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浅谈气化炉的制造与检验


中国天辰工程有限公司 2008~2009 年度论文集

浅谈气化炉的制造与检验 浅谈气化炉的制造与检验
中国天辰工程有限公司 采购部 刘哲辉





本文主要介绍了气化炉的制造过程和检验,阐述了其中的关键点。 气化炉 材料 焊接 热处理 无损检测

关键词

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概述
随着近年来煤化工行业的快速发展,煤气化

成分的控制也是很严格的。下面对某项目基体材料为 ASMESA387Gr.11Cl.2 的气化炉的制造和检验进 行简介。

设备应用呈上升趋势,气化炉是煤气化装置的核 心设备,它在高温、高压、临氢 等恶劣条件

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原材料的检验

下操作,而且气化炉的材料性 能特殊,结构复 杂,因此对其制造质量及 性能要求都比较高。 气化炉应用的基体材料为 ASMESA387 系列, 这 类材料在制造 处理都有着相 过程中的壳体成形、焊接、热 对严格的要求,对材料的化学

2.1 主体材料 主体材料采用日本神户制钢生产的 ASMESA387Gr.11Cl.2,供货状态为正火加回火。 主体材料 (板材) 的化学成分应符合表 1 的规定。

ASMESA387Gr.11Cl.2 钢板的化学成分(熔炼分析) 表1 元素 C 0.05~ 0.17 Si 0.50~ 0.80 Mn 0.40~ 0.65 P S Cr Mo 0.45~ 0.65

含量 (wt%)

≤0.015

≤0.015

1.00~1.5

由于 ASMESA387Gr.11Cl.2 材料属于 Cr-Mo 钢系列,特点是耐高温性能好,强度(尤其是高 温强度) 也较好, 但是缺点也比较明显, 焊接性、 抗回火脆化性能相对差些。因此,对到厂板材按 炉批号进行化学成分复验,力学性能和冷弯性能 逐张取样进行复验,并且对钢板逐张进行 100% 超声检测和测厚检查。这些检查的结果必须满足 标准规范的要求。 2.2 焊接材料 2.2.1 基体材料所用焊材 为了保证气化炉的焊接质量及焊缝各项性 能,此设备仍然选用日本神户制钢生产的埋弧自 动焊的焊剂/焊丝和手工电弧焊焊条。 所用埋户弧

自动焊的焊剂为 PF-200, 焊丝为 US-511N。手 工电弧焊焊条为 CMA-96N。此类焊条和焊剂/焊 丝均为钢板配套生产,经过多年的应用,已经非 常成熟。 2.2.2 堆焊层的材料 气化炉的部分筒体需要堆焊不锈钢,采用双 层堆焊的工艺,过渡层为 309L 型不锈钢,需选 用 E309L-16 型焊材;耐蚀层为 316L 型不锈钢, 需选用 E316L-16 型焊材。对于大面积的筒体堆 焊,堆焊采用的是带极堆焊,过渡层所用焊材为 国产的 D309L 型焊带, 耐蚀层所用焊材为国产的 D316L 型焊带,焊带宽度为 60mm、50mm,厚 度为 0.5mm。 对于局部堆焊, 如带极堆焊的死角、

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环缝全部合拢后的局部、密封面的堆焊等,过渡 层选用国产 A062 焊条,耐蚀层选用国产 A022 焊条。 耐蚀层的铁素体含量必须满足 4%~10%的 要求,测定法采用磁性法或化学分析法为主, Schaeffler 图查作为参考, 取样位置为耐蚀层表面 向下 3mm。

以上工序主要控制筒节的直径偏差、椭圆度 以及筒节端面与轴线的垂直度偏差,然后将单个 筒节组对焊接成筒体。筒体的装配过程中主要控 制环焊缝的错边量、相邻筒节的直线度,从而保 证设备合拢后筒体的直线度。 3.2 封头的成形 气化炉的封头为球型封头(球冠) 。封头坯 料拼焊后,整体热冲压成形。封头热冲压后进行 正火(快速冷却)加回火处理。母材验证热处理 试板和焊接试板同炉热处理。试板的试验项目和 母材完全相同。 3.3 锥体的成形 气化炉的锥体采用单独成形的瓣片拼接而 成。锥体共分为八片,采用热冲压成形,同样需 要进行正火(快速冷却)加回火处理。 另外,在下料前考虑到了瓣片热冲压的减薄 量、加热后的高温氧化损失对壁厚的影响。 在瓣片的焊接过程中,设计了独立的工装, 使传统的手工焊接改为自动焊,提高了焊接质量 和效率,节省了时间。

