工艺制造液氮洗冷箱的制造技术何 传 贤(杭州杭氧股份有限公司)摘要:详细介绍了杭氧在液氮洗冷箱国产化制造过程中所进行的氮洗塔选材论证和制造技术攻关的内容,分析了液氮洗冷箱组装时为保证产品质量所采取的措施。

关键词:液氮洗冷箱;氮洗塔;制造;组装前 言我国是一个人口众多,人均占有耕地面积很少的国家,要解决事关国计民生的粮食问题,就要大力发展化肥工业,提高化肥(尤其是氮肥)产量,以满足农业发展的需要。

氮肥生产的原料气为氮气和氢气。

氮气可由空分设备提供,氢气则由石油或水煤浆加压气化后获取。

由石油或水煤浆加压气化所获得的原料气中,主要成分为氢气,但含有一氧化碳和二氧化碳等有害杂质。

这些杂质气体在合成塔内会使催化剂中毒!而失效。

所以,原料氢气在进入合成塔前,必须经过净化处理,使其一氧化碳和二氧化碳等杂质的总含量不大于10∀10-6。

原料氢气的净化,通常采用铜氨液吸收法、甲烷化法和液氮洗法。

其中液氮洗法,不仅能脱除一氧化碳和二氧化碳等有害杂质,而且也能脱除甲烷和氩气,可以得到惰性气体含量小于100∀10-6的氮氢混合气。

产品合成气的纯度很高,使氢、氮气在合成氨时的消耗量接近理论值,并且大大延长催化剂的寿命。

尤其在以煤或渣油为原料时,往往工厂配有空分设备,酸性气体的脱除采用低温甲醇洗。

此时,采用液氮洗法来脱除一氧化碳不仅节能降耗,且更为经济合理,常被推荐使用。

液氮洗冷箱是液氮洗工序的主要设备,其中包括氮洗塔、板翅式换热器以及其他槽、罐、仪表、调节阀和管线等,冷箱内设备在低温(-193#)、中压(5 2MPa)环境下运行,介质为易燃、易爆和易挥发的高含氢物料。

十五!期间,国家经贸委组织有关专家对十五!重大技术装备∃大型化肥成套设备研制项目%进行了可行性论证。

该项目中的液氮洗冷箱设计及研制!专题经国家经贸委批准,同意以山东华鲁恒升化工股份有限公司油改煤扩建工程中的液氮洗冷箱为依托工程,进行液氮洗冷箱国产化!攻关。

1 氮洗塔制造1 1 氮洗塔制造前期选材论证液氮洗冷箱的制造,由杭氧股份有限公司(以下简称:杭氧)承担,冷箱内的关键设备&&&氮洗塔,其内部结构虽与空分精馏塔类似,塔体高18m,但塔的设计压力为5 8MPa(空分精馏塔内部的设计压力只有0 7MPa)。

对于如此高的内压,氮洗塔的材料究竟选奥氏体不锈钢还是铝合金?中国寰球化学工程公司与杭氧进行了反复论证,提出了3种方案。

1 1 1 全塔材料采用铝镁合金优点:)将从德国林德公司引进的、并已成熟地在空分精馏塔上应用了20多年的铝制筛板塔制造技术!应用到氮洗塔的制造,塔的使用性能有保证;∗塔内件制造所需的铝制异型型材,国内均已生产,规格齐全。

需解决问题:国内只生产过薄壁( +30mm)、低压(P c+0 7MPa)铝制筛板精馏塔,对于氮洗塔的厚壁( =64mm)、小直径( 内=1200mm)、高强度(5083)铝合金壳体的制造,如筒体的卷制、两端封头的成形、焊接及无损检测等,都需进行制造技术攻关。

1 12 全塔材料采用奥氏体不锈钢(0Gr18Ni9)优点:)不锈钢材料强度高,壳体相对可薄一点;∗壳体的封头、筒体制造技术成熟,不存在技术问题;,塔体运行比较安全、可靠。

需解决问题:)不锈钢塔内件制造存在较大的困难(如:筛板的冲制、校平等);∗制造塔盘支撑环的异型型材还有待开发;,不锈钢氮洗塔与铝制板翅式换热器的连接需用可靠的不锈钢与铝合金转换接头过渡,这种大口径转换接头目前国内还没有厂家能生产,需进口;−由于奥氏体不锈钢与铝镁合金的线膨胀系数相差较大(大约相差31%),采用不同材料的冷补偿问题比较突出,冷箱内管道设计中如冷补偿问题处理不当,会给设备或管道造成局部应力集中,容易引起设备或管道的疲劳破坏或泄漏。

