卡薩利氨合成蒸汽過熱器制造技術研究

劉 勇，齊 波

（1.什邡市同佳機械有限公司，四川什邡 618400；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730060）

目前，國內建設的大型合成氨裝置中，卡薩利氨合成工藝技術已逐步占據主導地位，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熱器由于制造難度較大。對此，結合這一設備的結構特點、所在制造廠的設備能力，結合以往同類設備的制造經驗，制定了切實有效的制造工藝和措施，并進行技術攻關，解決了制造各環節中的工藝難題，為該類設備的制造積累了經驗。

1 卡薩利氨合成蒸汽過熱器設備簡介

1.1 主要設備設計參數

主要設備設計參數見表1。

表1 主要設備設計參數

1.2 主要零部件規格及材質

主要零部件規格及材質見表2。

表2 主要零部件規格及材質

1.3 設備結構特點

如圖1所示，本設備具備典型的U型管換熱器結構特點，但和一般的U型管換熱器相比，設計參數較高，其管程壓力及管殼程的溫度均較高；由于設備運行條件苛刻，故管箱和管板均采用了Cr-Mo鋼中Cr含量較高的12Cr2Mo1材質，換熱管采用了較特殊的Ni-Cr-Fe合金Inconel690材質，同時還要求管板在和工藝氣接觸側堆焊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，中間無可調節裕量，需嚴格控制其精度。

圖1 卡薩利氨合成蒸汽過熱器簡圖

2 主要制造難點及解決辦法

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過渡層堆焊和Inconel600面層堆焊，兩層厚度各3mm.過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。具體堆焊過程如下。

（1）確認管板12Cr2Mo1鍛件的使用狀態、化學成分、力學性能及外觀質量等均應符合NB/T 47008—2010《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的Ⅳ級鍛件規定；確定堆焊原材料質量合格、焊接工藝評定及焊工資質齊全。

（2）將管板預熱至150℃，開始進行過渡層堆焊，選擇適宜的焊帶寬度及焊接速度，堆焊過渡層時需盡可能一次完成，當不能一次完成時保證層間溫度≤90℃。

（3）按照NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準對管板進行超聲檢測，確保過渡層與基層的未貼合缺陷在標準允許范圍內且不存在大于25mm直徑的未結合部位；之后對堆焊部位依照NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進行著色檢驗，對未堆焊的基材表面應依照NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行磁粉探傷，確保無裂紋缺陷存在。

（4）確保過渡層堆焊合格后，堆焊面層，堆焊方法和堆焊過渡層一致，并用相同的方法進行無損檢測，確保過渡層和面層之間無超標未貼合缺陷且整個管板無裂紋缺陷。

（5）進行680℃消應力熱處理。熱處理時應注意爐內氣體氛圍，爐內必須嚴格控制硫元素的含量。同時，在熱處理前應去除設備表面含硫物質如油、油污、鉛筆標記、油漆及含硫、鉛的潤化劑等[2—4]。

2.2 管板加工與鉆孔

由于管板厚度為400mm，對加工精度、表面光潔度、孔的軸線間的許可垂直度要求都比較高。為此，先采用在搖臂轉床上用加長鉆桿和專用鉆頭在廢料上進行試鉆，試鉆結果為當采用大切削速度和小進刀量并采取其他各種嚴格措施時，能加工出合格的管孔[5]。雖然該方法具有可行性，但效率過低，對工期影響較大且經濟綜合成本過高。經反復調研，最后采用了山東某數控公司生產的DD40/2數控鉆床進行加工，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）可同時工作、效率高、只需將鉆孔位置輸入系統就可實現自動編程的顯著特點，由此達到優化鉆孔順序、提高鉆孔效率的目的。管孔加工時在非堆焊面上開鉆，將管板置于工作臺上以管板外圓為基準，確定管板中心十字線的裝卡基準，并校正加工平面的平面度小于0.03mm后開始進行鉆孔。完成鉆孔作業后，對加工后的管板進行測量，結果為：最小管橋測量值為5.07mm（名義管橋寬度為6.75mm），管 孔 直 徑 測 量值 為25.23～25.31mm，孔內表面粗糙度為3.2，此數據完全滿足圖樣設計要求。

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場通過法蘭直接與氨合成塔組對，二者中間無可調節裕量，且還需在現場安裝塔內件，故對尺寸精度要求較高，如若出現偏差，則給安裝帶來極大麻煩，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）控制管箱開孔及坡口的精度：采用數控機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：組對時，當合成氣入口接管距管箱開孔各方向尺寸偏差不超過1mm后，先用4 塊特殊形狀的筋板將補強接管組件及管箱筒體焊接固定，再進行補強接管和管箱之間的焊接，從而減少焊接過程中的變形。

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

通過以上三個措施，最終將變形量控制在了1mm以下，滿足現場安裝的需求。

3 結束語

該設備的制造難度相對較高，涉及了特殊結構形式的設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制造要求較高的環節。后續的制造和設備運行狀況證明，針對該設備各制造難點采取的措施是切實有效的，對保障產品的順利制造和保證設備制造質量均起到了積極作用。同時，該設備的成功制造經驗，也可為其他結構換熱器的制造提供經驗參考。