浅谈渣锁斗结构和制造工艺

韩广文*

（大连市化工设计院有限公司）

0 前言

渣锁斗在煤化工行业应用较广泛，特别是在加压的粉煤/煤渣气输送系统和煤气化装置中应用普遍。其主要作用是将气化炉中燃尽的煤灰冷却，粉碎处理后排出。本文针对渣锁斗主要结构进行了分析，并对其主要结构的制造工艺进行简单探讨。

1 设计参数及选材

该设备设计压力为4.8 MPa，设计温度为260 ℃，工作介质为渣水。该介质为易爆介质，设备操作压力为3.98 MPa，温度为115 ℃，液相中溶解有少量的氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和羰基硫可燃气体，气相主要为水、氢气、一氧化碳和二氧化碳。

该设备的筒体材料采用Q345R+S31603 复合板作为主体材料。由于工作介质为渣水，带有腐蚀性，所以选用不锈钢作为衬层结构。由于渣在气化阶段经过高温处理后变得非常坚硬,在下端排放过程中会将耐腐蚀的不锈钢复层磨损,所以需要在设备锥体下端堆焊耐磨耐腐蚀的stellite 合金。所以下端锥形封头为堆焊stellite 合金，部分该类设备下端锥形封头设计为其他耐磨的材质。

针对该疲劳设备按分析设计进行设计计算,研究设备在运行时的压力波动、开车和停车时温度变化引起的热应力变化、振动引起的应力变化等形成的交变载荷，工作载荷循环次数为20 万次。

2 设备主要结构分析和制造工艺

2.1 设备上封头结构

该设备的上封头采用标准椭圆形封头EHA 结构，直径为2 800 mm，选用Q345R+S31603 复合板作为主体材料。板材厚度为4+86 mm，所需钢板直径约为3 600 mm，封头采用整板制作，椭圆封头采用整体热冲压成型。封头在热冲压之前需对板材周边进行处理，也是为了防止成型后封头直边出现增厚等情况，随之与筒体出现较大的错边。这样在成型前进行立车加工，从而保证出现增厚情况不会影响与筒体焊接。封头成型后对其最小成型厚度进行测量，确保满足图样要求，其他的检测按照工艺文件执行。根据复合板标准NB/T 47002.1—2009 《压力容器用爆炸焊接复合板 不锈钢-钢复合板》规定，复合板的最大宽度为3 000 mm，最大长度为10 000 mm，最大面积通常不超过20 m2。圆形复合板最大直径为4 000 mm。所以封头板材采用整体板材按标准制造，这样封头没有焊接接头，对该设备在运行时的压力波动、开车和停车时温度变化引起的热应力变化、振动引起的应力变化等形成的交变载荷不会受到影响。

2.2 类似设备封头结构设计

该设备的设计压力和设计温度不高，当设计压力和设计温度提高的情况下，可以采用球形封头结构，因为从应力角度出发，球形封头的受力状况最好，各点各方向上薄膜应力均相等即周向应力等于经向应力。球形封头计算厚度只有圆筒的一半，节省材料，降低了成本。但是球形封头制造比椭圆封头难度高，球形封头可以采用分瓣成型后进行组焊的制造工艺。该设备主体材料采用复合板结构，但是在温度压力提高的情况下，工艺要求更加严格，封头采用球形封头，封头内壁采用堆焊结构更加合理。

封头内壁应进行晶间腐蚀试验，试验方法按照GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀不能钢晶间腐蚀试验方法》标准中的E 方法进行试验，敏化时间为2 h，温度为650 ℃。

2.3 设备封头分析设计

该设备为疲劳分析设备，封头需要进行疲劳分析。根据分析报告，其最大应力SIV=196.26 MPa，一次局部薄膜应力限定值1.5Sm=201.3 MPa，由于SIV＜1.5Sm，所以无需进行线性化处理，应力强度评定结果为合格。

2.4 筒体结构和工艺

该设备筒体直径为2 800 mm，选用Q345R+S31603复合板作为主体材料。板材厚度为（4+78）/（4+66）mm。筒体分两种规格，因设备耳式支座所在筒节厚度会增加。筒体制造工艺：钢板到厂按工艺要求进行材料质量证明书、材料表面质量、规格尺寸、数量等进行验收；材料合格后，对筒体进行下料，并号出焊接试件尺寸；对坡口下料线两侧范围内进行UT扫查，按NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》标准的要求来判定；采用半自动气割来清除切口焊渣；采用刨边机对各筒体纵环焊缝坡口进行刨边；按工艺要求对焊缝坡口进行检验；采用油压机对筒体进行卷制；筒体焊缝进行组对焊接，焊接过后进行无损检测，然后筒体内部进行堆焊过渡层和面层，对焊缝进行100%RT检测，按照NB/T 47013.2—2015要求，技术等级AB级，Ⅱ级合格,按NB/T 47013.4—2015标准要求进行100%MT检测，合格级别Ⅰ级等无损检测。筒体制造合格后转入下到工序。