1 1 3 壳体采用奥氏体不锈钢、内件采用铝合金材料优点:)塔内件采用从德国林德公司引进专项技术制造,尺寸精确、质量好;∗壳体采用强度高、制造技术成熟的奥氏体不锈钢制造,塔体运行安全、可靠。

需解决问题:)制造(与壳体焊接的)塔盘支撑环的异型型材有待开发;∗氮洗塔工作温差266#,不锈钢壳体与铝合金内件热膨胀系数不同会影响铝制塔板的水平度,危及氮洗塔的使用性能;,不锈钢壳体与铝制板翅式换热器的连接同样需用可靠的不锈钢与铝合金转换接头过渡,处理不当,同样会引起设备或管道的疲劳破坏或泄漏。

综合上述,杭氧认为氮洗塔选用全铝结构,液氮洗冷箱整体设计中系统的泄漏问题、冷补偿问题和内件的加工问题等,均可得到较好的解决。

对于小直径厚壁、高强度铝合金壳体的制造,可在原有铝制空分精馏塔薄壳制造经验的基础上,再经厚壁壳体制造技术攻关,完全有把握攻克这一技术难关。

所以,第一台国产氮洗塔选用了全铝结构。

2001年12月29日,在北京召开的十五!大型化肥成套设备研制项目可行性研究报告论证会上,杭氧就某些专家提出的氮洗塔采用全铝结构存在的主要问题是制造所用的厚板材和相应锻件,目前尚缺少准确的机械性能参数,给设计带来困难!向与会专家介绍:杭氧按ASME标准设计乙烯冷箱,一些大型铝法兰锻件由重庆西南铝厂生产。

我国目前虽尚缺铝合金容器设计规范,但杭氧早在20世纪80年代初,与德国林德公司合作生产空分设备时,就已引进了铝合金容器设计规范(德国AD规范),现在又有美国ASME规范、日本JIS标准能参照,相信只要铝材加工厂、氮洗装置的设计、制造单位互相配合,结合氮洗装置的试制,拿出相应的力学数据,就能满足设计要求,同时还能编制我国自己的铝合金焊接容器设计规范。

2002年,全国压力容器标准化技术委员会即组织有关单位的专家编制了JB/T4734&2002∃铝制焊接容器%,并于2003年3月实施。

1 2 氮洗塔制造技术杭氧针对氮洗塔的小直径、厚壁、高强度铝合金壳体的制造,主要进行了4方面制造技术攻关。

1 2 1 大厚度、高强度铝合金的焊接技术攻关由于铝板厚度增加,焊接电流就将增大,焊缝金属的晶粒就会变得粗大,焊缝的机械性能就有可能降低。

随着板厚的增大,焊缝中的未焊透、层间未熔合以及夹杂、气孔甚至裂纹等缺陷就容易产生。

为确保厚壁铝制氮洗塔的焊接质量,杭氧进行了多项焊接试验及焊接评定。

在焊接试验、产品制造及检测时,采取了以下措施:(1)添置、选用匹配的焊机、焊接升降架和焊接滚轮架等焊接设备。

(2)焊接时采用合理的、较小的电流及合适的焊接速度以控制焊接热线能量。

(3)采用薄层多道焊,合理设计焊接坡口,焊接次序,以避免焊缝层间未焊透、未熔合等缺陷。

(4)加强清理工作,尽量减少由此导致的焊缝缺陷如夹杂和气孔的产生。

(5)加强层间温度的控制,使焊缝熔池在较合理的温度范围内完成结晶的过程,从而获得较好的机械性能。

(6)焊缝质量分层检验:即焊缝焊至1/2或1/3厚度时,就进行X射线检验。

如有缺陷,立即返修,以避免大厚度焊缝焊接完成后才发现焊缝缺陷在最深部所造成的大工量返工,由此造成焊接的变形,影响产品质量。

(7)对不同的结构,采用了不同的焊接方式,如:双面熔化极自动氩弧焊;熔化垫板加熔化极半自动氩弧焊打底、熔化极自动氩弧焊覆盖;双人双面手工钨极氩弧立焊打底,熔化极半自动或全自动氩弧焊覆盖。

