淺談渣鎖斗結構和制造工藝

韓廣文*

（大連市化工設計院有限公司）

0 前言

渣鎖斗在煤化工行業應用較廣泛，特別是在加壓的粉煤/煤渣氣輸送系統和煤氣化裝置中應用普遍。其主要作用是將氣化爐中燃盡的煤灰冷卻，粉碎處理后排出。本文針對渣鎖斗主要結構進行了分析，并對其主要結構的制造工藝進行簡單探討。

1 設計參數及選材

該設備設計壓力為4.8 MPa，設計溫度為260 ℃，工作介質為渣水。該介質為易爆介質，設備操作壓力為3.98 MPa，溫度為115 ℃，液相中溶解有少量的氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和羰基硫可燃氣體，氣相主要為水、氫氣、一氧化碳和二氧化碳。

該設備的筒體材料采用Q345R+S31603 復合板作為主體材料。由于工作介質為渣水，帶有腐蝕性，所以選用不銹鋼作為襯層結構。由于渣在氣化階段經過高溫處理后變得非常堅硬,在下端排放過程中會將耐腐蝕的不銹鋼復層磨損,所以需要在設備錐體下端堆焊耐磨耐腐蝕的stellite 合金。所以下端錐形封頭為堆焊stellite 合金，部分該類設備下端錐形封頭設計為其他耐磨的材質。

針對該疲勞設備按分析設計進行設計計算,研究設備在運行時的壓力波動、開車和停車時溫度變化引起的熱應力變化、振動引起的應力變化等形成的交變載荷，工作載荷循環次數為20 萬次。

2 設備主要結構分析和制造工藝

2.1 設備上封頭結構

該設備的上封頭采用標準橢圓形封頭EHA 結構，直徑為2 800 mm，選用Q345R+S31603 復合板作為主體材料。板材厚度為4+86 mm，所需鋼板直徑約為3 600 mm，封頭采用整板制作，橢圓封頭采用整體熱沖壓成型。封頭在熱沖壓之前需對板材周邊進行處理，也是為了防止成型后封頭直邊出現增厚等情況，隨之與筒體出現較大的錯邊。這樣在成型前進行立車加工，從而保證出現增厚情況不會影響與筒體焊接。封頭成型后對其最小成型厚度進行測量，確保滿足圖樣要求，其他的檢測按照工藝文件執行。根據復合板標準NB/T 47002.1—2009 《壓力容器用爆炸焊接復合板 不銹鋼-鋼復合板》規定，復合板的最大寬度為3 000 mm，最大長度為10 000 mm，最大面積通常不超過20 m2。圓形復合板最大直徑為4 000 mm。所以封頭板材采用整體板材按標準制造，這樣封頭沒有焊接接頭，對該設備在運行時的壓力波動、開車和停車時溫度變化引起的熱應力變化、振動引起的應力變化等形成的交變載荷不會受到影響。

2.2 類似設備封頭結構設計

該設備的設計壓力和設計溫度不高，當設計壓力和設計溫度提高的情況下，可以采用球形封頭結構，因為從應力角度出發，球形封頭的受力狀況最好，各點各方向上薄膜應力均相等即周向應力等于經向應力。球形封頭計算厚度只有圓筒的一半，節省材料，降低了成本。但是球形封頭制造比橢圓封頭難度高，球形封頭可以采用分瓣成型后進行組焊的制造工藝。該設備主體材料采用復合板結構，但是在溫度壓力提高的情況下，工藝要求更加嚴格，封頭采用球形封頭，封頭內壁采用堆焊結構更加合理。

封頭內壁應進行晶間腐蝕試驗，試驗方法按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不能鋼晶間腐蝕試驗方法》標準中的E 方法進行試驗，敏化時間為2 h，溫度為650 ℃。

2.3 設備封頭分析設計

該設備為疲勞分析設備，封頭需要進行疲勞分析。根據分析報告，其最大應力SIV=196.26 MPa，一次局部薄膜應力限定值1.5Sm=201.3 MPa，由于SIV＜1.5Sm，所以無需進行線性化處理，應力強度評定結果為合格。

2.4 筒體結構和工藝

該設備筒體直徑為2 800 mm，選用Q345R+S31603復合板作為主體材料。板材厚度為（4+78）/（4+66）mm。筒體分兩種規格，因設備耳式支座所在筒節厚度會增加。筒體制造工藝：鋼板到廠按工藝要求進行材料質量證明書、材料表面質量、規格尺寸、數量等進行驗收；材料合格后，對筒體進行下料，并號出焊接試件尺寸；對坡口下料線兩側范圍內進行UT掃查，按NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準的要求來判定；采用半自動氣割來清除切口焊渣；采用刨邊機對各筒體縱環焊縫坡口進行刨邊；按工藝要求對焊縫坡口進行檢驗；采用油壓機對筒體進行卷制；筒體焊縫進行組對焊接，焊接過后進行無損檢測，然后筒體內部進行堆焊過渡層和面層，對焊縫進行100%RT檢測，按照NB/T 47013.2—2015要求，技術等級AB級，Ⅱ級合格,按NB/T 47013.4—2015標準要求進行100%MT檢測，合格級別Ⅰ級等無損檢測。筒體制造合格后轉入下到工序。

