò)嚴(yán)格的工藝控制保證了頂部凸緣法蘭密封面與托磚盤(pán)底面平行，頂部凸緣法蘭、氣化室殼體、托磚盤(pán)同軸度滿足要求，保證噴嘴安裝后的公差要求，防止偏噴[4]。

3.3 熱處理

鉻鉬鋼容器在加工過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷各種熱處理，而熱處理會(huì)對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響，試件是用來(lái)檢驗(yàn)主體材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的元件，為保證材料的力學(xué)性能，鉻鉬鋼制設(shè)備需要制作模擬焊后熱處理試件。其作用是模擬試件在制造過(guò)程中將要經(jīng)受的所有焊后熱處理時(shí)間，包括焊后熱處理、返修熱處理、現(xiàn)場(chǎng)檢修熱處理等，所以提出了最小模擬焊后熱處理和最大模擬焊后熱處理時(shí)間。最大模擬焊后熱處理包括焊后熱處理、返修后熱處理、現(xiàn)場(chǎng)檢修熱處理折算后累計(jì)的所有時(shí)間，最小模擬焊后熱處理僅包括焊后熱處理累計(jì)時(shí)間。模擬焊后熱處理時(shí)間的選擇與設(shè)備制造過(guò)程材料消應(yīng)力熱處理次數(shù)及材料的厚度有關(guān)，一般情況下最大模擬焊后熱處理時(shí)間是最小模擬焊后熱處理時(shí)間的3 倍。對(duì)于封頭用鋼板，由于封頭在熱加工成型過(guò)程中，其加熱溫度超過(guò)了鋼板材料的正火溫度，破壞了材料原有力學(xué)性能，因此必須進(jìn)行恢復(fù)材料力學(xué)性能的熱處理，所以封頭用鋼板的試件在模擬焊后熱處理前，應(yīng)先模擬封頭的熱成型和熱處理過(guò)程。鉻鉬鋼制壓力容器制造過(guò)程中還應(yīng)把握好“三熱”，即焊前預(yù)熱、后熱（焊后消氫熱處理）和最終焊后熱處理。焊前對(duì)坡口進(jìn)行預(yù)熱，溫度≥150 ℃，焊接過(guò)程中保持材料的層間溫度150 ～ 250 ℃；焊后進(jìn)行不小于2 h，溫度為325 ～ 375 ℃的消氫熱處理；設(shè)備制造完成后最終對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理[5]。焊后整體熱處理曲線見(jiàn)圖4。

圖4 熱處理曲線Fig.4 heat treatment curve

4 結(jié)論

氣化爐材料的選擇是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析討論鉻鉬鋼是較好的中溫抗氫腐蝕開(kāi)裂的鋼材，在高溫下防腐性能完全滿足設(shè)備的使用工況要求。制造過(guò)程中充分考慮制造工藝方法并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，制定合理的加工工藝滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，解決了超大設(shè)備的組裝公差要求，確保設(shè)備工藝性能和質(zhì)量。設(shè)備自投入運(yùn)行以來(lái)，安全可靠，工藝性能良好。