德士古氣化爐的監造要點和注意事項

祁新飛，耿海斌

(1.南京三方化工設備監理有限公司，江蘇 南京 210036；2.三門峽化工機械有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引言

據BP《 世界能源統計年鑒2021》數據，2020年中國煤炭儲量1 431.97億噸，占全球總量的13.3%，位居世界第四位；同時，中國的煤炭消費總量也達到了8 227萬噸，占全球消費總量的54.3%[1]。在“雙碳”目標帶動下，越來越多的煤炭應用于煤化工行業，不僅能生產出更多必須的化工產品，還能通過煤化工過程中產生的熱量作為能源。

煤炭氣化技術廣泛應用于煤化工行業，筆者結合監造工作經驗，介紹的德士古氣化是煤炭氣化技術中經常使用的核心設備。

1 德士古氣化爐的結構特點

該德士古氣化爐為III類壓力容器，設計壓力為7.15 MPa，工作壓力為6.50 MPa，設計溫度為氣化室425 ℃，激冷室280 ℃，工作溫度為250 ℃。氣化室的工作介質是高溫煤氣、熔渣，激冷室的工作介質是高溫煤氣、熔渣、灰水。

該氣化爐從結構上分為氣化室、激冷室、內件。氣化室段由氣化室筒體、預熱燒嘴、四工藝燒嘴、內錐形封頭、接管組成；激冷室由激冷室筒體、錐形封頭、卸料口短節筒體、設備法蘭、接管組成，如圖1所示。內件由洗滌冷卻循環組件、降液筒、氣泡分割器、靜態破渣器組成。

圖1 氣化爐結構簡圖

該氣化爐技術要求：殼體任一截面上圓度公差不大于±5 mm；筒體直線度，在任意3 m范圍內為2 mm，筒體總長度上為7 mm；四工藝燒嘴接管中心線必須在同一平面上，平面度偏差不大于1 mm，且該平面必須與氣化爐中性線垂直，垂直度偏差不大于1 mm；頂部預熱燒嘴法蘭與激冷環的同軸度偏差不大于±3 mm；托轉盤水平度偏差不大于±3 mm。

2 監造流程和控制重點

該氣化爐監造流程同其他設備監理流程大同小異，在此不再贅述。由于該設備技術要求高，監造過程中要重點控制各部件尺寸和組裝尺寸。由于材料特殊性，生產過程中極易產生冷裂紋[2]，監造中必須嚴格檢查焊前預熱的溫度避免產生淬硬組織，和焊后及消氫熱處理減少擴散氫，來預防冷裂紋的產生。

2.1 制造工藝的控制

制造工藝是指導生產藍本，良好的制造工藝是生產低成本、高質量產品的前提和保證[3]。合適的成型溫度在Cr-Mo類鋼材卷制過程中，有利于避免出現淬硬傾向、產生冷裂紋、復合層敏化，縮短熱處理時間，故工藝的審查尤為重要。工藝文件包括焊接工藝評定、焊接工藝規程、制造工藝流轉卡、熱處理工藝、無損檢測工藝、水壓試驗工藝、噴砂油漆工藝等。審查各工藝文件是否滿足相應的標準和已簽訂技術協議的要求，若不符合，要求制造廠整改。該設備的工藝難點是四工藝燒嘴的加工和組裝，務必要求制造廠編制相應的制造工藝，嚴格按照工藝執行。

2.2 主要部件的控制

主要部件包括筒節、球形封頭、內錐形封頭、錐形封頭。首先要確保所有部件的材料是復驗符合技術協議和相應的材料標準，并確認生產過程中有移植標記[4]。部件尺寸偏差控制在允許的偏差范圍內，是保證設備整體尺寸偏差滿足技術要求必要前提。在生產過程中要嚴格控制制造過程，部件合格是保證設備質量的必要條件。

