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气化炉结构设计及制造工艺 6-14

2024-02-10 常见问题

  气化炉结构设计及制造工艺 6-14气化炉结构设计及制造工艺6-14气化炉结构设计及制造工艺摘要煤炭资源在我国一次能源中占70%以上,所以为了适应我国缺油、少气、富煤的基本国情,本设计针对水煤浆制取合成气的大型设备——气化炉进行研究,根据一开始所选择的炉型,对其主要零部件设计计算,包括上下封头、筒体、支座、密封和人孔等结构,并绘制出气化炉的装配草图。然后对整个气化炉制作的完整过程及以上各零部件的制造工艺研究分析,阐述关键制造工序并提出解决制造难点的方案。结合设备制造的过程经验,针对SA387Gr11CL2材料表面堆焊耐蚀层、复合钢板对接、各零部件组焊等焊接...

  及制造工艺6-14气化炉结构设计及制造工艺摘要煤炭资源在我国一次能源中占70%以上,所以为了适应我国缺油、少气、富煤的基本国情,本设计针对水煤浆制取合成气的大型设备——气化炉进行研究,根据一开始所选择的炉型,对其主要零部件设计计算,包括上下封头、筒体、支座、密封和人孔等结构,并绘制出气化炉的装配草图。然后对整个气化炉制作的完整过程及以上各零部件的制造工艺研究分析,阐述关键制造工序并提出解决制造难点的

  。结合设备制造的过程经验,针对SA387Gr11CL2材料表面堆焊耐蚀层、复合钢板对接、各零部件组焊等焊接工艺也做了重点分析,并做出总结。通过查阅有关的资料,最终选择正真适合的热处理方式,即分部件单个热处理并辅助加工手段逐层消除保证后,做最后的整体消除应力热处理以达到最终效果。同时,由于设备的大型化,难以运输,所以本文对设备的现场组装、压力试验等也做了一定的介绍。关键词:德士古气化炉,结构设计,制造工艺,焊接StructureDesignandManufacturingProcessofGasifierABSTRACTCoalresourcesaccountedformorethan70%inChinasprimaryenergy,inordertoadapttoChinasbasicnationalconditionsoflackingoilandgasandrichingincoalresources,thedesignmainlydiscussgasifyingfurnacewhichisusedtoproducesyntheticgasfromcoalwaterslurry,firstIdesignandcalculatethemainpartsofthegasifieraccordingtothefurnacetypebefore,includingtheheadsofgasifier,cylinders,supportingseats,sealingandmanholestructure,nextdrawtheassemblysketchesofgasifier.Then,analyzethemanufacturingtechnologyofthewholegasifierandthemajorparts,elaboratethekeymanufacturingprocedureandputforwardtheplantosolvethequestionsofdifficultmanufacturingprocess.AnalyzeandsummarizethesurfacingprocessofSA387Gr11CL2,thebuttweldingofthecompositesteel,andtheweldingtechnologyofthepartsbycombiningwiththeprocessexperiencesoftheequipmentmanufacturing.Andchoosethesuitableheattreatmentfinally,throughaccessingtorelevantinformation,whichisheatingthepartsofgasifierwiththeauxiliarymeansofprocessinglayerbylayertoeliminatestress.Then,heatthewholeofgasifiertoeliminatingstresstoachievethefinaleffect.Atthesametime,duetothelarge-scaleofequipment,itisdifficulttotransport,sothispaperalsointroducesthefieldofequipment.Keywords:Texacogasificationfurnace,structuredesign,manufacturingprocess,welding目录TOC\o1-3\h\uHYPERLINK\l_Toc16258摘要IHYPERLINK\l_Toc12814ABSTRACTIIHYPERLINK\l_Toc111031绪论1HYPERLINK\l_Toc26046课题研究的背景及理论意义1HYPERLINK\l_Toc14364气化炉的选型1HYPERLINK\l_Toc8007煤气化炉的发展的新趋势1HYPERLINK\l_Toc26341德士古气化炉介绍2HYPERLINK\l_Toc4313德士古炉型气化炉的技术特点2HYPERLINK\l_Toc26624水煤浆气化特点2HYPERLINK\l_Toc7477气化炉容器外壳的选材2HYPERLINK\l_Toc24717