设备的筒体也需要进行疲劳分析。其最大应力SIV=184.06 MPa，一次局部薄膜应力限定值1.5Sm=201.3 MPa，由于SIV＜1.5Sm，所以无需线性化处理。应力强度评定结果合格。

筒体上的耳式支座也需进行应力分析，筒体上的耳式支座的应力最大点发生在底板和垫板连接处，在该处做应力线性化处理，应力评定结果为合格。

2.5 锥形封头结构和工艺

2.5.1 锥形封头堆焊材料

锥形封头设计为基层堆焊结构，堆焊5 mm 过渡层和5 mm 硬质合金耐磨层还有15 mm 厚度的耐磨板。硬质合金是一种钴基合金，钴基合金是一种能耐各种类型磨损、腐蚀以及高温氧化的硬质合金，即通常所说的钴铬钨合金或司太立（Stellite）合金。钴基合金系列基体为面心立方结构的固溶体，由于其W、C 的含量不同，在基体上有相当数量的富铬碳化物析出，因此具有良好的耐磨性能。该类合金的硬度和强度可耐800 ℃高温，具有良好的耐高温、耐腐蚀等综合性能。该合金的主要牌号有：Stellite1、4、6、12、20等。该合金系列中，Stellite6 使用最广泛，符合AWS A5.13 ECOCR-A 的标准。

2.5.2 锥形封头设计

在设计锥形封头时考虑大端有翻边，小端没有。大端折边处的R角在设计时，应考虑设计规范的规定，又要考虑在制造过程中使用的胎具问题。这样设计的锥体制造时较为合理，成本也会较低。

2.5.3 锥形封头制造工艺

锥形封头基层材料为Q345R,其结构分上下两段，上段分四瓣成型，下段分两瓣成型。成型过程为：上段锥形封头有翻边，翻边用的工装为热拉伸上模。上下两段在焊接过程中应焊前预热焊后消氢，纵缝进行100%MT/100%RT/100%UT,合格后对上下两段分别进行堆焊过渡层，堆焊过渡层选用自动焊进行焊接，填充金属H309LMo 自动焊的搭接量为7～9 mm，焊接速度为14～16 cm/min，电压为26～28V,电流为700～750A。然后进行热处理，在热处理的过程中应准备工装，防止热处理过程中锥体发生变形。再堆焊面层。堆焊硬质合金对工艺要求很严格，否则容易出现缺陷，尤其是裂纹。堆焊硬质合金关键工序是控制温度，要保证施焊过程中道间温度 ≥500 ℃，每次焊道长不得超过60 mm，采取分区分段对称堆焊，采取手工堆焊，填充金属为ENiCrFe-3，焊条尺寸格为4.0 mm，电流为130～140 A,电压为22～26 V,焊接速度为18～26 cm/min，手工堆焊搭接量为50%。

2.5.4 锥形封头的耐磨板

在锥体内侧设计一个耐磨板，对其进行分瓣时应使其数量适中。如果维检修时从人孔进入，则耐磨板的分瓣过多，在锥体内部进行施焊的过程中比较困难。分瓣过大，若会导致耐磨板与锥体缝隙太大，贴合不好，最后还得割开用油压机进行压合。前序的工作直接影响后续工作的复杂程度。由于耐磨板与锥体之间存在间隙，实际情况上间隙会比较大，设备在正常运行情况下，耐磨板与锥体之间的间隙会形成一个空间，且会随工况不断变化，这样就会影响耐磨板，也会造成设备损坏。所以在耐磨板与锥体之间采用塞焊，使耐磨板与锥体之间间隙较小，两者贴合紧密，不受循环载荷影响。

2.6 封头处吊耳

一些锁斗设备中封头处不设吊耳，设备起吊过程中可能会直接用管口法兰进行吊装。在设备起吊过程中，应考虑设备质量和操作质量，综合考虑之后经过计算该设备设置了4 个吊耳，均布在封头处。

3 总论

渣锁斗在进行结构设计时应当多参考以往设备结构情况，避免产生结构设计缺陷。在设备制造过程中，应严格按照工艺执行，保证每一道工序完整。