同时对上述各种焊接方法及焊接试件,都进行力学性能测试,以确保焊缝强度。

1 2 2 小直径、厚壁和高强度铝合金封头成形技术攻关由于高强度铝合金的延伸率只有普通碳钢的1/2、奥氏体不锈钢的1/3,,在室温下变形量超过10%就会出现裂纹。

因此,小直径、厚壁封头的成形不可能在室温下进行,必须加热增加塑性后才能进行。

但加热温度过高,封头成形的壁厚减薄量就很容易超差;加热温度过低,成形时又容易出现裂纹,所以封头的成形温度区间很小,成形较难。

为攻克小直径、厚壁封头的成形难关,杭氧对现有的加热设备进行了技术改造,同时添置了远红外测温仪器,在封头坯板的加热升温、保温及压制过程中,精确测量工件温度,根据温度控制工件的变形程度,分数道将封头加热、压制成形。

1 2 3 小直径、厚壁和高强度铝合金筒体制造技术攻关氮洗塔内的筛板安装水平度(也就是筛板与塔体轴线的垂直度),直接关系到氮洗塔的氮洗效果。

而筛板的安装,是以筒壳为基准,所以对筒体的圆度及直线度有较高的技术要求。

但这种小直径、厚壁筒体的圆度、直线度及焊缝对口错边量较难控制。

为确保筒体的制造质量,杭氧采取了相应的工艺措施。

(1)对原有的数控水下等离子切割机进行技术改造,解决厚铝板的切割难题。

(2)筒节坯板经等离子切割下料后,上刨边机,将坯板周边等离子切割后的热影响区刨掉;同时控制坯板的长、宽及对角线长度,以确保卷制后筒节直径尺寸精确、筒节两端口互相平行、筒节接长拼焊后筒体直线度误差小于1/1000,且总长误差小于10mm。

(3)为控制筒体的圆度,减小纵缝附近的棱角(直边),防止卷制时产生壁厚减薄量超差,杭氧经卷制试验后,采用1200t水压机模压预弯筒节坯板卷制方向前后两端,并用样板精确控制预弯形状,然后在事先经技术改造、操纵系统实现数控操作的60m m四辊卷板机上卷圆。

(4)对熔化极自动氩弧焊机的机头和送丝机构进行改装,缩小焊丝送丝盘,将该盘与焊机机头的固定位置放低,使机头和送丝盘都能进入小直径筒体内施焊。

(5)为减少筒体卷制冷作硬化及残余应力,杭氧在筒节卷制、纵缝施焊后,增加一道退火工序,然后再用卷板机校圆,从而有效地防止了小直径、厚壁铝筒节室温卷制微裂纹的产生。

(6)设计制造专用的焊缝对口错边校正器来控制筒节接长搭焊时的环缝错边量。

(7)筒体环缝采用无间隙熔化极自动氩弧焊焊接,既确保了筒体全长的直线度,又提高了环缝焊接的工作效率。

1 2 4 氮洗塔组装技术攻关氮洗塔塔内件,如泡罩塔板的泡罩、筛孔塔板的孔板等,都是直接影响氮洗效果的关键零部件。

杭氧全面应用从德国林德公司引进的空分精馏塔制造技术进行制作,但在厚壁、小直径筒体内组装、试压等,还是出现了新的制造难题。

(1)由于氮洗塔筒体壁厚、直径小,有的部位焊工无法在筒体内实施熔化极自动氩弧焊,例如:筒体两端与封头连接的内侧环缝,筒体内放了焊机,就没有焊工施焊的位置。

为此,杭氧对不同结构、不同位置,采用不同的焊接方法,如底部封头与筒体的连接环缝,采用双人双面手工钨极氩弧立焊打底,再在外侧用熔化极自动氩弧焊覆盖;而顶部封头与筒体的连接环缝,因焊工无法进入塔内,所以在环缝内侧采用熔化垫板、在环缝外侧用熔化极半自动氩弧焊打底后,再熔化极自动氩弧焊覆盖。

一些厚壁接管与筒体、封头的连接,采用双人双面手工钨极氩弧立焊打底,熔化极半自动氩弧焊覆盖的方法焊接。

(2)厚壁焊缝的检验,一般采用X射线仪单壁单投影的方法检测,但氮洗塔顶部封头与筒体的连接环缝检测时,X射线仪或人都不能进入筒体内,杭氧应用大功率X射线仪,在筒体外侧,采用双壁单投影的方法检测焊缝质量。