反应室壳体选材2HYPERLINK\l_Toc29901激冷室壳体选材3HYPERLINK\l_Toc18341主要材料的力学性能3HYPERLINK\l_Toc24837气化炉的制造问题4HYPERLINK\l_Toc23840运输问题4HYPERLINK\l_Toc22092装备问题4HYPERLINK\l_Toc4032制造与检验4HYPERLINK\l_Toc276862德士古气化炉主要部件的设计5HYPERLINK\l_Toc5536气化炉结构特点与技术特性5HYPERLINK\l_Toc4703主要部件的设计计算5HYPERLINK\l_Toc20748燃烧室筒体壁厚的计算与校核5HYPERLINK\l_Toc21757激冷室筒体的设计6HYPERLINK\l_Toc11567上球形封头的设计7HYPERLINK\l_Toc19636下锥体封头的设计7HYPERLINK\l_Toc14662密封结构设计8HYPERLINK\l_Toc2011人孔补强结构设计8HYPERLINK\l_Toc15917支座结构设计12HYPERLINK\l_Toc225853气化炉的制造工艺研究13HYPERLINK\l_Toc10620制造

  及要求13HYPERLINK\l_Toc5164制造规范13HYPERLINK\l_Toc17057技术方面的要求13HYPERLINK\l_Toc3562主要部件的制造工艺流程13HYPERLINK\l_Toc392主要部件成型前的通用工艺流程13HYPERLINK\l_Toc23025上球形封头成型14HYPERLINK\l_Toc23514激冷室筒体的成型17HYPERLINK\l_Toc1510燃烧室筒体的成型21HYPERLINK\l_Toc17624下锥体封头的成型23HYPERLINK\l_Toc111204气化炉制造中的焊接技术探讨研究26HYPERLINK\l_Toc15702SA387Gr11CL2耐热钢焊接性的分析26HYPERLINK\l_Toc26313耐热型低合金钢焊接的要求27HYPERLINK\l_Toc31856主要结构的焊接工艺分析27HYPERLINK\l_Toc14121上球形封头环向坡口焊接27HYPERLINK\l_Toc16098燃烧室筒体纵焊缝焊接28HYPERLINK\l_Toc16182激冷室(复合钢板)筒体纵焊缝焊接29HYPERLINK\l_Toc31281筒体锻件的局部堆焊31HYPERLINK\l_Toc19981下锥形封头与兰组焊32HYPERLINK\l_Toc23043接管与复合钢板筒体的焊接34HYPERLINK\l_Toc7603筒体锻件与内件的焊接35HYPERLINK\l_Toc249235气化炉的组装37HYPERLINK\l_Toc23226致谢38HYPERLINK\l_Toc6225参考文献391绪论课题研究的背景及理论意义我国石油和化学工业在加快速度进行发展的同时,正面临着资源、能源和环境等多重压力。由于我国石油和天然气短缺,煤炭相对丰富的资源特征,加之国际油价的持续高位运作时的状态,煤炭在我国的能源和化工的未来发展中所处的地位会慢慢的变重要。国家在“十五”规划中精确指出,“必须下大力气调整能源结构,从每个方面采取

  节约石油消耗,全力发展洁净煤气化技术”。由于煤化工的气头,即气化方式是煤产品的根源,因此煤气化炉就成为煤化工产品的龙头。国外煤气化技术早在20世纪50年代已实现工业化,20世纪70年代因石油天然气供应紧张使得煤气化新工艺研究和开发得到加快速度进行发展,并成功地开发出对煤种适应性广、气化压力高、气化效率高、污染少的新一代煤气化炉。其中有代表性的有荷兰的壳牌(Shell)炉、美国的德士古(Texaco)炉和德国的鲁奇(Lurgi)炉等。在国内运用最为广泛的为GE水煤浆和Shell煤粉气化工艺。利用煤碳在气化炉中发生一系列的化学反应,制取合成气,为合成氨、制取甲醇提供原料气。针对我国的国情,可以充分的利用煤炭这一能源。采用德士古气化炉设备,有着较高的转化率和可靠性,而且对环境无污染,环保性能好。气化炉的选型按照气化炉内料流形式,气化技术大致分为固定床、流化床和气流床三大类典型的固定床气化炉有间歇式固定床气化炉、加压鲁奇固定床气化炉;流化床有灰熔聚流化床气化炉、恩德炉等,气流床有德士古气流床、Shell粉煤气化炉等。气流床技术由于煤种适应能力强,效率高,合成气中有效成分高,运行可靠且环保性能好。所以气流床技术在我国也运用的较为普遍,其代表炉型为德士古气化炉和壳牌干粉煤气化两种气化炉。德士古气化炉的设备结构相对比较简单,内件很少;理论上可以用任何煤种;其有较长的运行实践经验,操作危险性小,可用率达80%~85%;气化炉的运行的成本较低。Shell气化炉的碳转化率虽然比较高,但投资也高,设备造价较高,配合的干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气加压所需的功耗较大。所以本次设计以德士古气化炉作为研究对象。煤气化炉的发展的新趋势(1)气化压力向高压发展提高气化效率、碳转化率和气化炉能力,实现气化装置大型化和能量高效回收利用,降低合成气的压缩能耗或实现等压合成。(2)气化炉的能力向大型化发展大型化便与实现自动控制和优化操作,降低能耗和操作费用。(3)气化温度向高温发展气化温度高,煤中有机物质分解气化,消除或减少环境污染,对煤种适应广。德士古气化炉介绍德士古炉型气化炉的技术特点GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料、氧气为气化剂的加压气化技术。