鹿鳳云

（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021 ）

尿素法制備三聚氰胺是以氨氣為載體在高溫高壓下生成三聚氰胺氣體，經(jīng)冷卻、溶解、除去雜質(zhì)、再結(jié)晶得到三聚氰胺成品。具有成本低、能耗低、污染少等優(yōu)點(diǎn)。最終反應(yīng)器是尿素法生產(chǎn)三聚氰胺項(xiàng)目中的后反應(yīng)器，它將主反應(yīng)器中未完全反應(yīng)的物料再次反應(yīng)，得到更為純凈的三聚氰胺產(chǎn)品[1]?；诟邷馗邏耗蛩胤ê铣傻墓に嚪椒?，該設(shè)備設(shè)計(jì)溫度高、設(shè)計(jì)壓力大，工況苛刻，設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中存在諸多特殊要求及技術(shù)難點(diǎn)亟需解決與優(yōu)化改進(jìn)。設(shè)備主要參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure for equipment

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

1 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 主體結(jié)構(gòu)的選擇

設(shè)備內(nèi)徑φ964 mm，筒體壁厚（58+12） mm，封頭壁厚（48+12） mm，設(shè)計(jì)溫度482 ℃，設(shè)計(jì)壓力10.5 MPa，夾套內(nèi)徑φ1 202 mm，壁厚12 mm。內(nèi)筒介質(zhì)為三聚氰胺及氫等中度危害、易爆介質(zhì)，夾套介質(zhì)熔鹽。該設(shè)備為高溫高壓臨氫環(huán)境壓力容器，根據(jù)納爾遜曲線，綜合考慮設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定內(nèi)封頭的主體材料選用14Cr1MoR，與內(nèi)筒體介質(zhì)三聚氰胺接觸面選擇堆焊鎳基合金N10276[2]?？紤]到內(nèi)筒體直徑、壁厚、成型及校型、焊接、與夾套的組裝等多方面因素，內(nèi)筒體選用兩段14Cr1Mo Ⅳ鍛件組焊而成，這樣既保證了內(nèi)筒體的形狀及尺寸公差要求滿足設(shè)計(jì)，又避免了縱向焊縫過(guò)多造成無(wú)損檢測(cè)量大的困難。因?yàn)镃r-Mo 鋼材料對(duì)焊接裂紋較敏感，所以焊接、熱處理及水壓試驗(yàn)后均需進(jìn)行檢測(cè)，主焊縫的減少不僅減少了泄漏點(diǎn)，而且也減少檢測(cè)的工作量。最終反應(yīng)器的主體材料為內(nèi)筒體選用14Cr1Mo 鍛件堆焊N10276，內(nèi)封頭選用14Cr1MoR 板材堆焊N10276，夾套筒體及封頭均選用14Cr1MoR 板材。夾套筒體與內(nèi)筒體之間設(shè)置螺旋型導(dǎo)流板，作為熔鹽的流道。經(jīng)過(guò)計(jì)算夾套筒體中部設(shè)置兩個(gè)UV 形膨脹節(jié)，既保證高溫下內(nèi)、外筒體的變形協(xié)調(diào)也利于最大壓縮情況下熔鹽通暢向下流動(dòng)，避免了介質(zhì)死區(qū)帶來(lái)的嚴(yán)重腐蝕[3]。

因內(nèi)筒體設(shè)計(jì)壓力大，其壁厚大、重量大，而夾套壓力小，壁厚薄，但支座、吊耳等支撐件均設(shè)置在設(shè)備外的夾套筒體上，因此適當(dāng)增加了附件所在夾套筒體的局部壁厚，以增強(qiáng)其剛度，使其滿足對(duì)整個(gè)設(shè)備的安全支承。

1.2 內(nèi)筒體接管的結(jié)構(gòu)

設(shè)備內(nèi)殼體上設(shè)置13 處接口，確定該接管結(jié)構(gòu)及材料時(shí)，通過(guò)對(duì)可靠性、加工性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析對(duì)比，最終確定接管結(jié)構(gòu)形式為14Cr1Mo 鍛件內(nèi)襯N10276管材的結(jié)構(gòu)，見圖2。 該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：熱處理后裝配襯管，避免了熱處理對(duì)防腐層材料的破壞以及接管小孔徑難以堆焊的困難。

