气化炉结构设计及制造工艺 6-14

I

气化炉结构设计及制造工艺

摘 要

煤炭资源在我国一次能源中占70%以上，所以为了适应我国缺油、少气、富煤的基本国情，本设计针对水煤浆制取合成气的大型设备——气化炉进行研究，根据一开始所选择的炉型，对其主要零部件设计计算，包括上下封头、筒体、支座、密封和人孔等结构，并绘制出气化炉的装配草图。然后对整个气化炉制造过程及以上各零部件的制造工艺研究分析，阐述关键制造工序并提出解决制造难点的方案。结合设备制造的过程经验，针对SA387Gr11CL2材料表面堆焊耐蚀层、复合钢板对接、各零部件组焊等焊接工艺也做了重点分析，并做出总结。通过查阅相关资料，最终选择合适的热处理方式，即分部件单个热处理并辅助加工手段逐层消除保证后，做最后的整体消除应力热处理以达到最终效果。同时，由于设备的大型化，难以运输，所以本文对设备的现场组装、压力试验等也做了一定的介绍。

关键词：德士古气化炉，结构设计，制造工艺，焊接

II

Structure Design and Manufacturing Process of Gasifier

ABSTRACT

Coal resources accounted for more than 70% in China's primary energy, in order to adapt to China's basic national conditions of lacking oil and gas and riching in coal resources, the design mainly discuss gasifying furnace which is used to produce synthetic gas from coal water slurry, first I design and calculate the main parts of the gasifier according to the furnace type before, including the heads of gasifier, cylinders, supporting seats, sealing and manhole structure, next draw the assembly sketches of gasifier. Then, analyze the manufacturing technology of the whole gasifier and the major parts, elaborate the key manufacturing procedure and put forward the plan to solve the questions of difficult manufacturing process. Analyze and summarize the surfacing process of SA387Gr11CL2, the butt welding of the composite steel, and the welding technology of the parts by combining with the process experiences of the equipment manufacturing. And choose the suitable heat treatment finally, through accessing to relevant information, which is heating the parts of gasifier with the auxiliary means of processing layer by layer to eliminate stress. Then, heat the whole of gasifier to eliminating stress to achieve the final effect. At the same time, due to the large-scale of equipment, it is difficult to transport, so this paper also introduces the field of equipment.

Key words: Texaco gasification furnace, structure design, manufacturing process, welding

III

目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. II 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1

1.1 课题研究的背景及理论意义 ...................................................................................... 1 1.2 气化炉的选型 .............................................................................................................. 1 1.3 煤气化炉的发展趋势 .................................................................................................. 1 1.4 德士古气化炉介绍 ...................................................................................................... 2

1.4.1 德士古炉型气化炉的技术特点 ........................................................................ 2 1.4.2 水煤浆气化特点 ................................................................................................ 2 1.5 气化炉容器外壳的选材 .............................................................................................. 2

1.5.1 反应室壳体选材 ................................................................................................ 2 1.5.2 激冷室壳体选材 ................................................................................................ 3 1.6 主要材料的力学性能 .................................................................................................. 3 1.7 气化炉的制造问题 ...................................................................................................... 4

1.7.1 运输问题 ............................................................................................................ 4 1.7.2 装备问题 ............................................................................................................ 4 1.7.3 制造与检验 ........................................................................................................ 4

2 德士古气化炉主要部件的设计 ............................................................................................ 5

2.1 气化炉结构特点与技术特性 ...................................................................................... 5 2.2 主要部件的设计计算 .................................................................................................. 5

2.2.1 燃烧室筒体壁厚的计算与校核 ........................................................................ 5 2.2.2 激冷室筒体的设计 ............................................................................................ 6 2.2.3 上球形封头的设计 ............................................................................................ 7 2.2.4 下锥体封头的设计 ............................................................................................ 7 2.2.5 密封结构设计 .................................................................................................... 8 2.2.6 人孔补强结构设计 ............................................................................................ 8 2.2.7 支座结构设计 .................................................................................................. 12

3 气化炉的制造工艺研究 ...................................................................................................... 13

3.1 制造规范及要求 ........................................................................................................ 13

3.1.1 制造规范 .......................................................................................................... 13 3.1.2 技术要求 .......................................................................................................... 13 3.2 主要部件的制造工艺流程 ........................................................................................ 13

