变换炉的制造与检验

王会琼

（云南大为化工装备制造有限公司，云南曲靖 655338）

·经验交流·

变换炉的制造与检验

王会琼

（云南大为化工装备制造有限公司，云南曲靖 655338）

介绍了焦炉气制甲醇装置中关键设备变换炉的制造与检验方法。阐述了设备材料需要控制的性能指标、设备筒体和封头堆焊等关键部件的制造及检验的要求。

变换炉；制造；检验

变换炉是将一氧化碳与水蒸气在催化剂的作用下发生变换反应生成氢和二氧化碳的设备。变换炉早期用于合成氨工业，之后也用于工业制氢。在合成甲醇生产中，变换炉用来调整水煤气中一氧化碳和氢的比例，以满足工艺上的要求。多年来，为了降低城市煤气中一氧化碳的含量，各国也采用一氧化碳变换装置，以降低城市煤气的毒性，并取得了良好的效果。

煤气中一氧化碳与水蒸气的变换反应为：CO＋H2O＝CO2＋H2＋热量。由于一氧化碳变换反应的温度较高，最高可达520℃以上，已接近或高于煤气的理论着火温度（氢的着火温度为400℃，一氧化碳的着火温度为605℃，甲烷的着火温度为540℃）。如果有氧气存在，就会先引起煤气中的氢气燃烧，进而引燃煤气，局部达到爆炸极限时还会引起爆炸。因此，对变换炉的制造要求比较高。

本变换炉的设计参数为：DN 3 000；设计压力4.1 MPa；工作压力3.7 MPa；设计温度：上段450℃，下段350℃；工作温度：上段407℃，下段316℃。变换炉示意图见图1。

1 变换炉的材料控制

1.1 板材性能控制

1.1.1 基材性能控制

基材14Cr1MoR必须满足GB713－2008《锅炉和压力容器用钢板》的要求，正火＋回火状态供货，要求100%超声检测。14Cr1MoR属耐热钢，有冷裂纹、焊接热裂纹及再热裂纹、焊接接头的回火脆性等诸多不利因素，因此，在材料采购时应严格控制有害化学成分的含量（w（S）≤0.008%、w（P）≤0.012%）；硬度值HV10≤248；模拟焊后热处理条下进行450℃的高温拉伸试验，ReL，450℃≥195MPa。为解决回火脆化和氢致裂纹敏感性问题，要求提高冲击韧性Akv，0℃：均值≥34J，单个最小值≥24J。回火脆化敏感系数X＝［10w（P）＋5w（Sb）＋4w（Sn）＋w（As）］×104≤15，最大模拟焊后热处理温度680±20℃，保温时间≥12 h。

1.1.2 复层及复合板材料性能控制

复层材料347H符合ASME SA－240《压力容器和一般用途用耐热铬及铬镍不锈钢板、薄板和钢带》的要求，固溶加酸洗钝化状态供货，表面质量为ASME SA－480《不锈和耐热钢轧制钢板、薄板及钢带通用要求》规定的1号。复合前基材钢板为整块钢板，复层金属须与基层金属结合牢固。采用爆炸复合，结合状态满足JB4733－1996《压力容器用爆炸不锈钢复合钢板》中的B1级要求。复合板经热处理、校平、切边后交货，复层表面应喷丸（砂）或酸洗处理，正火＋回火状态下交货。

材料到厂后应进行化学成分、硬度、超声检测及模拟焊后热处理条件下的回火脆性倾向及各项性能复验，结果应均满足相关技术条件的要求。

图1 变换炉示意图Fig.1 Diagram of a shift converter

1.2 锻件的性能控制

14Cr1Mo锻件应满足JB4726－2 000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》的要求：正火＋回火状态供货，Ⅲ级，硬度HB＝130～196，非金属夹杂物脆性和塑性杂物的等级均不大于1.5级，综合等级不大于3级，并进行450℃的高温拉伸试验，ReL0.2，450℃≥190 MPa，逐件超声检测（按JB4726中表4中提高一级）。F347H锻件应符合ASME SA－336M的要求，并按GB4334.5进行晶间腐蚀试验。

材料到厂后应进行化学成分、硬度、超声检测、晶间腐蚀试验及模拟焊后热处理条件下的回火脆性倾向及各项性能复验，结果均应满足相关技术条件的要求。

2 关键零部件的制造

该设备的制造重点及难点在于筒体的成型、坡口加工、焊接及封头内壁堆焊等。

2.1 筒体的制造

筒体材料为（复合板）14Cr1MoR＋347H，分上、下两段，上段板厚（54＋4）mm，共分5节制造；下段板厚（48＋4）mm，共分4节制造。

筒体制造的关键是要控制好筒体组对错边量和同轴度，从而保证筒体内壁焊缝的焊接质量。复合板筒体圆度的控制尤为困难和重要，因复合板筒节的弯卷与均质板不同，其中性层并不处于板厚的一半处，而是移向强度高的金属一侧。因此，不锈钢复合板卷圆时，中性层是靠近复合层方向移动的。筒节周向展开长度按下式计算：

式中：L为筒节展开长度，mm；Di为筒节内径，mm；YH为中性层至内壁的厚度，mm。

筒节下料采用数控切割机，上部筒节周向展开长度L上≈9578mm，L下≈9560mm，板材长宽偏差≤1 mm，对角线偏差≤1.5 mm。纵向焊接接头按要求制备产品焊接试板。产品焊接试板按JB4744的规定进行制造和检验。筒体滚圆采用数控万能卷板机，复合层表面贴牛皮纸以防止铁和其它有害物质对复层金属的污染和损伤复层表面。滚圆时，控制每个筒节的滚圆次数和压辊压力，使每张板的延伸率均匀，以控制环缝组对时的对口错边量。筒节滚制过程中，控制弧板拱高偏差±10 mm，且保证板两端压头、滚圆曲率，以控制好筒体焊缝棱角和圆度。