圖2 內(nèi)筒體接管結(jié)構(gòu)Fig.2 Nozzle structure of inner shell

該設(shè)備為高溫設(shè)備，為保證N10276 襯管與14Cr1Mo 鍛件在較高工作溫度下結(jié)合牢靠，需要確定二者間合理的裝配過(guò)盈量。設(shè)計(jì)中，根據(jù)14Cr1Mo 鍛件及N10276 管材在工作溫度下不同的線膨脹系數(shù)，計(jì)算了每種規(guī)格接管中，不同直徑、不同長(zhǎng)度14Cr1Mo 鍛件與N10276 管材的長(zhǎng)度方向的熱脹冷縮變化量及直徑方向的最大最小裝配間隙，最終確定了二者間不同的裝配過(guò)盈量。制造過(guò)程中，采用液氮低溫冷裝N10276 管的措施，滿足了過(guò)盈配合要求，實(shí)現(xiàn)二者的裝配。組裝完畢，考慮到設(shè)備內(nèi)部坡口加工方便，接管組件根部進(jìn)行角焊縫焊接，為保證焊接可靠性，接管組件端部采取預(yù)堆焊后開U 型坡口焊接，確保結(jié)合牢靠[4]。

通過(guò)分析對(duì)比，夾套接管法蘭選用RF 突密封面密封，內(nèi)筒體接管端面均設(shè)計(jì)為透鏡墊密封，頂部凸緣由于外接附件要求設(shè)計(jì)為環(huán)連接面。透鏡墊密封面無(wú)需進(jìn)行N10276 焊接或增加N10276 板材，成本低、工序少、裝拆方便，實(shí)現(xiàn)了高壓設(shè)備的密封可靠性。

1.3 N01 接管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

內(nèi)筒體接管中的N01 接管與設(shè)備夾角10°，如果將接管設(shè)計(jì)為整體傾斜10°，如圖3a 所示，則接管與筒體間的馬鞍型焊縫與設(shè)備存在夾角，坡口加工難度大，焊縫焊接為非對(duì)稱操作，受力不均勻，焊接質(zhì)量難以保證。為避免該弊端，方便制造生產(chǎn)，將該接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。接管整體垂直于筒體，接管內(nèi)機(jī)加傾斜10°夾角，這樣既降低了殼體坡口的加工難度又實(shí)現(xiàn)了焊接的對(duì)稱操作，有利于保證焊接質(zhì)量。接管與殼體焊接節(jié)點(diǎn)如圖3b 所示。

圖3 N01 接管結(jié)構(gòu)Fig.3 N01 nozzle structure

2 制造加工工藝改進(jìn)

2.1 殼體加工

根據(jù)制造工藝方案要求將最終反應(yīng)器分為三部分，上封頭組件、筒體組件和下封頭組件。需要解決的制造技術(shù)難點(diǎn)是筒體組件和上下封頭組件的裝配以及各接管過(guò)盈冷裝襯管的襯管孔和各接管焊后密封面加工。

筒體組件主要由承壓法蘭、內(nèi)筒體1、內(nèi)筒體2及導(dǎo)流板、夾套筒體組成。合理安排筒體組件加工工藝、采取有效的加工措施是保證質(zhì)量的前提。內(nèi)筒體為筒形鍛件，為防止筒體堆焊引起變形過(guò)大以致影響到導(dǎo)流空間和腔體內(nèi)徑的變化，加工方法尤其重要。先將內(nèi)筒體、承壓法蘭內(nèi)徑加工到比圖紙尺寸大1 mm，外圓端面加工找正定位基準(zhǔn)，堆焊鎳基合金過(guò)渡層消氫熱處理后檢測(cè)驗(yàn)證外圓收縮量，根據(jù)收縮量調(diào)整確定車削外徑，保證內(nèi)外徑及筒體壁厚符合圖紙要求；然后在內(nèi)筒體1、內(nèi)筒體2 外圓上布焊導(dǎo)流板，車床車削螺旋分布的導(dǎo)流板外圓，根據(jù)導(dǎo)流板外圓配制夾套筒體內(nèi)徑，組對(duì)焊接成一體，保證了導(dǎo)流板和夾套筒體之間的間隙要求以及夾套筒體順利組裝；最后整體加工設(shè)備主法蘭密封面，以滿足高溫高壓密封要求。

上下封頭組件加工工藝遵循原則是保證封頭各接管過(guò)盈冷裝襯管的襯管孔和各接管焊后密封面加工精度。因其襯管孔徑小、精度高、深度深。為了保證冷裝孔的精度要求，分別利用粗鏜、擴(kuò)鏜、半精鏜、精鏜工步，降低消除了孔徑復(fù)映誤差。同時(shí)采用強(qiáng)化刀桿、選用適應(yīng)性強(qiáng)的切削參數(shù)、自制刃磨高速鋼刀加工冷裝孔，保證了孔徑前后的尺寸精度。利用液氮冷裝N10276 襯管并焊接端面后，再次上鏜床以襯管內(nèi)徑找正、內(nèi)壁找直，用自制的開口刀桿配以高速鋼刀加工密封面，因密封面材料為N10276，硬度高、強(qiáng)度大，刀具磨損快，針對(duì)小尺寸密封面以手動(dòng)進(jìn)刀為主，成形刀微量吃刀精光密封面，保證密封面粗糙度要求。