IV

3.2.1 主要部件成型前的通用工艺流程 .................................................................. 13 3.2.2 上球形封头成型 .............................................................................................. 14 3.2.3 激冷室筒体的成型 .......................................................................................... 17 3.2.4 燃烧室筒体的成型 .......................................................................................... 21 3.2.5 下锥体封头的成型 .......................................................................................... 23

4 气化炉制造中的焊接技术研究 .......................................................................................... 25

4.1 SA387Gr11CL2耐热钢焊接性的分析 ..................................................................... 26 4.2 耐热型低合金钢焊接的要求 .................................................................................... 26 4.3 主要结构的焊接工艺分析 ........................................................................................ 27

4.3.1 上球形封头环向坡口焊接 .............................................................................. 27 4.3.2 燃烧室筒体纵焊缝焊接 .................................................................................. 27 4.3.3 激冷室（复合钢板）筒体纵焊缝焊接 .......................................................... 28 4.3.4 筒体锻件的局部堆焊 ...................................................................................... 31 4.3.5 下锥形封头与大法兰组焊 .............................................................................. 32 4.3.6 接管与复合钢板筒体的焊接 .......................................................................... 33 4.3.7 筒体锻件与内件的焊接 .................................................................................. 34

5 气化炉的组装 ...................................................................................................................... 37 致 谢 ........................................................................................................................................ 38 参考文献 .................................................................................................................................. 39

气化炉结构设计及制造工艺

1

1 绪论

1.1 课题研究的背景及理论意义

我国石油和化学工业在快速发展的同时，正面临着资源、能源和环境等多重压力。由于我国石油和天然气短缺，煤炭相对丰富的资源特征，加之国际油价的持续高位运行状态，煤炭在我国的能源和化工的未来发展中所处的地位会变得越来越重要。国家在“十五”规划中明确指出，“必须下大力气调整能源结构，从各个方面采取措施节约石油消耗，大力发展洁净煤气化技术”。由于煤化工的气头，即气化方式是煤产品的根源，因此煤气化炉就成为煤化工产品的龙头。

国外煤气化技术早在20世纪50年代已实现工业化，20世纪70年代因石油天然气供应紧张使得煤气化新工艺研究和开发得到快速发展，并成功地开发出对煤种适应性广、气化压力高、气化效率高、污染少的新一代煤气化炉。其中具有代表性的有荷兰的壳牌（Shell）炉、美国的德士古（Texaco）炉和德国的鲁奇（Lurgi）炉等。在国内运用最为广泛的为GE水煤浆和Shell煤粉气化工艺。

利用煤碳在气化炉中发生一系列的化学反应，制取合成气，为合成氨、制取甲醇提供原料气。针对我国的国情，可以充分利用煤炭这一能源。采用德士古气化炉设备，有着较高的转化率和可靠性，而且对环境无污染，环保性能好。

1.2 气化炉的选型

按照气化炉内料流形式，气化技术大致分为固定床、流化床和气流床三大类典型的固定床气化炉有间歇式固定床气化炉、加压鲁奇固定床气化炉；流化床有灰熔聚流化床气化炉、恩德炉等，气流床有德士古气流床、Shell粉煤气化炉等。

气流床技术由于煤种适应性强，效率高，合成气中有效成分高，运行可靠且环保性能良好。所以气流床技术在我国也运用的较为普遍，其代表炉型为德士古气化炉和壳牌干粉煤气化两种气化炉。

德士古气化炉的设备结构简单，内件很少；理论上可以用任何煤种；其有较长的运行实践经验，操作危险性小，可用率达80%～85%；气化炉的运行费用较低。Shell气化炉的碳转化率虽然比较高，但投资也高，设备造价较高，配合的干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气加压所需的功耗较大1。所以本次设计以德士古气化炉作为研究对象。