2.2 筒体的焊接及检验

设备制造中，焊接所占的比重很大。为了降低制造费用和缩短工期，必需采用高效率、少缺陷的焊接方法。因此，采用窄间隙埋弧自动焊，且在焊接工艺评定合格的前提下进行筒体纵、环缝的焊接。坡口采用大型刨边机机械切削，以保证板长宽尺寸及表面粗糙度Ra≤25 um。纵、环缝焊接坡口形式，见图2。

图2 纵、环缝焊接坡口形Fig.2 Longitudinal seam weld groove lip ring

筒体基层材料（14Cr1MoR）焊接时易产生热裂纹，因此，必须降低组装应力，进行焊前预热，焊后消氢，并采用合理的线能量。焊接复合钢板时，必须切实做好复层材料的保护工作，精确保证设计规定的过渡层、复层熔敷金属宽度，以满足设备的耐腐蚀性。焊接过程中，要避免多次打火和电弧中断，收弧时弧坑要填满。

筒体焊接前，焊缝坡口两侧边缘100 mm范围内的水、锈蚀、氧化皮等应清理干净，使坡口表面露出金属光泽。焊接时，在筒节纵缝处带上焊接试板，先进行基层的焊接。基层焊接时，其焊道不得触及和溶化复材。基层完全焊接后，焊缝表面应打磨光滑，焊缝余高0～0.5mm，不允许存在凹凸不平、焊渣及飞溅物等。整个焊接和后热过程中，在焊接接头及其邻近的区域都要进行保温。纵环缝焊接前及层间预热采用电热加热器加热。焊后24 h对焊缝进行100%MT＋100%UT＋100%RT检测。经检验合格后，才能进行过渡层及复层的焊接。过渡层及复层要求分别进行100%PT检测。

2.3 封头

2.3.1 封头成型

封头采用在14Cr1MoR基层（板厚为48 mm和54 mm）上堆焊耐蚀材料的结构，其制造难点是封头的整体堆焊技术。由于堆焊耐蚀层时，必然会产生一定量的焊接收缩变形，因此，在压制基层封头时，要根据以往类似堆焊封头的焊接收缩量来确定封头尺寸。例如，根据本设备的设计尺寸及以往经验，将基层封头直径放大8mm，直边高度留5mm余量。除此之外，封头板料厚度还要留有一定余量，以用于补偿封头压制过程中的减薄量及封头内表面堆焊前的加工量。

2.3.2 封头堆焊及检验

封头堆焊前，母材待堆焊表面的焊缝磨平后做100%RT检测。采用防变形工装，待堆焊面须喷砂或打磨到呈金属光泽及100%MT检测合格后方能进行堆焊。封头堆焊采用60mm宽的焊带，在自动带极堆焊机和50吨变位机上进行。由于封头堆焊是采用由内到外的同心圆堆焊，因此，同心圆内径会随堆焊位置的不同而异。为了更好的保证堆焊层质量，设计了一个简易的底座带磁铁的角度表。堆焊前，将角度表放在封头待堆焊面上，然后，旋转变位机直至角度表的指针与变位机的轴线垂直时为止。依次分别找出4个点都垂直后，才能进行堆焊，这样就能保证焊道成形质量的熔深和堆焊质量。堆焊层数为两层，第一层为过渡层，第二层为面层。手工堆焊等仅用于局部。堆焊还要严格按以下4项执行：

1）堆焊的两相邻焊道之间的凹陷不得大于1 mm。焊道接头的平面度不得大于1 mm（在200 mm长的弧型样板上测定）。

2）每层堆焊层均应进行100%PT检测，堆焊完毕后应进行100%UT检测。

3）堆焊第一层（过渡层）后要进行消除应力热处理，然后再堆焊面层。

4）热处理前，应测定堆焊层的δ铁素体含量。要求δ铁素体含量在3%～8%之间。

3 热处理及耐压试验

3.1 热处理

设备制造完毕后，整体进炉热处理。热处理温度为680±20℃，产品试板随设备一起进炉。设备在最终热处理后，对壳体复合层的贴合率进行超声检测，贴合率应达到B2级板的要求。壳体基材、焊缝及热影响区应进行硬度检测，且HV10≤248。

3.2 耐压试验

设备热处理后，按图样对设备作水压试验。要求对上段和下段同时注水、升压、保压、降压，以避免损坏球冠形隔板（其承受最大压差不超过0.5 MPa表压）。在整个试压过程中，要求上段和下段的最大压差不超过0.5 MPa，故须装设两组量程相同的并经过校正的压力表。气密性试验：水压试验合格后，按设备图样要求作气密性试验。

［1］ 孟兴芜.Cr－Mo钢复合板容器制造通用技术规定［S］.2009.

［2］ 压力容器实用技术丛书编委会.压力容器制造和修理［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［3］ 化工设备设计全书编委会.压力容器用材料及热处理［M］.北京：化学工业出版社，2005.

Manufacturing Technique and Examinations of the Converting Furnace

WANG Hui-qiong

（Yunnan Dawei Chemical Equipment fabrication Co.，Ltd.Yunnan，qujing 655338，China）

This paper introduces the manufacture and inspection of key equipment of converting furnace of the coke oven gas methanol plant.The performance of equipment and materials to be controlled，the cylinder and head welding equipment and other key components of the manufacturing and inspection requirementsare described.

conversion furnace；manufacturing；test

TQ052

A

1004-275X（2015）05-0058-04

10.3969／j.issn.1004-275X.2015.05.015

收稿：2015-03-26

王会琼（1980－），女，工程师，主要从事压力容器设计及制造工作。