水煤浆经原料加压泵加压后与高压氧通过气化炉顶部的气化烧嘴进入气化炉,在燃烧室(气化反应室)内在表压,约1400℃条件下水煤浆与氧发生部分氧化反应,生成CO、H、CO、HO和少量CH、HS、COS及微量的NH、HCOOH等气体。从气化反应室出来的粗合成气,直接向下通过下降管进入气化炉的激冷室完成合成气的激冷洗涤,出激冷室的合成温度260℃左右。粗合成气中的炭黑在激冷室中大部分被清除,由渣水出口进入破渣机。气化室的温度大约在1400℃,耐火材料设计温度可达1540℃左右。气化炉壳体外壁设有壁温监测系统,反应室内的温度通过伸入到耐火材料内的热电偶来测量,当反应室外壁某区域温度达到345~370℃时高温报警。因合成气中含有少量的HS气体,为防止湿HS腐蚀,气化炉外壁温度不低于225℃,以避免内壁结露造成露点腐蚀。水煤浆气化特点a)气化炉结构相对比较简单,气化强度高,设备体积小,布置紧凑、生产能力大。b)水煤浆气化工艺要求原料水煤浆要有良好的稳定性、流动性,较低的灰熔点及泵易输送等。c)与干粉进料相比,简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的过程,体现出了安全并容易控制的特点,取消了气化前对原料的干燥,节约能源。d)连续性生产。e)对环境污染小。气化炉容器外壳的选材反应室壳体选材考虑反应室外壳的操作、设计条件,壳体材料在设计温度下,强度不应有显著的下降,同时还应有良好的抗腐蚀和抗老化性能。奥氏体不锈钢拥有良好的抗腐蚀能力,但是成本太高,而且在温度升高到设计温度时,奥氏体不锈钢的强度明显下降。按ASMESECⅡ(锅炉和压力容器

  ),最经济适用的容器钢板为SA387Gr11CL2耐热钢,因为Gr、Mo元素的存在,提高了钢在高于350℃温度下工作的高温强度和持久强度,这种钢通常称为耐热性低合金钢。同时该材料还有良好的抗氢腐蚀能力。在所有的铬钼钢里,SA387Gr11CL2板材的韧性、强度、焊接性能都比较好,所以作为反应室的壳体材料使用。但由于Gr、Mo元素提高了钢的淬透性,使焊接性能变差,易产生冷裂纹和再热裂纹。为保证焊接焊接质量,预热、后热和焊后消除应力热处理等措施必不可少。激冷室壳体选材为了避免异种钢焊接,降低气化炉的造价,气化炉激冷室壳体的基材也采用SA387Gr11CL2。同时为了避免HS、SO等酸性气体以及渣水的腐蚀,在基层上应堆焊耐腐蚀的奥氏体不锈钢(316L),并且采用含镍较高的材料作为过渡层堆焊(319L),所以最终采用轧制复合钢板SA387Gr11CL2+316L。主要材料的力学性能表1-1316L不锈钢和SA182力学性能材料N/%屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%316L22052045SA表1-2316L化学成分化学成分C%Si%Mn%P%S%Cr%Ni%Mo%N%316L≦≦1≦2≦≦~~16~3≦表1-3SA182化学成分化学成分C%Si%Mn%P%S%Cr%Ni%Mo%SA182~~~≦≦~≦~表1-4SA387Gr11CL2化学成分C%Si%Mn%P%Gr%Mo%Ni%%~%%~%%~%%~%%~%%~%%~%表1-5SA387Gr11CL2力学性能钢板厚度/mm抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率A/%温度/℃冲击吸收能量KV2/J180°弯曲试验弯曲直径(b≧35mm)6~100520~680≧310≧1920≧34d=3a

  100~150510~670≧300≧1920≧34d=3a气化炉的制造问题现在随着国家技术的发展,国内煤化工和石油化工企业得到了大力地发展。每个企业都在追求最佳经济效益,设备装置持续走大型化发展路线。设备装置的大型化给中国化工机械制造行业带来机遇的同时,也改变了大型压力容器制造方式。主要存在的问题有:运输问题由于现在设备的大型化,直接面对的便是设备高参数、大直径、重吨位。有些设备重量甚至超过两千吨,唯一的选择就是分段、分部件运输现场组装。装备问题设备大型化带来的再一个问题就是为满足制造过程中各方面的要求而配备的加工装配问题。如锻造、成型、机加、焊接、无损检测、热处理等装备。制造与检验1)现场热处理和水压试验由于现场条件的限制,所以在现场热处理的情况比在制造厂内的效果要差,所以现在很多工厂在现场搭建积木式炉,对设备进行整体热处理。对于大型设备,在现场进行水压试验也是装备的一个难点,因为大型设备一般都选择现场合拢,这样就无法再制造厂内实现水压试验,而且有些设备注水后总重上千吨,对支撑点也会有很大的作用力。因此,很多的大型设备,其水压试验选择在设备安装现场。2)质量检验因运输条件的限制,大型设备制造过程中的很多工作往往会遗留到现场进行,对焊接质量等的检查也提出了更高的要求。如今国内大型设备制造厂家采用TOFD超声检测方法代替射线检测,对焊缝进行探伤。TOFD技术是利用超声波衍射的时差反应来对焊缝进行扫描,从而对焊缝中的缺陷进行定位。3)焊接技术设备的大型化也使得设备壁厚增大,目前的解决方法是采用双丝进行双行窄间隙焊接。2德士古气化炉主要部件的设计气化炉结构特点与技术特性气化炉由喷嘴、球形封头、燃烧室、激冷室、Y形锻件、下锥体、兰等组成。本次研究的气化炉技术参数为:设计压力,操作压力为4MPa,上球形封头的锻件材料为SA387Gr11CL2,直径为3200mm;燃烧室的筒体锻件为SA387Gr11CL2,直径为3200mm,操作温度为1400℃左右,设计温度455℃;激冷室筒体采用轧制复合钢板SA387Gr11CL2+316L,堆焊总厚度为6mm,直径3188mm,操作温度约260℃,设计温度为455℃。