不銹鋼復合材料鎖斗的制造工藝

楊美昆

(西安核設備有限公司，陜西 西安 710021)

公司承制的煤化工設備鎖斗是某50萬t/a聚甲氧基二甲醚項目的重點設備，也是煤化工行業中使用較廣泛的關鍵設備。該設備常與煤化工核心設備氣化爐整套同時使用，主要功能是將氣化爐燃盡的煤灰冷卻，經粉碎處理后排除，起到儲存和排放爐渣的作用，是一種承受循環載荷、連續運轉的疲勞設備。鎖斗設備還主要應用于煤化工制氣，特別是在一些加壓的粉煤/煤渣合理輸送系統中應用較多。

本文所述鎖斗設備屬Ⅱ類壓力容器，數量為3臺，單臺設備凈質量約60.3 t，內徑φ2 388 mm，壁厚(100+6 )mm，總長度8 360 mm，主要由橢圓封頭、錐體Ⅰ、錐體Ⅱ、筒體、人孔等部件組成，其結構如圖1所示。工況介質為氣化爐渣、黑水，含有硫化氫、氯離子、硫酸根離子等，屬于腐蝕性介質,技術參數如表1所示【1】。

表1 鎖斗設備技術參數

本文將從材料控制、焊接過程、焊后檢驗以及熱處理等方面對鎖斗的制造工藝進行詳細說明。

圖1 鎖斗

1 材料控制

設備母材為Q345R，壁厚100 mm，以正火狀態供貨，并逐張進行100%UT檢測，合格級別為NB/T 47013.3—2015中的Ⅰ級，且滿足GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中的各項規定。材料主要化學成分見表2，力學性能和冷彎性能要求見表3。

設備采用基材內壁堆焊6 mm不銹鋼耐腐蝕層結構，主體材料各項技術指標經復驗合格后用于設備制造中【2】。Q345R材料是普通低合金鋼，是鍋爐壓力容器常用鋼材。其屈服強度為345 MPa，具有良好的綜合力學性能和工藝性能，且焊接性較好，通常不會產生冷、熱裂紋，因此，常常被用在煤化工、化工、核電等大型壓力容器設備的設計和制造中。

表2 Q345R主要化學成分 w,%

表3 力學性能和冷彎性能要求

2 錐段成形工藝

公司以往加工制造的鎖斗設備錐段部分由過渡段Ⅰ、錐殼、過渡段Ⅱ、底部接管法蘭4部分組成， 過渡段選用鍛件、錐殼選用板材，制造加工較容易。本次加工的錐段部分由錐段Ⅰ、 錐段Ⅱ、 底部接管法蘭3部分組成， 錐段Ⅰ、 錐段Ⅱ采用規格不同的厚板材加工成形， 制造難度較大。錐段Ⅱ材料壁厚100 mm， 外形尺寸φ1 240 mm/φ2 388 mm×1 468 mm，根據以往同類材料設備的制造經驗和成形工藝評定結果，采用3拼1下扇形料的工藝方法，大、小口均留工藝余量。錐段采用單片熱成形，控制終壓溫度不小于850 ℃，拼焊過程中嚴格控制基材錯邊量≤4 mm，成形后進行中間消應熱處理。出爐后立即用專用胎具對大、小口進行熱校形、直邊部分熱翻邊成形并進行恢復性能正火處理。按堆焊工藝進行堆焊后，在立式車床上車削加工錐段高度、兩端環縫坡口及小口端削邊尺寸。錐段Ⅰ成形的工藝方法與錐段Ⅱ相同。

3 焊接工藝

3.1 基層焊接

根據基層材料特性和焊接工藝評定要求，確定焊接坡口形式及焊接技術參數，坡口形式如圖2 所示,技術參數如表4所示。焊前預熱溫度≥100 ℃，預熱時采用紅外線測溫儀控制溫度，層間溫度120～250 ℃。焊接具體步驟如下：焊前清理干凈每側坡口表面及附近25 mm范圍內的水、銹、油污、積渣和其他有害雜質；焊條電弧焊點焊；按圖2所示序號1、2順序進行埋弧焊；反面碳弧氣刨清根，打磨至露出金屬光澤；埋弧自動焊施焊序號3(見圖2)；注意層間清渣及焊后表面飛濺物的清理。焊接后無損檢測的技術要求見表5。基層錐體Ⅰ、Ⅱ和筒體縱縫焊接完畢后進行和消應力熱處理，加熱溫度(550±15)℃，保溫120 min，空冷。各項檢查合格后進行后續堆焊工序【3】。