設備的筒體也需要進行疲勞分析。其最大應力SIV=184.06 MPa，一次局部薄膜應力限定值1.5Sm=201.3 MPa，由于SIV＜1.5Sm，所以無需線性化處理。應力強度評定結果合格。

筒體上的耳式支座也需進行應力分析，筒體上的耳式支座的應力最大點發生在底板和墊板連接處，在該處做應力線性化處理，應力評定結果為合格。

2.5 錐形封頭結構和工藝

2.5.1 錐形封頭堆焊材料

錐形封頭設計為基層堆焊結構，堆焊5 mm 過渡層和5 mm 硬質合金耐磨層還有15 mm 厚度的耐磨板。硬質合金是一種鈷基合金，鈷基合金是一種能耐各種類型磨損、腐蝕以及高溫氧化的硬質合金，即通常所說的鈷鉻鎢合金或司太立（Stellite）合金。鈷基合金系列基體為面心立方結構的固溶體，由于其W、C 的含量不同，在基體上有相當數量的富鉻碳化物析出，因此具有良好的耐磨性能。該類合金的硬度和強度可耐800 ℃高溫，具有良好的耐高溫、耐腐蝕等綜合性能。該合金的主要牌號有：Stellite1、4、6、12、20等。該合金系列中，Stellite6 使用最廣泛，符合AWS A5.13 ECOCR-A 的標準。

2.5.2 錐形封頭設計

在設計錐形封頭時考慮大端有翻邊，小端沒有。大端折邊處的R角在設計時，應考慮設計規范的規定，又要考慮在制造過程中使用的胎具問題。這樣設計的錐體制造時較為合理，成本也會較低。

2.5.3 錐形封頭制造工藝

錐形封頭基層材料為Q345R,其結構分上下兩段，上段分四瓣成型，下段分兩瓣成型。成型過程為：上段錐形封頭有翻邊，翻邊用的工裝為熱拉伸上模。上下兩段在焊接過程中應焊前預熱焊后消氫，縱縫進行100%MT/100%RT/100%UT,合格后對上下兩段分別進行堆焊過渡層，堆焊過渡層選用自動焊進行焊接，填充金屬H309LMo 自動焊的搭接量為7～9 mm，焊接速度為14～16 cm/min，電壓為26～28V,電流為700～750A。然后進行熱處理，在熱處理的過程中應準備工裝，防止熱處理過程中錐體發生變形。再堆焊面層。堆焊硬質合金對工藝要求很嚴格，否則容易出現缺陷，尤其是裂紋。堆焊硬質合金關鍵工序是控制溫度，要保證施焊過程中道間溫度 ≥500 ℃，每次焊道長不得超過60 mm，采取分區分段對稱堆焊，采取手工堆焊，填充金屬為ENiCrFe-3，焊條尺寸格為4.0 mm，電流為130～140 A,電壓為22～26 V,焊接速度為18～26 cm/min，手工堆焊搭接量為50%。

2.5.4 錐形封頭的耐磨板

在錐體內側設計一個耐磨板，對其進行分瓣時應使其數量適中。如果維檢修時從人孔進入，則耐磨板的分瓣過多，在錐體內部進行施焊的過程中比較困難。分瓣過大，若會導致耐磨板與錐體縫隙太大，貼合不好，最后還得割開用油壓機進行壓合。前序的工作直接影響后續工作的復雜程度。由于耐磨板與錐體之間存在間隙，實際情況上間隙會比較大，設備在正常運行情況下，耐磨板與錐體之間的間隙會形成一個空間，且會隨工況不斷變化，這樣就會影響耐磨板，也會造成設備損壞。所以在耐磨板與錐體之間采用塞焊，使耐磨板與錐體之間間隙較小，兩者貼合緊密，不受循環載荷影響。

2.6 封頭處吊耳

一些鎖斗設備中封頭處不設吊耳，設備起吊過程中可能會直接用管口法蘭進行吊裝。在設備起吊過程中，應考慮設備質量和操作質量，綜合考慮之后經過計算該設備設置了4 個吊耳，均布在封頭處。

3 總論

渣鎖斗在進行結構設計時應當多參考以往設備結構情況，避免產生結構設計缺陷。在設備制造過程中，應嚴格按照工藝執行，保證每一道工序完整。