1.3 煤气化炉的发展趋势

（1）气化压力向高压发展 提高气化效率、碳转化率和气化炉能力，实现气化装置

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2

大型化和能量高效回收利用，降低合成气的压缩能耗或实现等压合成。

（2）气化炉的能力向大型化发展 大型化便与实现自动控制和优化操作，降低能耗和操作费用。

（3）气化温度向高温发展 气化温度高，煤中有机物质分解气化，消除或减少环境污染，对煤种适应广。

1.4 德士古气化炉介绍

1.4.1 德士古炉型气化炉的技术特点

GE水煤浆气化炉是一种以水煤浆为原料、氧气为气化剂的加压气化技术。水煤浆经原料加压泵加压后与高压氧通过气化炉顶部的气化烧嘴进入气化炉，在燃烧室（气化反应室）内在表压5.56MPa，约1400℃条件下水煤浆与氧发生部分氧化反应，生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S、COS及微量的NH3、HCOOH等气体。从气化反应室出来的粗合成气，直接向下通过下降管进入气化炉的激冷室完成合成气的激冷洗涤，出激冷室的合成温度260℃左右。粗合成气中的炭黑在激冷室中大部分被清除，由渣水出口进入破渣机。气化室的温度大约在1400℃，耐火材料设计温度可达10℃左右。气化炉壳体外壁设有壁温监测系统，反应室内的温度通过伸入到耐火材料内的热电偶来测量，当反应室外壁某区域温度达到345～370℃时高温报警。因合成气中含有少量的H2S气体，为防止湿H2S腐蚀，气化炉外壁温度不低于225℃，以避免内壁结露造成露点腐蚀2。 1.4.2 水煤浆气化特点

a）气化炉结构简单，气化强度高，设备体积小，布置紧凑、生产能力大。

b）水煤浆气化工艺要求原料水煤浆要有良好的稳定性、流动性，较低的灰熔点及泵易输送等。

c）与干粉进料相比，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的过程，体现出了安全并容易控制的特点，取消了气化前对原料的干燥，节约能源。 d）连续性生产。 e）对环境污染小3。

1.5 气化炉容器外壳的选材

1.5.1 反应室壳体选材

考虑反应室外壳的操作、设计条件，壳体材料在设计温度下，强度不应有显著的下降，同时还应有良好的抗腐蚀性能。

奥氏体不锈钢具有良好的抗腐蚀能力，但是成本太高，而且在温度升高到设计温度时，奥氏体不锈钢的强度明显下降。按ASME SEC Ⅱ(锅炉和压力容器规程),最经济适用的容器钢板

气化炉结构设计及制造工艺

3

为SA387Gr11CL2耐热钢，因为Gr、Mo元素的存在，提高了钢在高于350℃温度下工作的高温强度和持久强度，这种钢通常称为耐热性低合金钢。同时该材料还有良好的抗氢腐蚀能力。在所有的铬钼钢里，SA387Gr11CL2板材的韧性、强度、焊接性能都比较好，所以作为反应室的壳体材料使用。但由于Gr、Mo元素提高了钢的淬透性，使焊接性能变差，易产生冷裂纹和再热裂纹。为保证焊接焊接质量，预热、后热和焊后消除应力热处理等措施必不可少4。 1.5.2 激冷室壳体选材

为了避免异种钢焊接，降低气化炉的造价，气化炉激冷室壳体的基材也采用SA387Gr11CL2。同时为了避免H2S、SO2等酸性气体以及渣水的腐蚀，在基层上应堆焊耐腐蚀的奥氏体不锈钢（316L），并且采用含镍较高的材料作为过渡层堆焊（319L），所以最终采用轧制复合钢板SA387Gr11CL2+316L。

1.6 主要材料的力学性能

表1-1 316L不锈钢和SA182力学性能

材料 316L SA182

N/% 0.06

屈服强度/MPa

220 235

表1-2 316L化学成分

化学成分 316L

C% ≦0.03

Si% ≦1

Mn% ≦2

P% ≦0.03

S% ≦0.035

Cr% 0.8～1.1

Ni% 13.5～16

Mo% 2.2～3

N% ≦0.2

抗拉强度/MPa

520 500

伸长率/% 45 21

表1-3 SA182化学成分

化学成分 SA182

C% 0.12～0.18

Si% 0.17～0.37

Mn% 0.4～0.7

P% ≦0.035

S% ≦0.035

Cr% 0.8～1.1

Ni% ≦0.3

Mo% 0.4～0.55

表1-4 SA387Gr11CL2化学成分

C%

Si%

Mn%

P%

Gr%

Mo%

Ni% 0.20%～0.25%

0.05%～0.17% 0.50%～0.80% 0.40%～0.65% 0.010%～0.012% 0.10%~0.15% 0.45%～0.65%

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表1-5 SA387Gr11CL2力学性能

抗拉强度/MPa 520～680 510～670

屈服强度/MPa ≧310 ≧300

伸长率A/% ≧19 ≧19

冲击吸收能量

KV2/J ≧34 ≧34

180°弯曲试验弯曲直径

（b≧35mm）

d=3a d=3a

钢板厚度/mm 温度/℃

6～100 >100～150

20 20

1.7 气化炉的制造问题

现在随着国家技术的发展，国内煤化工和石油化工企业得到了大力地发展。每个企业都在追求最佳经济效益，设备装置持续走大型化发展路线。设备装置的大型化给中国化工机械制造行业带来机遇的同时，也改变了大型压力容器制造方式。主要存在的问题有： 1.7.1 运输问题

