卡薩利氨合成蒸汽過(guò)熱器制造技術(shù)研究

劉 勇，齊 波

（1.什邡市同佳機(jī)械有限公司，四川什邡 618400；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730060）

目前，國(guó)內(nèi)建設(shè)的大型合成氨裝置中，卡薩利氨合成工藝技術(shù)已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，約占新建合成氨裝置的65%，尤其是300kt/a的合成氨裝置中比例更高[1]。在卡薩利工藝中，氨合成塔出口后的第一換熱器即蒸汽過(guò)熱器由于制造難度較大。對(duì)此，結(jié)合這一設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所在制造廠的設(shè)備能力，結(jié)合以往同類設(shè)備的制造經(jīng)驗(yàn)，制定了切實(shí)有效的制造工藝和措施，并進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，解決了制造各環(huán)節(jié)中的工藝難題，為該類設(shè)備的制造積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 卡薩利氨合成蒸汽過(guò)熱器設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 主要零部件規(guī)格及材質(zhì)

主要零部件規(guī)格及材質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 主要零部件規(guī)格及材質(zhì)

1.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，本設(shè)備具備典型的U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但和一般的U型管換熱器相比，設(shè)計(jì)參數(shù)較高，其管程壓力及管殼程的溫度均較高；由于設(shè)備運(yùn)行條件苛刻，故管箱和管板均采用了Cr-Mo鋼中Cr含量較高的12Cr2Mo1材質(zhì)，換熱管采用了較特殊的Ni-Cr-Fe合金Inconel690材質(zhì)，同時(shí)還要求管板在和工藝氣接觸側(cè)堆焊6mm的Inconel600合金。另外，由于合成氣入口需和合成塔直接法蘭高壓密封連接，中間無(wú)可調(diào)節(jié)裕量，需嚴(yán)格控制其精度。

圖1 卡薩利氨合成蒸汽過(guò)熱器簡(jiǎn)圖

2 主要制造難點(diǎn)及解決辦法

2.1 管板堆焊Inconel600合金

管板需堆焊6mm厚的Inconel600合金，Inconel600合金堆焊分為Inconel600過(guò)渡層堆焊和Inconel600面層堆焊，兩層厚度各3mm.過(guò)渡層和面層的焊材均選用AWS A5.14 中的ERNiCr-3焊絲和EQNiCr-3焊帶，焊接采用帶極堆焊的焊接方式。具體堆焊過(guò)程如下。

（1）確認(rèn)管板12Cr2Mo1鍛件的使用狀態(tài)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及外觀質(zhì)量等均應(yīng)符合NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的Ⅳ級(jí)鍛件規(guī)定；確定堆焊原材料質(zhì)量合格、焊接工藝評(píng)定及焊工資質(zhì)齊全。

（2）將管板預(yù)熱至150℃，開(kāi)始進(jìn)行過(guò)渡層堆焊，選擇適宜的焊帶寬度及焊接速度，堆焊過(guò)渡層時(shí)需盡可能一次完成，當(dāng)不能一次完成時(shí)保證層間溫度≤90℃。

（3）按照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管板進(jìn)行超聲檢測(cè)，確保過(guò)渡層與基層的未貼合缺陷在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)且不存在大于25mm直徑的未結(jié)合部位；之后對(duì)堆焊部位依照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》進(jìn)行著色檢驗(yàn)，對(duì)未堆焊的基材表面應(yīng)依照NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行磁粉探傷，確保無(wú)裂紋缺陷存在。

（4）確保過(guò)渡層堆焊合格后，堆焊面層，堆焊方法和堆焊過(guò)渡層一致，并用相同的方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確保過(guò)渡層和面層之間無(wú)超標(biāo)未貼合缺陷且整個(gè)管板無(wú)裂紋缺陷。

（5）進(jìn)行680℃消應(yīng)力熱處理。熱處理時(shí)應(yīng)注意爐內(nèi)氣體氛圍，爐內(nèi)必須嚴(yán)格控制硫元素的含量。同時(shí)，在熱處理前應(yīng)去除設(shè)備表面含硫物質(zhì)如油、油污、鉛筆標(biāo)記、油漆及含硫、鉛的潤(rùn)化劑等[2—4]。