筒節：筒節的監造檢查包括坡口、錯邊量、焊接、圓度、棱角度。每個筒節的環縫坡口應機床上加工，來保證上下端面的平行度且滿足工藝要求；筒節縱縫焊接的預熱溫度大于150 ℃，焊材及焊接電流、電壓等參數必須滿足焊接工藝。焊接完成后立刻進行消氫熱處理，校圓完成后，筒節的圓度≤5 mm，棱角度E≤2 mm；滿足上述條件24 h后進行無損檢測。

球形封頭：球形封頭先拼接后熱成型，之后進行正火+回火恢復性能熱處理。拼縫組對控制縱縫錯邊量，嚴格按照WPS進行焊接，完成后立即進行消氫熱處理，24 h后進行無損檢測合格后，進行熱壓成型。成型后按熱處理工藝進行正火+回火恢復性能熱處理，注意封頭焊接試板同爐。球形封頭尺寸控制參數有：球形封頭壁厚、外凸、內凹、封頭深度。

內錐形封頭和錐形封頭：錐體的制造采用先分片壓制、后拼接成型、再校形的方法。制造過程中需控制錐片組對時的錯邊量，焊接過程中的預熱溫度、焊接材料，焊后的消氫熱處理和無損檢測。錐形封頭尺寸控制參數：大、小端的直徑和圓度，封頭的高度(要保證有足夠的加工余量)。

2.3 組裝的控制

筒節與筒節的組對：筒節組對前，先用吊心法確定出筒節的基準線，以基準線為基準組對；組對過程中控制B類焊縫錯邊量≤6 mm，同時控制筒體的直線度，符合標準和技術協議后進入施焊工序。焊接過程中預熱溫度＞150 ℃，焊接材料符合WPS。之后按工藝進行消氫熱處理和無損檢測。另外激冷室筒節內部需進行堆焊(≥6 mm的堆焊層)，堆焊過程中，應嚴格控制焊接電流、電壓等參數，以減小堆焊對筒體的圓度的影響。筒節與上封頭、錐形封頭的組裝：經檢驗合格的部件，進入組裝工序。在組對過程中，控制環焊縫的錯邊量，合格后進入焊接工序。嚴格按照WPS進行焊接，按照熱處理工藝進行熱處理。

本設備的制造重點和難點在于四工藝燒嘴的組裝，在進行四工藝燒嘴組裝焊接時，給出如下的建議：

(1)在各個零部件都滿足相應的技術要求后，進行組裝工作。組裝工藝燒嘴時，采用紅外線跟蹤儀進行測量，測量合格后，方可進入下道工序；

(2)為了防止焊接變形，工藝燒嘴安裝檢驗合格后，采用對稱焊的方法使用手工焊焊接固定，再采用自動焊進行焊接，焊接過程中要不間斷用紅外線跟蹤儀進行測量，確保有效控制焊接變形量；

(3)預熱工裝要保證Cr-Mo鋼的預熱范圍和溫度要求，焊接時，至少每1 h進行檢測一次且要有溫度測量記錄。

2.4 監造重點及檢驗方案

該四噴嘴水煤漿氣化爐的四工藝燒嘴的平面度、兩對燒嘴接管中心線的垂直度、四工藝燒嘴所在平面與設備中心線的垂直度要求很高，這是該設備制造和檢驗的重點和難點。這樣高要求的技術條件同樣也為檢驗工作也帶來了困難，現根據監造過程中處理經驗提出以下兩種檢驗方案：

(1)利用激光掃面三維測量如圖2所示，該方案的優點是測量精度高，但該方案需要先進的設備，并且激光掃描錄入軟件時間長。一般制造廠沒有該設備，需請第三方檢驗機構。該方法還存在另一個弊端，跨專業，需要對技術協議要求深入溝通理解。