圖2 焊接坡口形式

3.2 堆焊

根據制造標準規范、材料特性和堆焊工藝評定，重點確定過渡層、面層堆焊過程中堆焊方法、電流、電壓、焊接速度等堆焊技術參數的合理性和規范性，設備內壁堆焊結構如圖3所示，堆焊工藝參數如表6所示。

3.2.1 堆焊前準備

1) 堆焊前母材待堆焊表面的對接焊縫需磨平，并進行100%RT檢測，合格后表面按NB/T 47013.4—2015進行100%MT檢測，Ⅰ級合格，待堆焊表面不得有任何裂紋等缺陷存在。堆焊面要保證清潔，無油污等影響堆焊質量的雜質。

2) 根據材料特性堆焊前預熱，預熱溫度≥100 ℃，預熱時用紅外線測溫儀控制溫度，一般控制在150～200 ℃，可延緩焊后冷卻速度，減少有害溫度梯度，并可降低焊接殘余應力和焊接結構的拘束度。

圖3 堆焊結構

表4 基層焊接工藝參數

表5 無損檢測技術要求

表6 堆焊工藝參數

3.2.2 堆焊質量過程控制

由于帶極電渣堆焊具有稀釋率較低，焊道成形良好，堆焊質量穩定、高效等優點，采用焊條電弧堆焊進行局部及小面積堆焊被廣泛應用于煤化工厚壁反應器、加氫反應器、核電設備需大面積堆焊的設備制造過程中。鎖斗設備堆焊層分2層，第1層過渡層的堆焊材料為EQ309L；第2層面層的堆焊材料為EQ316L，采用手工焊條焊進行局部堆焊，焊劑為GXS-E300,烘干溫度和時間為(350～400)℃×2 h。堆焊過程中應嚴格保證復層層間溫度≤100 ℃，堆焊處預熱，預熱范圍為堆焊處中心兩側各250 mm，溫度測量點選擇在焊接接頭兩側50 mm處，堆焊過程中始終保持對預熱溫度的監控。整個過渡層表面應保證厚度均勻、光滑、規則，不允許有裂紋、氣孔、弧坑、夾雜和咬邊等缺陷。過渡層堆焊過程中，根據堆焊工藝評定要求控制堆焊技術參數，保證母材金屬對熔敷金屬的稀釋率，確保過渡層與基層的機械性能符合工藝評定要求。帶極堆焊的焊道排成同心圓螺狀，同心圓焊道采用斷開或搭接連接，當首尾搭接連接時，搭接處應在同一斜線或同一母線上，耐腐蝕層的焊道搭接融合線應該錯開，兩層焊道1/2焊道搭接至少。每層堆焊表面均應進行100%PT檢測。堆焊第1層(過渡層)后進行消應力熱處理，加熱溫度(600±15)℃，保溫120 min，冷卻方式為≤55 ℃/h爐冷至≤400 ℃，然后空冷。按相同工藝方法和過程控制堆焊面層。堆焊完畢后，堆焊表面按NB/T 47013.2—2015進行100%UT檢測，技術等級C級,Ⅰ級合格；同時，堆焊表面還應按NB/T 47013.5—2015進行100%PT檢測,Ⅰ級合格。通過對堆焊試板試樣進行檢測，堆焊表面以下3 mm之內化學成分與焊帶或焊條化學成分一致。堆焊表面應平整，不進行加工的表面應光滑，用200 mm長的弧形樣板測定相鄰焊道之間凹陷及焊道接頭平面度，要求均不得大于0.5 mm。

熱處理前對設備不同部位堆焊層各取不同位置8個點進行了δ鐵素體含量測定，測定方法以鐵磁性法或化學分析法為主，塞弗勒圖核查作為參考，結果均在4%～9%內，符合技術要求。

4 結語

煤化工關鍵設備鎖斗在制造過程中嚴格遵守相關技術規范和技術要求，根據設備結構、介質、材料特性以及工藝評定要求，確定合理、規范的成形、焊接及堆焊技術參數并規范地應用于設備的制造過程中，順利完成了3臺鎖斗制造任務。經檢測，各項檢測項目和試驗均符合圖紙設計和技術要求。設備投產后運行至今，未出現任何安全、質量問題。3臺特殊結構鎖斗設備的順利制造，為煤化工不同結構類型設備的制造積累了寶貴經驗。