工作介质高温煤气、煤气、熔渣、黑水等,属Ⅲ类压力容器。水压试验压力为。因为气化炉的内件结构较为复杂,所以本次结构设计以主要部件作为研究对象,分别有:上球形封头,燃烧室筒体,激冷室筒体和下锥体封头以及其他比较重要的部件。主要部件的设计计算燃烧室筒体壁厚的计算与校核1)高压容器的筒体壁厚计算公式为:(2-1)——筒体的壁厚,mm;P——设计压力,MPa;——燃烧室筒体的内径,mm;——焊接接头系数;——设计温度下材料的许用应力,MPa;SA387Gr11CL2的机械性能为:常温=310MPa=515MPat=455℃=230MPa=373MPa已知燃烧室筒体的直径为3200mm,设计压力为;双面对接焊缝100%无损探伤,=1。取以下数值较小者:MPaMPaMPaMPa取MPa.于是(mm)圆整后取筒体厚度为75mm,则筒体的直径比为。2)内压与温差同时作用时的强度校核气化炉壳体外壁设有壁温检测系统,当反应室内的温度通过伸入到耐火材料内的热电偶来测量,当反应室温度外壁温度达到345℃~380℃时高温报警,所以,取壳体的内壁温度为290℃。因合成气中含有少量HS气体,为防止湿HS腐蚀,气化炉外壁温度不应低于225℃,以避免内壁结露造成露点腐蚀,所以取壳体的外壁温度为240℃。℃内壁壁温高于外壁壁温时,校核外壁的叠加应力:当加热的情况,两种应力的叠加,外壁应力恶化,此时应校核外壁的叠加应力,即:(2-2)其中,(MPa)(2-3)温差应力的工程近似计算:(2-4)其中,其值接近1,,令,则m值见下表,由此温差应力的近似计算方法为:(2-5)表2-1材料的m值材料高碳钢低碳钢低合金钢Cr-Co钢,Mo钢,Cr-Ni钢m铬钼钢为低合金钢,所以m=。(MPa)(MPa)所以计算所得的壁厚满足强度要求。激冷室筒体的设计激冷室腐蚀比较严重,所以采用复合钢板,筒体过渡层堆焊厚度为3mm,复层堆焊厚度为3mm,总堆焊厚度为6mm,激冷室筒体的内径为3188mm,激冷室筒体壁厚的计算和燃烧室一样,考虑堆焊层总厚度,所以筒体的厚度取为(75+6)mm。上球形封头的设计球形封头壁厚计算方法:(2-6)已知球形封头的壁厚为3200mm,双面对接焊缝100%无损探伤,=1;MPa。所以有:(mm)取球封壁厚t=60mm。球形封头的中心开孔采用整体锻件补强,其补强结构如图2-1所示,它的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位,应力集中系数最小,且与壳体采用对接焊缝,使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置,故抗疲劳性能好。整体锻件补强一般用于有严格要求的重要设备。比如:高强度(MPa)钢和铬钼钢制造的容器等。图2-1球形封头的补强结构下锥体封头的设计锥形封头壁厚计算公式为:(2-7)——锥体半顶角,℃;锥体半顶角为30℃,其计算内径为3200mm。(mm)圆整后取其厚度为85mm。密封结构设计高压容器的密封部件是高压设备中除筒体外的另一个重要部件。高压设备的密封原理与中压和低压设备的密封原理基本相似,防止流体在密封口处泄露的基本途径是在密封面处增加流体流动的阻力。当压力介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压力差时,介质就能够被密封住。此次研究的是与燃烧器相连的凸缘法兰的密封装置——八角垫,其结构如图2-2所示。八角垫属于径向自紧密封,它的压紧面是梯形槽内外锥面(主要是外锥面)与垫圈接触而形成密封,这种压紧面一般与槽的中心轴线℃夹角。密封垫圈材料可用纯铁、低碳钢、Cr5Mo、0Cr13等。图2-2八角垫垫圈和槽人孔补强结构设计(1)人孔接管壁厚计算可以将人孔接管看作是单层厚壁的圆筒,单层厚壁的圆筒的算法如下,即在计算压力不超过[σ]t时,按公式:(2-8)式中,——计算厚度,mm;图2-3人孔接管P——计算压力,p=;——焊接接头系数,一般情况下焊接接头系数取=;——筒体内径,mm;——许用应力(组合许用应力),接管锻件SA182F11,CL2在0~455℃范围内的许用应力值为120MPa。所以:(mm)(2)补强结构的设计为了使容器能够进行正常的操作并满足容器制造、安装、检验、维修等要求,在容器壳体和封头上不可避免的需要开孔。压力容器上的开孔接管对容器所产生的影响主要有以下三个方面:首先是因开孔造成了承载材料的削弱;其次是由于开孔而造成孔边缘局部应力集中;第三是接管和壳体的连接构成了不连续结构,从而在接管的一定长度范围内和壳体的孔边附近引起附加的边缘力。因此,在开孔接管部位某些局部区域的应力将大大超过容器在正常设计状态下的应力水平,因而在静载荷下可能引起过大的变形或破坏,或在交变载荷下可能逐步萌生疲劳裂纹直至破坏。所以,压力容器设计中心开孔及其补强设计就显得非常重要。压力容开孔补强的计算方法有很多种,如等面积法、压力面积法、开孔补强等,下面以国际工程设计中最常使用的方法,且为我国国家标准GB150所采用的等面积补强法进行介绍。表2-2适合开孔的范围项目在壳体上允许的最大开孔直径d筒体内径D≦1500mm内径D

  1500mmd≦1/2D且d≦500mmd≦1/3D且d≦1000mm凸缘封头或球壳锥壳(锥形封头)d≦1/3D(D为开孔中心处的锥壳内直径)在椭圆形或蝶形封头过渡部分开孔时,其孔的中心线宜垂直于封头表面D——壳体内直径,mm;d——开孔直径,圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量,mm;激冷室筒体直径为3200mm

