西门子GSP气化炉水冷壁修复技术探讨

倪玮

摘 要：神华宁煤煤化工分公司烯烃公司西门子GSP气化炉，燃烧室采用水冷壁冷却方式，由于长期在高温下工作，燃烧室水冷壁管因烧损出现渗漏。为保证设备安全运行，有必要进行燃烧室水冷壁的修复技术研究，为气流床气化炉水冷壁修复提供了借鉴方法。

关键词：GSP气化炉；水冷壁管修复；16Mo3钢焊接工艺

前言

神华宁煤煤业集团煤炭化学工业分公司烯烃公司气化装置气化单元采用由西门子研发的GSP干煤粉气化炉，采用干粉进料、纯氧气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程的水冷壁结构气流床气化技术，总体结构分为燃烧室（反应室）与激冷室两部分，燃烧室采用水冷壁结构。GSP气化炉水冷壁是由特殊耐热材料碳化硅为屏蔽涂层的盘管和销钉焊接组成圆筒形膜式壁，采用4根盘管盘旋分布在燃烧室中，盘管上共焊接销钉90000颗左右，水冷壁盘管材质为16Mo3，属于合金钢，水冷壁盘管的直径为88.9mm，壁厚为7.62mm。工作温度1400℃，工作压力4.5MPa。在运行过程中由于特殊耐热材料脱落，刮渣不良导致销钉烧损或水冷壁盘管烧损，导致气化炉热损升高，盘管渗漏等故障，由于水冷壁构造复杂，盘管布置密集，距离炉壁230mm，上、下两根盘管之间的距离仅为18mm，焊接区域狭窄，存在焊接盲区，检修难度大。文章就GSP气化炉水冷壁盘管的更换方法及焊接工艺参数，进行讨论，为采用膜式水冷壁形式的气流床气化炉水冷壁检修提供了借鉴。

1 销钉的打磨与焊接

1.1 销钉的打磨

在开展水冷壁修复作业时，应对销钉进行打磨。首先确定打磨数量及区域，对打磨范围内的烧损锚固钉进行打磨，先将烧损锚固钉的上半部割除再向下打磨，旧销钉预留1至2mm的高度即可避免伤及炉管。如销钉烧损严重无法预留1-2mm可采取表面打磨方式进行，以伤及母材最小限度为标准进行作业；打磨出金属光泽即可避免伤及炉管若有伤及炉管的地方要标明，并进行焊接修复。

1.2 销钉的焊接

销钉一般采用的材质为316，使用专用的螺柱焊机进行焊接，焊接电流为710A，拉弧时间为210ms，焊接角度为90°，焊接密度为纵向6颗销钉，销钉横向间隙为10mm。

2 水冷壁盘管的切割

在水冷壁盘管更换中，找准缺陷位置，并测厚，选择需要更换的管束要做好标记，对水冷壁盘管进行切割，同时为了解决焊接区域狭窄的问题，在切割时需将每排盘管纵向切割位置错开，以倒置的梯形进行切割，从而避免每排盘管焊缝处于同一垂直线上，要求每排焊缝间距大于200mm，增加焊接区域，为后期的焊接预留焊接位置，确保焊接质量。切割完成后对切割面打磨与清理，在切割打磨时尽量避免将废渣落到炉壁与管壁之间的空隙中。

3 水冷壁盘管的预制

由于气化炉内空间受限，所有水冷壁盘管预制工作在炉外进行，预制管坡口打磨角度为60±5°，当更换的盘管数量较少，也就是1-2根或多根盘管复位剩余1-2根时，由于操作空间狭窄，靠近炉壁内侧无法施焊，对于此类情况，可采取采用“开天窗”方法，所以在预制中必须事先对部分预制管开“天窗”。所开的椭圆型窗口的大小宜为150X60mm，这样利于操作且变形量小。对于预制完成的管线所有焊缝要进行100PT检测，确保质量。

4 水冷壁盘管的焊接安装

4.1 安装方法概述

将预制完成且焊口检测合格的管线移至气化炉燃烧室内部，由下往上逐根进行安装。特别要注意的是，每次安装只能进行单根管线的安装，留出足够的空间对安装口进行检测。两管口错边量≤0.5mm，同时在两管之间纵向插入一截翅板，做垂直基准线，确保焊接的配管不变形。在焊接安装口时，从背面开始焊接，采用特殊的观察镜观察进行辅助焊接，然后再从前面进行焊接，焊接最后一根管的时候需要通过窗口从管内壁对背后焊口进行焊接，对于在整个环焊缝中，先完成炉壁侧的半圈焊缝，采用由内向外的焊接顺序，即采用“内坡口”进行焊接，然后RT射线的检测检测合格后再将椭圆形盖板与窗口焊接。

4.2 水冷壁盘管焊接工艺

4.2.1 水冷壁的材质

水冷壁管材质为合金钢16Mo3，常用于制造介质温度≤580℃的锅炉过热管，其合金元素的成分与含量、力学性能与用途和珠光体耐热钢12Cr1MoV相似。为保证GSP气化炉水冷壁盘管焊接质量，必须对16Mo3钢管的焊接方法与焊接工艺进行研究。

4.2.2 焊前预热温度和控制层间温度

焊前预热和保持层间温度是防止耐热钢焊接冷裂纹和再热裂纹的有效措施之一，预热温度我们应选择在200°～300°之间，并且保持约250°的层间温度。焊前预热的加热范围以焊缝中心线为基准，每侧预热长度约100～150mm。

4.2.3 焊接坡口

在焊接时选取的坡口角度为60°左右，根部间隙在2.5mm～3mm之间。

4.2.4 焊接工艺参数选择

焊接采用的焊丝型号为ER80S-G，直径为φ2.0mm选择铈钨极，钨极直径为2.5mm，电源极性为直流正接。对于打底时采用100-115A的焊接电流，电弧电压为21V，氩气流量为12L·min-1；填充时采用115-125A的焊接电流，电弧电压为22V，氩气流量为13L·min-1；盖面时采用120-130A的焊接电流，电弧电压为23V，氩气流量为14L·min-1。

4.2.5 焊接的方法

焊接方法采用点固焊，焊接前应清理坡口两侧表面及管道内20mm左右范围内的油污、锈蚀、氧化物等污物，打磨至呈现金属光泽。管口组对时，要求管内壁齐平，错边量≤0.5mm，组对间隙应保持均匀一致。焊接时将所更换的水冷壁盘管分为四段，首先从6点方向开始，焊接至3点方向，第二段从3点方向焊接至12点方向，以此完成靠近炉壁两段焊缝的焊接。其次从6点方向焊接至9点方向，第四段为9点方向焊接至12点方向，完成水冷壁盘管外侧焊接。

5 结束语

历年以来通过使用以上方法对西门子GSP气化炉管水冷壁盘管复焊接完成后，进行的RT探伤结果看，焊接Ⅱ合格率达100%，符合工艺要求，从历年气化炉水冷壁修复频率来看，2012年之后逐年下降，尤其在2014年4月23日对烯烃2#气化炉进行修复后，烯烃5台GSP气化炉水冷壁未发现渗漏现象，证明此水冷壁修复更换工艺切实可行。通过对西门子GSP气化炉水冷壁修复及16Mo3管道焊接性的研究，确定了可行性的水冷壁修复及焊接技术，为我公司积累了同类气化炉水冷壁修复的方法。

参考文献

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