圖2 激光掃面三維測量圖解

(2)另外一種方法歸納為“打靶法”具體操作方法：制作五個靶心工裝，靶環間距為1 mm，將一個靶心工裝固定在預熱燒嘴內部，并將工裝與預熱燒嘴調成同心；將另外四個靶心分別放置在工藝燒嘴接管內部，同樣調成同心。從兩個相鄰燒嘴接管中心沿垂直于燒嘴法蘭面的方向發出兩束激光，測量激光束在相對工藝燒嘴接管靶心處的偏差、兩激光束的垂直度、兩激光束在筒體軸向的偏差，這樣就測出了兩工藝燒嘴接管的中心線的間距、平面度和垂直度。設備中心線與工藝燒嘴平面垂直度的測量方法：從卸料口中心沿垂直卸料口法蘭面方向發出激光束，測量該激光束與從兩對工藝燒嘴引出激光束焦點的距離。設備同軸度測量方法：測量沿設備軸向方向的激光束落在預熱燒嘴靶心工裝上交點和靶心中心距離偏差。

3 容易忽略問題的匯總

3.1 驗收基準點標記

在筆者進行監造的過程中，遇到這樣一個問題：激冷室下段降液管的定位尺寸是該末端到激冷室筒體末端的距離；然而，激冷室筒體末端與錐形封頭已焊接完成，很難準確確定筒體末端的位置，造成降液筒的定位尺寸偏差。建議在激冷室筒體與錐形封頭組對完成后，焊縫施焊前，以筒節末端為基準，在筒體上以200 mm作為標距引出基準圓，方便降液管的制作和檢驗。

3.2 洗滌冷卻環制作

洗滌冷卻環組件由冷卻水管、筒節、洗滌冷卻外環、洗滌冷卻內環、限位塊構成。洗滌冷卻環組件的作用是使冷卻水在降液管內形成均勻的水層，將降液管的熱量帶走，降低降液管內溫度。該部件的技術難點是洗滌冷卻外環與筒體的間隙要求偏差要求極高，該部件的技術要求限位塊距筒體的距離為1±0.1 mm，限位塊的作用目的是保證該間隙均勻和限制使用過程中洗滌冷卻環外觀位置。洗滌冷卻外環距筒節的距離不均，造成水層分布不均，使降液管內溫度存在偏差，降低降液管的壽命。該部件的制造可以將筒節、洗滌外環、洗滌內環組焊完成后，再進行機加工來保證該間隙精度，然后再按照圖紙安裝、焊接限位塊。

3.3 設備表面保溫螺母保護

在氣化爐工作過程中，為了檢測氣化室的溫度，以便進行相應的控制，氣化室段筒體外側和上封頭外側焊有數千個熱電偶螺母。螺母在筒體縱向的間距為200 mm，而滾輪架滾輪寬度一般有300 mm左右，這樣就遇到了一個問題：設備在最終熱處理后是不允許進行焊接工作，故在設備最終熱處理前，凡是與設備本體連接的部件焊接工作完成；筒體放置在滾輪架上，總會碰到一圈的熱電偶螺母。現給出如下兩個處理方案：第一方案對熱電偶螺母在設備最終熱處理后進行焊接，出具局部熱處理工藝，然后進行局部熱處理。第二方案采用寬度為400 mm，大于滾輪架滾輪寬度，厚度為15 mm的板材，卷制成半徑為1 910 mm(該氣化爐直徑為3 600 mm，筒體板厚為110 mm)的兩個半圓，在該圓弧板材與熱電偶干涉的位置開50 mm的孔，大于螺母外徑，在設備最終熱處理前，將兩塊弧板點焊到筒體上，將護板的位置與滾輪架接觸，從而保護熱電偶螺母。該方案的弊端是在熱處理后噴砂油漆設備轉動時，設備有可能在滾輪架上沿設備筒體徑向移動，造成滾輪與設備筒體接觸，從而破壞熱電偶螺母；另一個弊端是，在設備發運前，去掉該工裝時，存在傷及母材的風險。

4 結語

本文就筆者對四噴嘴水煤漿氣化爐的監造過程的反思、總結，在氣化爐制造過程中，四工藝燒嘴的組裝工作該設備的難點，通過相應的措施來控制制造過程造成的偏差，以生產出合格產品。對今后同類型設備制造和監理有很大的借鑒意義。在今后的設備制造或監造工作中，遇到相似的問題要舉一反三，全面考慮制造過程中的影響因素，找出主要因素進行生產控制。