  1500mm,开孔直径d=3D=,所以该人孔需要补强。(3)内压激冷室壳体开孔所需补强面积壳体开孔后,在开孔边缘产生局部高应力。根据局部应力的分布衰减规律,在距开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。为有效发挥补强材料的强度,补强材料应设置在开孔附近的高应力区域,及有效补强范围内。有效补强范围包括开孔壳体和接管两个部分。a)开孔壳体上的有效补强范围,是以受拉伸开孔大平板孔边应力的衰减范围进行考虑的,即补强范围取2倍的开孔直径。b)接管上的有效补强范围,是以端部受均匀分布载荷的圆柱壳的环向薄膜应力的衰减范围进行考虑的,补强范围取(d为开孔直径;为接管名义厚度)。(4)补强计算内压容器开孔后所需的补强面积,按下式计算:(2-9)式中,d——开孔直径,取厚度负偏差为,则有d=600+=;——强度削弱系数,等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值,查得,接管锻件SA182F11CL2在0~455℃范围内的许用应力值为120MPa,前面已经计算过SA387Cr11CL2在0~455℃范围的许用应力,为。两者的比值近似为1。所以。——壳体开孔处的计算厚度,mm;——接管有效厚度,(mm);——接管名义厚度,(mm);C——厚度附加量,mm。钢板的负偏差取为,该接管和筒体的内壁都堆焊6mm的不锈钢耐蚀层,所以取腐蚀余量为=0mm。所以厚度附加量:mm(mm)有效补强面积:壳体开孔后,在有效补强范围内,可作为补强的截面积(包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件)按下式计算:(2-10)(2-11)(2-12)式中,——补强面积,mm;——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,mm;——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,mm;——焊缝金属截面积,mm;B——有效补强厚度,(mm);——壳体开孔处的名义厚度,mm;——壳体有效厚度,mm;——接管外侧有效补强高度,mm;;接管的外伸高度为600mm,mm,所以mm。——接管内侧有效补强高度,mm;;接管的内伸高度为0,所以=0。——接管计算厚度,mm;——腐蚀余量,此处为0mm。所以,mmmm为额外增加的补强金属,取为0mm。mm因为(mm)时,所以该人孔需要补强,可以通过增加接管壁厚来使得结构的强度满足要求。可以利用公式来求的接管所需的最小厚度。mm则接管的名义厚度:mm支座结构设计立式圆筒形容器的支撑可分为耳式支座、支承式支座、支腿式支座、裙式支座等。操作温度较高时,为了避免产生温差应力,一般应设置特制的滑动支撑板,其结构如图2-4所示。气化炉制作采用耳式支座,所以以下针对耳式支座的两种结构进行讨论。1)不带整体加强环耳式支座一般容器采用4个耳式支座均布。对于大直径且重量较重的容器,可以适当增加耳式支座的数量。2)整体加强环耳式支座由于耳式支座处圆筒内局部应力较高,所以本设计采用整体加强环耳式支座,带整体加强环耳式支座可设置2个、3个、4个、6个、8个支撑点,沿环周向均布。其结构见图2-5所示。图2-4立式容器滑动支撑板结构图2-5带加强环耳式支座容器考虑气化炉设备较为庞大,且其操作温度高,所以采用4个带整体加强环耳式支座支撑设备,并在支座下方设置特别的滑动支撑版,避免温差应力。3气化炉的制造工艺研究制造规范及要求制造规范制造规范为GB150-1998《钢制压力容器》;HG20584-1998《钢制化工压力容器制造技术要求》。技术要求(1)用作壳板的钢板、锻件和焊接材料到达锻件制造厂后需要对材料的化学检验及复验化学成分按ASMESA20进行。逐张检验钢板表面质量和材料标志,锻件JB4726-2000的Ⅲ级锻件要求订购,锻件应有符合JB4726-2000中条内容齐全的质量合格书,且符合技术条件及附件二技术条件中《SA387Gr11CL2及SA182F11,CL2压力容器锻件材料说明书》的要求,钢板和锻件还必须按模拟焊后热处理累积最长时间做常温和设计温度下的力学性能复验。焊接材料对焊接试样的焊缝金属做化学成分分析,对试样做射线照相试验、拉伸试验、冲压试验和扩散氢试验。(2)必须做A类焊缝产品试板,包括锥形封头堆焊,Gr-Mo钢由堆焊筒体处各做产品焊接试板,且随部件同炉热处理,试样按JB4744-2000进行包括拉伸(常温和高温)、弯曲和冲击试验的试样制备和试验。(3)设备焊接前预热温度推荐200℃,焊缝消氢(DHT)300℃~350℃,且保温≧2~4h。考虑设备制造周期较长,筒节完成A、B类焊缝焊接后增加中消除应力热处理(ISR),温度控制在620℃~650℃。(4)筒体和封头在热成型过程中,若破坏了钢板和锻件热处理供货状态,必须进行恢复机械性能热处理,且不允许焊缝熔敷金属参与急速冷却。主要部件的制造工艺流程本设计针对上球形封头、下锥体封头、激冷室和燃烧室筒体等主要部件的制造工艺进行详细的介绍。主要部件成型前的通用工艺流程表3-1各部件成型前的通用工艺流程序号工作内容要求、加工方法、加工设备或工具1原材料入库续表3-1序号工作内容要求、加工方法、加工设备或工具2原材料复验外观检验、几何尺寸检验、理化检验和钢板的超声波探伤,有时可委托钢厂进行,其中超声波探伤结果ZBJ74003-88《压力容器用钢板超声波探伤》规定的质量分级,应不低于Ⅲ级。3划线及标记钢印标记、板材矫平、划线下料对于直边用剪切;曲线边用气割;对于不锈钢和有色金属,气割用等离子弧;对于特厚板材,若剪切困难则用气割。