宋昌鹏，孙 莹

(中国石油辽阳石化公司，辽宁辽阳 111003)

0 引言

氨氧化炉(以下简称氧化炉)是双加压法硝酸生产装置中的核心设备，其结构复杂、技术要求高、制造难度大。其制造技术水平和质量的高低对于硝酸联合装置能否长期、安全、可靠运行具有十分重要的意义［1－2］。以某厂制造的氧化炉为例，针对制造过程中出现的难点，提出了一套切实可行的制造工艺及质量控制手段。

1 氧化炉结构

氧化炉管件多，结构紧凑复杂，其关键部件主要由氧化段与余热回收段两部分组成，上下部分由法兰连接。氧化段设有三层气体分布室、氧化室、触媒室等;余热回收段包括水冷壁、蒸发器、过热器等。氧化炉上封头顶部接管通入氨气与空气的混合物，并在875℃的高温下发生化学反应，且放出大量的热;下封头底部接管为氮氧化物出口。余热回收段主要用于反应产物的冷却、余热回收，并副产4.2 MPa的中压蒸汽。

其主要材料及规格如表1所示，外观结构如图1，2所示。

2 氧化炉制造工艺分析

2.1 制造难点

氧化炉内部结构复杂，盘管多，各部件间间隙小，对制造质量和检验要求必须严格。因为一旦出现问题，检修极其困难。

表1 主体材料及规格

图1 氧化炉外观示意

图2 氧化炉结构示意

其制造难点如下:

(1)焊接工艺要求苛刻。在正常工况下氧化炉内部处于高温高压条件下，奥氏体高合金耐热不锈钢焊接的主要问题有:焊接热裂纹、焊接接头各种形式的腐蚀和σ相的脆变等。碳钢材质的钢管大部分采用ASME标准，如A210 Gr.A－1，A213 Gr.T22 等，由于 S，P 等杂质的影响，焊接热裂纹敏感性增大，容易引起焊缝中的热裂纹［3］。

(2)装配公差要求严格。蒸发器管排呈蛇形垂直排列，整个蒸发器管排固定在下部的集合总管上;蒸发器上放着过热器盘管组，而过热器又作为铂网的支撑床，整个系统弹性支撑，这样有利于热膨胀，其结构非常紧凑，各组件之间间隙只有几毫米。壳体与水冷壁盘管紧密贴合，其间隙应小于1 mm，管子之间没有间隙［4］。

(3)氧化炉的氧化段与废热回收段采用法兰螺栓连接，法兰螺栓经预紧后开车运行，运行一段时间后，经常会出现由于螺栓的应力松弛而预紧力不足的现象，造成法兰端面密封面泄漏，从而导致非计划停车。

2.2 解决措施

为保证制造质量，结合氧化炉结构特点和实际制造能力，进行了高温抗硝酸氧化合金材料焊接技术方面的研究，氧化炉的焊接严格遵照设备技术条件及相关规定。对设备中关键部件的焊接进行了工艺试验评定，并从中筛选最佳工艺方案。整个制造过程严格遵循压力容器质量保证体系要求，严格执行各项工艺文件和规程，对关键部件采用了新技术进行制造，保证了设备的制造质量。例如水冷壁的制造，采用专利技术“硝酸氧化炉螺旋管排水冷壁弯制设备工装”［5］，最大限度减少了水冷壁与壳体内壁的间隙，避免在操作工况下壳体受到高温的影响。为解决设备法兰连接处密封泄漏问题，采用专利技术“防高温应力松弛的法兰连接结构”［6］，通过增设弹性垫圈，有效地避免了法兰螺栓连接因高温应力松弛或预紧力不足而造成的密封泄漏问题。

3 氧化炉关键部件制造的要点

3.1 关键部件的制造

3.1.1 铂网支撑架的焊接制作

铂网支撑架(见图3)是氧化段的核心部件之一，其作用是用来固定支撑铂网和装载拉西环，起催化反应床作用。设备运行时温度近900℃，原材质为0Cr18Ni12Mo2Ti，原设备在正常生产时曾出现了几次非计划停车，检修时发现支撑架四周焊缝出现大面积开裂，最终导致催化床脱落。分析表明，此处虽是高温氧化区域，但不能形成腐蚀性的气体，只需要材料满足耐高温使用条件即可［7］。为此经和用户沟通，将新制造的支撑架材料改为耐高温性能更好的0Cr25Ni20。根据0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢的物理性能以及对抗裂性和耐腐蚀性能的要求，焊接时应采用小电流、多道焊的焊接方式，为防止材料中合金元素烧损，尽可能采用短弧焊，焊接时不做过度横向摆动。

