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卡萨利氨合成工艺中蒸汽过热器设备制造技术研究

2020-06-30 678 上传者：管理员

摘要：对卡萨利氨合成工艺中的蒸汽过热器设备的制造技术进行了探讨,为制造类似结构和要求的产品积累了经验。

关键词：
Cassle
关键制造技术
化学工业
卡萨利氨合成工艺技术
合成氨装置
蒸汽过热器
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目前,国内建设的大型合成氨装置中,卡萨利氨合成工艺技术已逐步占据主导地位,约占新建合成氨装置的65%,尤其是300kt/a的合成氨装置中比例更高[1]。在卡萨利工艺中,氨合成塔出口后的第一换热器即蒸汽过热器由于制造难度较大。对此,结合这一设备的结构特点、所在制造厂的设备能力,结合以往同类设备的制造经验,制定了切实有效的制造工艺和措施,并进行技术攻关,解决了制造各环节中的工艺难题,为该类设备的制造积累了经验。

1、卡萨利氨合成蒸汽过热器设备简介

1.1主要设备设计参数

主要设备设计参数见表1。

表1主要设备设计参数

1.2主要零部件规格及材质

主要零部件规格及材质见表2。

表2主要零部件规格及材质

1.3设备结构特点

如图1所示,本设备具备典型的U型管换热器结构特点,但和一般的U型管换热器相比,设计参数较高,其管程压力及管壳程的温度均较高;由于设备运行条件苛刻,故管箱和管板均采用了Cr-Mo钢中Cr含量较高的12Cr2Mo1材质,换热管采用了较特殊的Ni-Cr-Fe合金Inconel690材质,同时还要求管板在和工艺气接触侧堆焊6mm的Inconel600合金。另外,由于合成气入口需和合成塔直接法兰高压密封连接,中间无可调节裕量,需严格控制其精度。

图1卡萨利氨合成蒸汽过热器简图

2、主要制造难点及解决办法

2.1管板堆焊Inconel600合金

管板需堆焊6mm厚的Inconel600合金,Inconel600合金堆焊分为Inconel600过渡层堆焊和Inconel600面层堆焊,两层厚度各3mm.过渡层和面层的焊材均选用AWSA5.14中的ERNiCr-3焊丝和EQNiCr-3焊带,焊接采用带极堆焊的焊接方式。具体堆焊过程如下。

(1)确认管板12Cr2Mo1锻件的使用状态、化学成分、力学性能及外观质量等均应符合NB/T47008—2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》的Ⅳ级锻件规定;确定堆焊原材料质量合格、焊接工艺评定及焊工资质齐全。

(2)将管板预热至150℃,开始进行过渡层堆焊,选择适宜的焊带宽度及焊接速度,堆焊过渡层时需尽可能一次完成,当不能一次完成时保证层间温度≤90℃。

(3)按照NB/T47013.3—2015《承压设备无损检测第3部分:超声检测》标准对管板进行超声检测,确保过渡层与基层的未贴合缺陷在标准允许范围内且不存在大于25mm直径的未结合部位;之后对堆焊部位依照NB/T47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分:渗透检测》进行着色检验,对未堆焊的基材表面应依照NB/T47013.4—2015《承压设备无损检测第4部分:磁粉检测》进行磁粉探伤,确保无裂纹缺陷存在。

(4)确保过渡层堆焊合格后,堆焊面层,堆焊方法和堆焊过渡层一致,并用相同的方法进行无损检测,确保过渡层和面层之间无超标未贴合缺陷且整个管板无裂纹缺陷。

(5)进行680℃消应力热处理。热处理时应注意炉内气体氛围,炉内必须严格控制硫元素的含量。同时,在热处理前应去除设备表面含硫物质如油、油污、铅笔标记、油漆及含硫、铅的润化剂等[2,3,4]。

2.2管板加工与钻孔

由于管板厚度为400mm,对加工精度、表面光洁度、孔的轴线间的许可垂直度要求都比较高。为此,先采用在摇臂转床上用加长钻杆和专用钻头在废料上进行试钻,试钻结果为当采用大切削速度和小进刀量并采取其他各种严格措施时,能加工出合格的管孔[5]。虽然该方法具有可行性,但效率过低,对工期影响较大且经济综合成本过高。经反复调研,最后采用了山东某数控公司生产的DD40/2数控钻床进行加工,此钻床配有特种钻头,具有加工孔径范围大、双主轴(间距可调)可同时工作、效率高、只需将钻孔位置输入系统就可实现自动编程的显著特点,由此达到优化钻孔顺序、提高钻孔效率的目的。管孔加工时在非堆焊面上开钻,将管板置于工作台上以管板外圆为基准,确定管板中心十字线的装卡基准,并校正加工平面的平面度小于0.03mm后开始进行钻孔。完成钻孔作业后,对加工后的管板进行测量,结果为:最小管桥测量值为5.07mm(名义管桥宽度为6.75mm),管孔直径测量值为25.23～25.31mm,孔内表面粗糙度为3.2,此数据完全满足图样设计要求。

2.3合成气入口接管精度控制

由于合成气入口接管需在现场通过法兰直接与氨合成塔组对,二者中间无可调节裕量,且还需在现场安装塔内件,故对尺寸精度要求较高,如若出现偏差,则给安装带来极大麻烦,甚至需要回厂返修。

为了保证合成气入口接管装配位置的精度,采取了以下三方面措施:

(1)控制管箱开孔及坡口的精度:采用数控机床加工合成气入口接管的坡口,从而保证了坡口的角度及与合成气入口接管的间隙一致。

(2)加工装防止焊接变形:组对时,当合成气入口接管距管箱开孔各方向尺寸偏差不超过1mm后,先用4块特殊形状的筋板将补强接管组件及管箱筒体焊接固定,再进行补强接管和管箱之间的焊接,从而减少焊接过程中的变形。

(3)进行多次中间消应力热处理减少焊接及热处理变形:在焊接该组件前后,一共进行三次热处理。在合成气入口接管开孔前,先将管箱筒体组件进行热处理,热处理合格后再定位开孔;当工艺气入口接管和管箱之间的焊接工作量完成一半时,进行中间消应力热处理;所有焊接工作量完成后再进行一次热处理,然后拆除工装。

通过以上三个措施,最终将变形量控制在了1mm以下,满足现场安装的需求。

3、结束语

该设备的制造难度相对较高,涉及了特殊结构形式的设备接管焊接精度控制、特殊材料的堆焊、特殊材料换热管的焊接等对制造要求较高的环节。后续的制造和设备运行状况证明,针对该设备各制造难点采取的措施是切实有效的,对保障产品的顺利制造和保证设备制造质量均起到了积极作用。同时,该设备的成功制造经验,也可为其他结构换热器的制造提供经验参考。

参考文献：

[1]王立成.卡萨利氨合成工艺技术分析及应用[C].大氮肥编辑部.第二十一届全国大型合成氨装置技术年会论文集.2013:12-15.

[2]NB/T47014—2011,承压设备焊接工艺评定[S].北京:国家能源局,2011.

[3]NB/T47015—2011,压力容器焊接规程[S].北京:国家能源局,2011.

[4]JB/T4756—2006,镍及镍合金制压力容器[S].北京:中华人民共和国国家发展和改革委员会,2006.

[5]兰州石油机械研究所编译.厚管板的钻孔[J].化工炼油机械通讯,1975(03):118-119.

刘勇,齐波.卡萨利氨合成蒸汽过热器制造技术研究[J].化工设计通讯,2020,46(06):1-2.