5边缘加工用气割或等离子弧开V型、X型坡口,并用砂轮打磨;用机加工方法进行边缘加工或开坡口,其中牛头刨和龙门刨进行直线加工,用立车或大型普通车床进行圆弧轮廓加工;用刨边机刨边和开坡口;上球形封头的成型球形封头的结构拥有非常良好的加工工艺,以及较高的承载能力、受力均匀,经常用于高压容器中,且壁厚较其他封头小,成本低。球封采用的材料为低合金耐热钢SA387Gr11CL2,封头规格为SR1600mm,壁厚为60mm。为保证封头组件端部平行度及同轴度,要求顶部法兰凸缘内孔及上端面预留二次加工余量,待封头组件中间热处理再二次加工(包括密封槽等)。(1)冷热冲压条件按冲压前毛坯是否需要预先加热分为冷冲压和热冲压,其选择的主要依据如下:a)材料的性能对于常温下塑性较好的材料,可采用冷冲压;对于热塑性较好的材料,可以采用热冲压。b)根据毛坯的厚度δ与毛坯直径Do之比即相对厚度δ/Do来选择冷热冲压。(具体见表3-1)表3-1封头冷、热冲压与相对厚度的关系冲压状态碳素钢、低合金钢合金钢、不锈钢冷冲压×100

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  2535——边缘加工余量,与加工方法有关,厚度大于25mm时,取为5mm;表3-4焊缝横向收缩量近似值(电弧焊)接头形式板厚/mm3~44~88~1212~1616~2020~2424~30焊缝收缩量/mmV形坡口对接接头~~~~~~—X形坡口对接接头———~~~~单面坡口十字接头~~~~~~~单面坡口角焊缝—无坡口单面角焊缝—双面断续角焊缝———表3-5焊缝纵向收缩量近似值焊缝形式焊缝收缩量/mm/m对接焊缝~连接角焊缝~断续角焊缝0~由上表可取焊缝横向收缩量为;纵向收缩量为。——卷制伸长量,钢板冷卷伸长量较小,通常忽略,约为7~8mm,取8mm。——焊缝坡口间隙,主要由坡口形式、焊接工艺、焊接方法等因素来确定。取为2mm。(mm)取=10273mm。考虑预弯时的压头量(300mm),所以取长度方向的切割尺寸10273+300=10573mm,圆整为10580mm。确定尺寸下划线后,就可以下料了。不锈钢复合板可以用机械切割、气割、等离子弧切割等方法,无论采用哪种方法,首先必须保护复层材料在该工序中不至于破坏。所有复合钢板都可以气割或等离子切割,但此时应将复层放在下面,主要是防止放在上面的复层材料因气割或或等离子切割时尽可能发生的偏吹、偏烧而遭到破坏。图3-5激冷室筒体排板图(3)卷圆下料完成后即可以用三辊卷板机进行冷卷卷圆,复合板弯曲,卷圆或深拉加工,复合钢板为正火+回火状态供货,不允许热成型,又由于奥氏体的敏化温度范围450℃~850℃,为防止厚板卷制脆性,采用预热至150℃~200℃后冷卷成型。卷圆时,环缝的基层坡口可先不加工,待组焊成筒体后再用边缘车床加工,这样既保证了环缝坡口的对接尺寸,又满足了复层焊接的要求。同时,还应严格控制错边量,一般错边量不能大于金属厚度的一半,否则就会出现复层金属与基层金属短接的现象,起不到耐腐蚀的效果。(4)组装卷圆完成纵向焊接后的筒节需要校圆,要在最后组装前进行矫正,尽量用压力或压辊进行。此时注意不得损坏复层材料。达到要求后加工焊接坡口,再与其它筒节或者封头进行对接组装,组装时进行环焊缝的对接焊接。对接焊缝装配时的错边量,比单层钢板的要求更严,许多产品要求其错边量小于或等于1mm,主要是为了防止复层材料的连贯性。(5)其他a)在检验、运输及各种制造作业过程中,都要防止复层材料表面划伤、污染;不得利用针等锐器划线,不得用墨汁,油漆标注等,必要时应设置保护层。b)尽可能减少热加工及热处理的工序及加热时间,以免降低复合处的连接强度,防止复层与基层分离以及防止降低复层的抗腐蚀性能。卷板、校圆、冲压、弯曲等最好在冷态下进行,应尽量减少进炉加热及焊后热处理的次数、时间等。由于复合钢板两种金属的热膨胀系数不一样,热处理过程中残余应力有可能增大,所以,一般不进行消除应力处理。c)除按图样规定对复合钢板焊缝进行射线检测或超声波检测外,对所有复层焊缝也应做渗透检测,以检验焊缝表面有无裂纹。d)带不锈钢衬里碳钢接管的端面应有(41)mm的堆焊层,不锈钢接管也应伸入容器内壁(41)mm。e)设备制造完毕,有防腐蚀要求的复层表面应进行酸洗钝化处理。表3-6激冷室筒体制造工序序号工序名称工序说明1准备原材料复验、超声波探伤、标志移植、气割下料、预弯、气割筒节直边段2加工坡口、检测切割纵向焊接坡口,打磨,坡口表面100%MT无损检测3滚圆采用三辊卷板机冷卷筒节,卷前预热4纵向接头基层焊接采用SMAW+SAW焊接,焊前预热,焊后消氢+热处理5检测纵向接头基层焊接:100%MT检测,符合JB4730-94中的Ⅱ级要求;内外表面100%MT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求6纵向接头过渡层堆焊、检测纵向接头过渡层采用MOW方式堆焊309L;表面进行100%PT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求7纵向接头耐蚀层堆焊、检测采用MOW堆焊316L,将表面沿圆弧打磨光滑;表面进行100%PT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求8校圆筒节同一端面上的最大直径和最小直径差值e≦5mm9纵向接头无损检测20%UT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求;外表面100%PT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求;内表面100%PT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求10加工环向坡口、检测采用刨边机加工环向接头坡口;表面100%MT检测11筒节组对环向接头与纵向接头焊接方式与检测方法相同,组对时采用筒节组对工装保证筒节的直线%UT,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求14镗孔、检测采用镗床加工筒节上所有接管与筒节的焊接坡口,坡口表面100%MT检测15净化处理对筒体内部酸洗和钝化处理,以提高耐侵蚀的能力燃烧室筒体的成型燃烧器筒体的内径为3200mm,壁厚为75mm,总高度为4900mm。