图3 铂网支撑架结构示意

依据上述要点，采用以下焊接工艺:

(1)H0Cr26Ni21Ti φ2 mm 焊丝，I=90 ～100 A，U=12～14 V，v焊=80 ～90 mm/min，氩气流量(正/背)6 ～9 L/min。

(2)E310－15 φ3.2 mm 焊条，I=110 ～140 A，U=24 ～32 V，v焊=110 ～160 mm/根。

(3)E310－15 φ4 mm 焊条，I=150～180 A，U=24～32 V，v焊=150～180 mm/根。

3.1.2 水冷壁的制造与检验

(1)制造。

氧化炉的壳体不设耐火衬里，而采用水冷壁式结构(见图4)。为达到理想的冷却效果，充分保护壳体，要求水冷壁盘管之间没有间隙，并贴合在圆柱形筒体和圆锥形筒体内，最大间隙不得超过1 mm。

盘管由上往下盘绕，要求筒体内壁与水冷壁管之间的最大间隙为1 mm，水冷壁管之间的间隙要求0 mm，完成后用厚0.2 mm，宽100 mm塞尺检测水冷壁管之间的间隙，塞不进为合格，否则应校正。为保证盘管的加工质量，满足技术条件，水冷壁的缠绕采用了专利“硝酸氧化炉螺旋管排水冷壁弯制设备工装”［5］(见图5)。即采用预应力成型法，先在可拆卸水冷壁缠绕工装上进行装配，然后利用盘管回弹，使其与壳体内壁紧密贴合。

图4 水冷壁结构示意

图5 水冷壁弯制专利工装示意

(2)检验。

1)管子对接环缝RT 100%，B级，Ⅱ级合格，焊缝表面 PT 100%，Ⅰ级合格［8］;

2)环焊缝按JB/T 2636—94《锅炉受压元件焊接接头金相和断口检验方法》进行金相检验;

3)各组盘管与联箱焊接之后，全部新焊缝进行 PT 100%，Ⅰ级合格［8］;

4)进行整个盘管(包括联箱)的水压试验，试验压力10 MPa;

5)合格后进行氨渗透检查(试验压力为4.8 MPa)。

水冷壁制造好后，管内通氮气密封。水冷壁装入壳体时，凡是施工焊缝，对水冷壁的热影响区及对壳体的热影响区必须进行MT检测，Ⅰ级合格［8］。水冷壁装入壳体后，对壳体与水冷壁管相接触部分和全部水冷壁管进行消除应力热处理。

3.1.3 蒸发器的制造与检验

(1)制造。

蒸发器(见图6)是由多组盘管组成，每组盘管平面弯成多个U形(见图7，8)，弯曲半径小，急弯多。通过研制小直径弯曲成形工装，保证单组盘管的尺寸严格按图纸要求。

图6 蒸发器成型示意

图7 蒸发器单管弯制示意

图8 蒸发器单管制造示意

结构特点如下:

1)盘管上部分靠拉条把紧，下部分与集气管相焊，进气、出气全部与集气管焊死，每组盘管两侧有夹板及筋板加固(见图9)。

2)进出口盘管与集气管相焊，集气管与下部异型管相焊，集气管材质为20g，上有支承件为0Cr18Ni10Ti，与内部支架相焊(见图9)。

原设备经过几年的使用出现几次非计划停车修理，严重地影响生产，而多数原因为在生产运行过程中，余热回收部分急弯较多，弯管过程中形成的壁厚减薄，加上管内介质的冲刷和腐蚀，使急弯处成为薄弱环节，出现泄漏。解决急弯处的弯管问题成为制造重点。为保证质量，制造时要求弯管处壁厚减薄量≤20%壁厚;靠近弯管的直管部分100 mm范围内不得有焊缝，每条直段上最多只能允许有一个焊缝，弯管处禁止用弯头。

图9 蒸发器组装示意

(2)检验。

1)管子对接环缝RT 100%，B级，Ⅱ级合格，PT 100% ，Ⅰ级合格［8］;