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筒体、封头、锥体的成形

3.1 筒体的成形 筒体的制造质量,除了保证焊缝的焊接质量 外,筒体的椭圆度和直线度也是其重要的质量指 标。此台气化炉分为十个筒节,单个筒节的质量 控制是确保整个筒体椭圆度和直线度的前提。由 于其他的制造厂出现过筒体在冷卷过程中产生 了材料脆裂的事故,因此,此次在制造中采用中 温成形的制造方法。 中温成形温度必须低于钢板的回火温度,且 有不小于 40℃的裕度, 如果成形温度必须高于钢 板的回火温度将导致钢板的力学性能下降。因 此 ,此 台气 化炉 钢板 的中 温成 形温 度不 高于 640℃。经过中温成形的筒体不影响起力学性能, 不需要重新进行正火加回火处理。 在筒节的制造过程中,对下列情形进行了严 格控制:筒节下料时考虑长度方向加放焊接收缩 余量,各筒节高度之和尽可能接近筒体长度允许 的正偏差;筒节下料时使用经计量合格的同一盘 卷尺,下料采用数控切割机,并且采用机械加工 坡口,保证尺寸的精确;单个筒节合拢后的椭圆 度不大于 5mm,棱角度不大于 5mm,错边量不 大于 2mm; 在纵向焊缝的焊接过程中自始至终保 持工件温度不低于 200℃ (包括中间的清根) 如 , 果因特殊情况必须中断焊接过程,则工件必须立 即进炉保温进行回火热处理。筒节纵向焊缝焊接 完成后立即进行中间消应力处理,进行相应的无 损检测,合格后进行中温校圆。

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焊接

4.1 气化炉纵、环焊缝的焊接 气化炉的纵焊缝采用埋弧自动焊,预热 180℃~200℃,里口满焊,外口清根,然后外口 满焊。因为焊后要进行校圆,焊后立即进行热处 理。无损检测在热处理后进行。 环焊缝里外口均采用窄间隙埋弧自动焊,预 热 180℃~200℃, 焊后立即进行消应力处理或消 氢处理。无损检测在热处理后进行。采用了窄间 隙焊后,提高了生产效率、降低了生产成本,焊 缝外观也得到了改善。 以上的焊接层间温度不大于 300℃。 4.2 气化炉的内壁堆焊 4.2.1 过渡层的堆焊 堆焊前对所有需要堆焊的筒体表面进行磁 — 2 —

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粉检测,合格后对筒体预热 80℃~100℃,预热 温度不宜过高,否则回增加母材的稀释率。 过渡层堆焊的层间温度控制在不大于 150℃。 堆焊完过渡层后进行消应力处理。 热处理后对过渡层进行超声波探伤和着色 探伤。 4.2.2 耐蚀层的堆焊 耐蚀层的堆焊不需要预热,堆焊时的层间温 度控制在不大于 150℃。 堆焊完毕后进行超声波探伤和着色探伤,并 且采用机械方法取化学分析试样。 4.2.3 堆焊工艺 堆焊过程中对焊带的伸出长度、焊剂的覆盖 厚度、焊接规范、每道焊道的搭接量都进行了控 制。 制造厂开始使用宽度为 75mm 的焊带, 但是 在焊接过程中,很容易出现咬边、夹渣、未熔合 等缺陷,经过分析,是焊机的参数不匹配,后将 焊带宽度调整为 60mm, 使焊接质量得到了改善。

另外,同样的零部件经历的中间热处理的次数相 差较大,而中间热处理的次数对最终的回火参数 有一定影响。因此,从设备一开始制造,就安排 专门人员负责统计每个零部件中间热处理的次 数和数据,以利于最终确定回火参数。 5.3 最终焊后热处理 气化炉的最终热处理是这个制造过程中相 当重要的工序之一,它在气化炉的一切焊接工作 全部完成,且经过检验合格确认不再施焊之后才 能进行。而对气化炉而言,最终热处理不仅仅为 了消除整体焊接应力、结构应力,其更为重要的 则在于通过最终热处理以获得最佳的母材、焊缝 的抗回火脆化性能和理想的综合力学性能。 由于气化炉在制造过程中各个部件经过多 次回火、中间焊后热处理、热校员圆加温、最终 热处理等不同程度的回火,因此需要把这些不同 回火温度下的保温时间折算成相当于最终热处 理温度的保温时间。 此次设备采用的是 690±14℃,8~10 小时 的热处理工艺。热处理温度控制公差带越小越 好,这样就保证了各主焊缝、母材的回火脆化性 能基本一致。最终热处理采用了整体进炉方式, 为此, 制造厂新建一台 6m×6m×28m 的热处理炉。

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热处理
气化炉在制造过程中,进行了以下热处理:

焊后消氢处理(DHT) 、中间焊后热处理(ISR) 、 最终焊后热处理(PWHT) 。 5.1 焊后消氢处理 一般认为在 300℃以内氢的扩散能力急剧增 强,300℃以上则明显下降。因此,在焊接工作 完成后, 立即对焊缝进行 200℃~300℃之间保温 ≥4 小时的消氢处理, 以使扩散氢尽快逸出, 避免 氢聚集。 5.2 中间热处理 中间热处理的主要目的是消除焊接内应力。 进行中间焊后热处理时,因为部件结构约束小, 为防止过大的变形,采用了低温进炉,控制升温 速度的方法,热处理温度为控制在 620±20℃;

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无损检测
气化炉由于制作工艺复杂,产品内在质量要

求高,用材特殊,因此从一开始投料直到设备交 付,运用了各种检验方法和手段来确保产品整体 质量满足设计和使用要求。无损检测在整个气化 炉的制造过程中贯穿始终,工作量和难度都很 大。 气化炉的无损检测包含了射线探伤(简称 RT) 、超声波探伤(简称 UT) 、磁粉探伤(简称 MT) 、着色探伤(简称 PT) 。 6.1 射线探伤 射线探伤 (简称 RT) 按规定都必须在焊缝进

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行过程中间消除应力热处理(ISR)之后进行。 检验区域包括所有 A、B 类焊缝,检验比例均为 100%, 合格级别为 JB4730Ⅱ级合格。 经过射线检 测,制造厂一次焊接合格率在 95%以上,减少了 返修次数,节约了时间。 6.2 超声波探伤 超声波探伤 (简称 UT) 是气化炉制造过程中 应用最广泛、应用频次最高的一种探伤方法。对 于某些焊缝,在不同的制造时段还有重复 UT 的 要求。检验区域包括原材料验收、封头热成形、 筒节热卷、所有 A/B/D 类焊缝、筒体和锥体的堆 焊层等, 检验比例均为 100%, 合格级别为 JB4730 Ⅰ级合格。尤其对于主体焊缝,由于它们的重要 性以及焊缝特性(冷裂纹和延迟裂纹) ,因此在 中间热处理后、最终热处理后、设备水压试验合 格后进行了 100%UT。 前面两次 UT 是后面 UT 合格 的保证,但同时也不可省略,否则在后面发现问 题将不堪设想。 特别强调的是, 由于其正确可靠、 UT 方便快 速而被大面积使用,但是其记录追踪性比 RT 差, 因此对探伤者要求每一次 UT 后都认真做好记录, 实事求是地填写检验报告。特别对于那些需要重 复 UT 的主体焊缝,后面的 UT 也是对前面结论的 复核,若确实出现了新的缺陷也非常有利于追踪 和分析原因。 6.3 磁粉探伤 磁粉探伤 (简称 MT) 也是在气化炉制造中应 用较多的检验方法,而且对同一部位在不同时段 状态下也需要重复进行,主要作用是检验表面的 裂纹缺陷。检验区域包括封头/锥体热冲压成形 后的内外表面、所以需堆焊的 Cr-Mo 钢表面、所 有 A/B/D 类焊缝的焊接坡口表面、所有 A/B/D

类焊缝外表面(在水压试验后) 、设备受压元件 上的临时工装去除后的表面。 6.4 着色探伤 着色探伤 (简称 PT) 同样在气化炉制造过程 中起到了重要作用。特别是在不锈钢表面探伤、 一些 MT 无法操作的区域,PT 检查发挥了不可替 代的作用。检验区域包括 309L 不锈钢堆焊后的 全表面、 347L 不锈钢堆焊后的全表面、 所有机加 工的法兰密封面、所有 A/B/D 类接头部位、凸台 部位的手工堆焊表面。 另外, 由于结构原因或技术原因无法进行 MT 检查的部位,用 PT 检查进行了代替。

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结语
对于气化炉,由于它的使用条件非常苛刻,

因此,首先要控制好材料(包括焊接材料)的化 学成分及其各项性能;在筒体、封头、锥体的成 形过程中严格控制几何尺寸; 在焊接过程中,严格控制焊接线能量不能超 过焊接工艺要求;严格控制焊接质量,尽量 减少焊接返修次数,以减少因热处理引起的 脆化倾向;主体焊缝采用窄间隙坡口,以减 少输入热量对焊接接头的影响。 由于此制造厂在制造气化炉的方面经验较 少,在带极堆焊的应用方面时还是发生了一些问 题,造成了返修较多,延误了时间。因此制造厂 在此方面还需要多积累经验。 另外,随着国内钢铁冶炼技术的提高和对材 料性能的掌握,加之焊接技术的进步和制造经验 的积累,设计部门在气化炉的设计的选材方面可 以考虑尝试选择国产的 ASME 材料,这样可以大 大降低制造成本,节约制造时间。

参 考 文 献
1、GB150-1998 《钢制压力容器》 2、 《压力容器安全监察技术规程》1999 版 3、 《气化炉制造、检验、验收技术条件》 4、 《焊接手册》 (第 2 卷 材料的焊接)

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