其主要制造工序分析说明:(1)下料燃烧室筒体展开尺寸计算:图3-6燃烧室筒体展开示意图ππ=π(mm)(mm)(mm)此时需要注意的是根据现有钢板的宽度(B),来求需要的筒节数量。同时,注意高压筒节

  600mm。筒体内径大于1800mm时,纵向拼接焊缝不多于3条。下料线尺寸计算:——展开尺寸,mm;——切割下料线尺寸,mm;——切割余量,与切割方法有关,一般为2~3mm,取3mm;——边缘加工余量,与加工方法有关,厚度大于25mm时,取为5mm;——焊缝收缩量,与材料、焊接长度等有关,取为;——卷制伸长量,钢板温卷伸长量为14mm;——焊缝坡口间隙,主要由坡口形式、焊接工艺、焊接方法等因素来确定。取为2mm。(mm)采用三辊卷板机中温卷制Gr-Mo钢时,其工艺减薄量为:%S=%75=,所以取其坯料厚度为79mm。考虑布管位置及板幅宽度要求,筒体分两节下料,每节轴向留20mm环向坡口加工余量,周向按切割下料线mm压头量气割下料,为保证筒体直线度,下料时控制对角线)油压根据卷板机规格书中提供的技术要求,该厚度直边段长度约为2倍的壁厚,将不可避免地造成不必要的原材料浪费,所以在筒节卷圆前,先进行中温压头,受加热炉规格为长度的限制,钢板两端需要预弯较长一段时间,使钢板预弯后总长小于10m。压头时筒节应放正,在三辊卷板机侧面设置两挡板,两挡板在同一直线上,且与卷板机滚筒中心线垂直,以钢板的侧面为基准,实行侧面找正。圆弧处用样板严格检查压头质量。(4)卷圆采用三辊卷板机温卷筒节,为了控制终温即保证卷制的安全,可以提高钢板温卷的出炉温度,控制在66015℃出炉。焊缝组对时,应检查错边量不大于2mm。检验合格后施焊。下锥体封头的成型下锥体的结构如图所示,基层材料与球形封头相同,在下锥体的内壁厚度为85mm。考虑热压减薄量,基体毛坯厚度选用88mm厚钢板。下锥体采用先分瓣压制,后拼接成型的方法制造,然后为了防止腐蚀,在其内表面堆焊3mm的高含镍量的不锈钢过渡层309L,和3mm的不锈钢耐蚀层316L。此次,下锥体封头分三瓣片冲压。其主要制作工序有:(1)下料锥形封头的展开尺寸计算:图3-8锥体封头展开示意图展开后的锥体图形为扇形,需要求的几何参数为展开后的圆心角,锥形封头小端半径r和大端半径R。mmmm(2)热压型在压力机上胎具压型,并用径向弧向样板检查。其热压型的加热情况同上球形封头压型的加热。加热曲线)拼缝坡口加工及焊接压型合格后,两直边进行二次精确加工并加工拼接焊缝坡口。上下直口待机加工。组对时,把准备好的三块瓣片在胎具上放置到位,在锥体专用装配平台上组装,装配过程中,先加工其中2个瓦片的拼接坡口并拼装固定,用固定夹焊在两块瓣片间固定尺寸,剩余一片试装调整合格后加工余量和坡口,再与其余两片装焊固定。组对好后,进行焊接。焊接完成后再拆除固定夹。(4)校圆组焊后在卷板机上校圆,校圆温度150~200℃。表3-7下锥体封头制造工序序号工序名称工序说明1准备原材料复验、超声波探伤、标志移植、气割下料2油压高温压型,用样板检查压型质量续表3-7序号工序名称工序说明3热处理4拼缝坡口加工、检测按线切割拼接接头坡口,坡口为X形坡口;坡口表面100%MT检测5焊接、检测SMAW焊接纵向接头,焊前预热,焊后消氢、热处理;100%RT检测,符合JB4730-94中的Ⅱ级要求6热处理中间消除应力热处理620±20℃/h7纵向接头无损检测20%UT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求;表面100%MT检测,符合JB4730-94中的Ⅱ级要求8表面清理锥体内表面喷砂除锈,喷砂等级按GB8923-88中Sa2级合格9过渡层堆焊采用同心圆焊道带极埋弧焊堆焊309L,保证堆焊厚度≧3mm10检测堆焊表面进行100%UT检测,符合JB4730-94中要求;堆焊表面进行100%PT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求11耐蚀层堆焊采用同心圆焊道带极埋弧焊堆焊316L,保证堆焊厚度≧3mm12检测堆焊表面进行100%UT检测,符合JB4730-94中的要求;堆焊表面进行100PT检测,符合JB4730-94中的Ⅰ级要求13车采用立式车床加工小端接头坡口14检测坡口表面进行100%MT检测15净化处理酸洗、钝化4气化炉制造中的焊接技术研究对于高压能承受压力的容器,焊接接头的质量直接关系到容器的安全运行,所以在压力容器制造中最关键的焊接质量的好坏。焊接接头中的各种缺陷和性能的变化都可能导致能承受压力的容器的提前失效,甚至是整台容器的破裂造成灾难性的后果。国家技术监督局颁布的《能承受压力的容器安全技术监察规程》,GB150—1998《钢制压力容器》标准和机械工业行业标准JB/T4709—2000《钢制能承受压力的容器焊接规程》都对能承受压力的容器焊接接头的质量要求、质量控制程序、检查方法和合格标准等做出了详尽的规定。