2)全部有R≤150 mm弯管处表面进行PT 100% ，Ⅰ级合格［8］;

3)各组盘管及联箱、变径段、节流圈焊接前进行通球检查，球径为管内径(名义)的75%;

4)进行整个盘管(包括联箱)的水压试验，试验压力10 MPa，合格后进行氨渗透检查(试验压力4.8 MPa)。

(3)本部件制造好后，管内通氮气密封。

3.1.4 过热器的制造与检验

(1)制造。

过热器(见图10)是多组盘管以渐开线轨迹并行排列，利用渐开线弯管工装成形。该部件的制造难点在于大直径接管的渐开线曲线弯制，由于盘管分4层并行排列，如盘制形状有误差将造成盘管无法组对成型，对曲线形状要求相当严格。制造前，先打好样子，保证尺寸，再利用大功率变位机，曲型定型，尺寸定好后再拆下，并同时装好固定支承，避免变形(见图11～13)。其次，组装时要安排好组装顺序及采用正确的装配方法。经过反复研究，并借鉴以往的制造经验，采用立式分体组对。

图10 过热器组件示意

图11 过热器单管模台示意

图12 过热器管件示意

(2)检验。

1)管子对接环缝RT 100%，B级，Ⅱ级合格，焊缝表面 PT 100%，Ⅰ级合格［8］;

2)弯管处减薄量≤25%;

3)表面上其他焊缝PT 100%，Ⅰ级合格［7］;

4)全部有R≤120 mm弯管处表面进行PT 100%检测，Ⅰ级合格［7］;

5)各组盘管及联箱焊接前进行通球检查，球径为管内径(名义)的80%;

图13 过热器管件焊接示意

6)进行整个盘管(包括联箱)的水压试验，试验压力为12.0 MPa;

7)合格后进行氨渗透检查(试验压力为4.8 MPa);

8)A213 Gr.T22材料的任何焊接须进行焊前预热及焊后热处理。

(3)本部件制造好后，管内通氮气密封。

3.2 氧化炉的整体组装

图14 蒸发器装配壳体示意

图15 整体试压示意

氧化炉的整体组装过程严格执行国家标准［9－10］、设计图样以及制造工艺规程的相关规定，各个工序严格遵循压力容器质量保证体系及各种程序文件。由于氧化炉的余热回收段的内部结构复杂，盘管众多，内部空间小，一旦蒸发器、过热器等部件的管件出现问题，很难维修。由于结构复杂，对于其中的部件，其装配顺序的选择显得尤为重要。经过攻关研究，选择先将过热器、蒸发器、水冷壁、集气箱、金属箱、筒体等部件单独制作，并各自单独试压一次。即先将水冷壁管通过技术手段装入筒体内并试压;试压合格后再将蒸发器部件、金属箱、集气箱组装在一起，作为一个整体并试压，将蒸发器整体装入筒体内(见图14)，试压一次;最后将过热器装入筒体内并试压;最终整体试压一次(见图15)。这样通过模块化制造理念，最大限度地降低了各部件出现缺陷的几率，保证了设备整体质量。

4 结语

在制造氧化炉过程中，对主要受压件，以及耐高温、耐腐蚀的不锈钢材料都编制了《压力容器制造过程控制卡》，进行材料标记移植和确认，各个质量控制点均有记录，整个产品的制造过程自始至终处在全面质量管理的质保体系控制中，为向用户提供质量合格的产品提供了可靠的保证。至今该设备一直平稳运行在硝酸装置上，说明氧化炉的制造工艺和质量保证措施合理有效，达到了氧化炉图纸的设计要求和用户的生产需求。

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［3］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第二卷)［M］.北京:机械工业出版社，2001.

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［5］胡丽莉.硝酸氧化炉螺旋管排水冷壁弯制设备工装:中国，201120503328.7［P］.2012－10－10.

［6］胡丽莉.防高温应力松弛的法兰连接结构:中国，201120503547.5［P］.2012－08－15.

［7］郑守利.氧化炉泄漏原因分析及对策［J］.石油化工设备，2010，39(2):95－96.

［8］JB/T 4730—2005，承压设备无损检测［S］.

［9］TSG R0004—2008，固定式压力容器安全技术监察规程［S］.

［10］GB 150—1998，钢制压力容器［S］.