2.2 管板加工與鉆孔

由于管板厚度為400mm，對(duì)加工精度、表面光潔度、孔的軸線間的許可垂直度要求都比較高。為此，先采用在搖臂轉(zhuǎn)床上用加長(zhǎng)鉆桿和專用鉆頭在廢料上進(jìn)行試鉆，試鉆結(jié)果為當(dāng)采用大切削速度和小進(jìn)刀量并采取其他各種嚴(yán)格措施時(shí)，能加工出合格的管孔[5]。雖然該方法具有可行性，但效率過(guò)低，對(duì)工期影響較大且經(jīng)濟(jì)綜合成本過(guò)高。經(jīng)反復(fù)調(diào)研，最后采用了山東某數(shù)控公司生產(chǎn)的DD40/2數(shù)控鉆床進(jìn)行加工，此鉆床配有特種鉆頭，具有加工孔徑范圍大、雙主軸（間距可調(diào)）可同時(shí)工作、效率高、只需將鉆孔位置輸入系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程的顯著特點(diǎn)，由此達(dá)到優(yōu)化鉆孔順序、提高鉆孔效率的目的。管孔加工時(shí)在非堆焊面上開(kāi)鉆，將管板置于工作臺(tái)上以管板外圓為基準(zhǔn)，確定管板中心十字線的裝卡基準(zhǔn)，并校正加工平面的平面度小于0.03mm后開(kāi)始進(jìn)行鉆孔。完成鉆孔作業(yè)后，對(duì)加工后的管板進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為：最小管橋測(cè)量值為5.07mm（名義管橋?qū)挾葹?.75mm），管 孔 直 徑 測(cè) 量值 為25.23～25.31mm，孔內(nèi)表面粗糙度為3.2，此數(shù)據(jù)完全滿足圖樣設(shè)計(jì)要求。

2.3 合成氣入口接管精度控制

由于合成氣入口接管需在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)法蘭直接與氨合成塔組對(duì)，二者中間無(wú)可調(diào)節(jié)裕量，且還需在現(xiàn)場(chǎng)安裝塔內(nèi)件，故對(duì)尺寸精度要求較高，如若出現(xiàn)偏差，則給安裝帶來(lái)極大麻煩，甚至需要回廠返修。

為了保證合成氣入口接管裝配位置的精度，采取了以下三方面措施：

（1）控制管箱開(kāi)孔及坡口的精度：采用數(shù)控機(jī)床加工合成氣入口接管的坡口，從而保證了坡口的角度及與合成氣入口接管的間隙一致。

（2）加工裝防止焊接變形：組對(duì)時(shí)，當(dāng)合成氣入口接管距管箱開(kāi)孔各方向尺寸偏差不超過(guò)1mm后，先用4 塊特殊形狀的筋板將補(bǔ)強(qiáng)接管組件及管箱筒體焊接固定，再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)接管和管箱之間的焊接，從而減少焊接過(guò)程中的變形。

（3）進(jìn)行多次中間消應(yīng)力熱處理減少焊接及熱處理變形：在焊接該組件前后，一共進(jìn)行三次熱處理。在合成氣入口接管開(kāi)孔前，先將管箱筒體組件進(jìn)行熱處理，熱處理合格后再定位開(kāi)孔；當(dāng)工藝氣入口接管和管箱之間的焊接工作量完成一半時(shí)，進(jìn)行中間消應(yīng)力熱處理；所有焊接工作量完成后再進(jìn)行一次熱處理，然后拆除工裝。

通過(guò)以上三個(gè)措施，最終將變形量控制在了1mm以下，滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝的需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備的制造難度相對(duì)較高，涉及了特殊結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備接管焊接精度控制、特殊材料的堆焊、特殊材料換熱管的焊接等對(duì)制造要求較高的環(huán)節(jié)。后續(xù)的制造和設(shè)備運(yùn)行狀況證明，針對(duì)該設(shè)備各制造難點(diǎn)采取的措施是切實(shí)有效的，對(duì)保障產(chǎn)品的順利制造和保證設(shè)備制造質(zhì)量均起到了積極作用。同時(shí)，該設(shè)備的成功制造經(jīng)驗(yàn)，也可為其他結(jié)構(gòu)換熱器的制造提供經(jīng)驗(yàn)參考。