所有能承受压力的容器制造企业必须严格贯彻。SA387Gr11CL2耐热钢焊接性的分析这类钢加热后在空气中冷却,具有明显的淬硬倾向,钢中的含碳量和含铬量越多,淬硬倾向越大。还有这类钢焊后,在经受再一次加热的过程中(如焊后热处理以及在高温条件下运转),会在焊接接头的热影响区产生开裂。为了防止这类钢焊接时淬硬脆化导致产生冷裂纹,以及焊后产生热裂纹,焊接时应注意以下几点:(1)为了防止冷裂纹的产生,需要采取预热、控制层间温度和后热工艺(及消氢处理)等措施。对于厚板材,焊前预热、焊后消氢及热处理是防止冷裂纹的重要措施。所以在施焊前将坡口两侧均匀预热至200℃左右,而且要保持焊道层间温度在200℃~250℃之间(层间温度是指厚壁接头多层焊接时,焊接区应保持的温度)。环、纵缝的焊接方法是:首先用手工焊打底焊两道,然后用埋弧焊焊接里口,在整个焊接过程中,应至始至终保持工件温度不低于200℃,如因特殊原因必须中断焊接过程,则工件必须保温进行消氢热处理。“后热”,在焊件施焊后应采取后热措施,即施焊后焊缝尚未冷却至室温时,立刻对焊缝或焊件进行加热,加热温度为预热温度的上限,一般为200~350℃,加热范围和预热范围相同,保温时间与焊缝厚度有关,一般为2~6h且不少于。它能促进焊缝及热影响区中氢扩散逸出,凡有消氢处理的要求,都应在焊后立即进行。对于厚壁铬钼钢,当焊件尚未完工而须中断施焊时(如定位焊、多层焊),进行“后热”也可防止冷裂纹的出现。一般在500℃~700℃温度范围内,会产生再热裂纹。主要取决于铬、钼等元素的含量及特性,同时也与热处理规范、热输入情况、预热温度和层间温度有关。所以在焊接时,尽量采用高温塑性优于母材的焊接材料,或将预热或层间温度控制在200℃~250℃范围内。(2)铬钼钢及其焊接接头在350℃~500℃温度区间长期运行过程中发生剧烈脆变现象。一般经验认为,钢的回火脆性与钢中的杂质含量有密切的关系。耐热型低合金钢焊接的要求耐热型低合金钢的焊接应具备下列性能:a)焊条的强度和塑形与被焊母材基本相等,包括常温、高温、持久强度和蠕变强度;b)焊条与被焊母材的耐蚀性能,焊接接头的抗高温氧化、高温氢腐蚀和抗其它化学介质的腐蚀性,应与被焊母材持平;c)在高温下焊接接头的金相组织稳定,在高温下运转时,不允许焊接接头的金相组织变化而导致降低其强度或变脆而失效。主要结构的焊接工艺分析根据GB-150《钢制能承受压力的容器》规定,压力容器进行焊缝施工前应进行焊接工艺评定。焊接工艺评定,应按JB/T4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》强制性标准进行。主要部件的焊接工艺:本次焊接工艺的研究,主要以几个具有代表性的对象进行分析说明。上球形封头环向坡口焊接表4-1上球形封头焊接工艺序号焊接过程检验要求1清理坡口及坡口检查100%MTJB/4730-2005Ⅰ级2预热、组对、点焊预热温度≧200℃3外口SMAW封底+SAW焊满目测、外观4里口碳弧气刨清根、打磨100%MTJB/4730-2005Ⅰ级5里口SMAW焊满6消氢处理300~350℃/2h100%RTJB/T4730-2005Ⅱ级;100%UTJB/T4730-2005Ⅰ级7焊缝表面平滑过渡,焊缝余高0~100%MTJB/4730-2005Ⅰ级8随整体热处理100%UTJB/T4730-2005Ⅰ级;100%MTJB/T4730-2005Ⅰ级9测硬度(母材、焊缝。热影响区各一组)HV10≦24010水压试验后100%MTJB/4730-2005Ⅰ级层次焊接方法焊接牌号规格/mm电流/A电压/V速度/(cm/min)烘烤温度/℃保温时间/hSMAWCMA-96MB∮4160~18022~253502续表4-1层次焊接方法焊接牌号规格/mm电流/A电压/V速度/(cm/min)烘烤温度/℃保温时间/h∮5200~23023~263502SAWUS-511N∮4500~60030~34PF-2003502燃烧室筒体纵焊缝焊接表4-2筒体纵焊缝焊接工艺焊接过程检验要求1清理坡口机坡口检查100%MTJB/T4730-2005Ⅰ级2组对、预热,预热温度≧200℃、点焊3外口SAW焊缝外观4里口清根、打磨100%MTJB/T4730-2005Ⅰ级5SAW焊满6立即消氢处理300~350℃/h;或立即中间消应力600±20℃/2h7焊缝内外打磨平,焊缝余高0~8校圆100%RTJB/T4730-2005Ⅱ级9100%UTJB/T4730-2005Ⅰ级;100%MTJB/T4730-2005Ⅰ级层次焊接方法焊材牌号规格/mm电流/mm电压/v速度/(cm/min)烘烤温度/℃保温时间/hSMAWCMA-96MB∮5200~23023~263502SAWUS-511N∮4500~60030~34PF-2003502激冷室(复合钢板)筒体纵焊缝焊接复合钢板的焊接主要包括坡口设计、焊接方法、施焊、热处理、检验和焊接工艺评定等过程。(1)坡口设计复合钢板的焊接接头主要有对接接头和角接接头2类,复合钢板的焊缝由基层焊缝、过渡层焊缝和复层焊缝三部分组成。焊接坡口的选择,除了应考虑其填充金属尽量少外,还应考虑复合钢板的焊接特点,保证复合层的耐腐蚀和抗老化性能。不锈钢复合钢板的坡口形式主要根据板厚、板材、焊材方法而确定,常用对接接头坡口形式,如下图。(为避免基层焊接时的热作用对不锈钢复层产生不利的影响,应将接头两侧的不锈钢复层开一定宽度的坡口。)焊接过渡层时,存在碳钢焊缝对不锈钢焊缝的稀释问题。由于

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