2.2 封閉環(huán)

最終反應(yīng)器為夾套設(shè)備，夾套筒體選取圓弧過(guò)渡帶一段直邊筒體的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，直接與夾套封頭焊接。圓弧過(guò)渡的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，盡可能地減少了設(shè)備高溫運(yùn)行時(shí)封閉處的應(yīng)力集中，并最大程度地減少了Cr-Mo 鋼間的A、B 類焊縫數(shù)量。內(nèi)殼體上有13 處接口伸出設(shè)備夾套外，在直徑較小的設(shè)備上，需設(shè)置較多的大接口，特別是上封頭，直徑僅DN 1 000 左右的半球封頭上，需布置5 個(gè)帶夾套封閉環(huán)的接口，而封閉環(huán)的外形結(jié)構(gòu)，必須滿足焊接及檢測(cè)空間要求。設(shè)計(jì)中，結(jié)合焊接及檢測(cè)所需要的最小操作空間，對(duì)上封頭進(jìn)行了空間布置及展開放樣，確定了合理的接管、封閉環(huán)結(jié)構(gòu)及布置方案。如圖4 所示。

圖4 夾套及封頭伸出接管結(jié)構(gòu)Fig.4 Jacket and nozzle structure of head extension

2.3 熱處理控制

Cr-Mo 鋼材料是屬于靠熱處理手段改善鋼材性能的鋼種，除嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度外，還要保持焊接過(guò)程中的層間溫度，焊后保溫的消應(yīng)力熱處理以及最終的焊后熱處理等多種形式的熱處理，以細(xì)化鋼材晶粒，獲取均勻穩(wěn)定組織，使材料的強(qiáng)度與塑性配合事宜，力保焊接接頭不開裂。同時(shí)Cr-Mo 鋼制壓力容器有延遲裂紋的傾向，這些裂紋有可能出現(xiàn)在焊接過(guò)程，焊后，熱處理前后，水壓試驗(yàn)前后等各個(gè)階段，因此在制造過(guò)程的各個(gè)階段分別提出無(wú)損檢測(cè)以及熱處理要求以確保產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)備為夾套設(shè)備，夾套的組裝增加了內(nèi)筒體無(wú)損檢測(cè)及熱處理的難度。根據(jù)現(xiàn)有的加工能力及技術(shù)儲(chǔ)備制定夾套設(shè)備的組裝順序及內(nèi)筒體分段組對(duì)的原則，按照工藝路線要求穿插進(jìn)行消氫等熱處理和實(shí)施無(wú)損檢測(cè)，并且制定出合理可行的部件整體熱處理和合攏縫局部熱處理工藝，確保產(chǎn)品的制造質(zhì)量[5]。各部件熱處理參數(shù)見表2 ～ 4。

表2 部件整體熱處理工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of integral heat treatment of components

3 結(jié)論

根據(jù)三聚氰胺最終反應(yīng)器使用性能要求，考慮了選材、結(jié)構(gòu)、制造工藝、無(wú)損檢測(cè)及熱處理等各方面問(wèn)題，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)。通過(guò)制定合理的制造工藝、安排合理的裝配順序，達(dá)到了圖紙要求，最終順利完成了最終反應(yīng)器設(shè)備的設(shè)計(jì)制造。

表3 內(nèi)筒體合攏縫局部熱處理工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of local heat treatment for closure joint of shell

表4 夾套筒體合攏縫局部熱處理工藝參數(shù)Tab.4 Process parameters of local heat treatment for closure joint of jacket

（1）設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇適合的材料，確定合理的設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，完成了內(nèi)筒體接管、膨脹節(jié)、封閉環(huán)等的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（2）制造過(guò)程中確定管口襯管加工工序，控制加工精度，完成液氮冷裝試驗(yàn)，達(dá)到組裝后過(guò)盈配合要求。

（3）結(jié)合公司現(xiàn)有的加工能力和技術(shù)儲(chǔ)備，確定筒體、夾套成型及組裝工藝，確保工藝的合理性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，滿足圖紙和設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

（4）根據(jù)組裝方案合理安排無(wú)損檢測(cè)順序和熱處理時(shí)機(jī)，制定合理可行的熱處理工藝，確保產(chǎn)品制造質(zhì)量。