由于现在设备的大型化，直接面对的便是设备高参数、大直径、重吨位。有些设备重量甚至超过两千吨，唯一的选择就是分段、分部件运输现场组装。 1.7.2 装备问题

设备大型化带来的再一个问题就是为满足制造过程中各方面的要求而配备的加工装配问题。如锻造、成型、机加、焊接、无损检测、热处理等装备。 1.7.3 制造与检验

1）现场热处理和水压试验 由于现场条件的，所以在现场热处理的情况比在制造厂内的效果要差，所以现在很多工厂在现场搭建积木式炉，对设备进行整体热处理。对于大型设备，在现场进行水压试验也是装备的一个难点，因为大型设备一般都选择现场合拢，这样就无法再制造厂内实现水压试验，而且有些设备注水后总重上千吨，对支撑点也会有很大的作用力。因此，很多的大型设备，其水压试验选择在设备安装现场。

2）质量检验 因运输条件的，大型设备制造过程中的很多工作往往会遗留到现场进行，对焊接质量等的检查也提出了更高的要求。如今国内大型设备制造厂家采用TOFD超声检测方法代替射线检测，对焊缝进行探伤。TOFD技术是利用超声波衍射的时差反应来对焊缝进行扫描，从而对焊缝中的缺陷进行定位。

3） 焊接技术 设备的大型化也使得设备壁厚增大，目前的解决方法是采用双丝进行双行窄间隙焊接。

气化炉结构设计及制造工艺

5

2 德士古气化炉主要部件的设计

2.1 气化炉结构特点与技术特性

气化炉由喷嘴、球形封头、燃烧室、激冷室、Y形锻件、下锥体、大法兰等组成。 本次研究的气化炉技术参数为：设计压力5.56MPa,操作压力为4MPa，

上球形封头的锻件材料为SA387Gr11CL2，直径为3200mm；燃烧室的筒体锻件为SA387Gr11CL2，直径为3200mm,操作温度为1400℃左右，设计温度455℃；激冷室筒体采用轧制复合钢板SA387Gr11CL2+316L，堆焊总厚度为6mm,直径3188mm,操作温度约260℃，设计温度为455℃。工作介质高温煤气、煤气、熔渣、黑水等，属Ⅲ类压力容器。水压试验压力为7.57MPa。

因为气化炉的内件结构较为复杂，所以本次结构设计以主要部件作为研究对象，分别有：上球形封头，燃烧室筒体，激冷室筒体和下锥体封头以及其他比较重要的部件。

2.2 主要部件的设计计算

2.2.1 燃烧室筒体壁厚的计算与校核 1）高压容器的筒体壁厚计算公式为5：



pDi(2-1)t2p

——筒体的壁厚，mm； P——设计压力，MPa；

Di——燃烧室筒体的内径，mm；

——焊接接头系数；

t——设计温度下材料的许用应力，MPa;

SA387Gr11CL2的机械性能为：

常温 s=310MPa b=515MPa

tt=455℃ st=230MPa b=373MPa

已知燃烧室筒体的直径为3200mm,设计压力为5.56MPa；双面对接焊缝100%无损探伤，

=1。

t取以下数值较小者：

sns310230193.75MPa b143.75MPa 1.6nb1.6sttb230373143.75MPa 124.33MPa ns1.6nb3 陕西科技大学毕业设计说明书

6

取t124.33MPa. 于是 5.56320073.19(mm)

2124.3315.56圆整后取筒体厚度为75mm，则筒体的直径比为K2）内压与温差同时作用时的强度校核5

De33501.05。 Di3200 气化炉壳体外壁设有壁温检测系统，当反应室内的温度通过伸入到耐火材料内的热电偶来测量，当反应室温度外壁温度达到345℃～380℃时高温报警，所以，取壳体的内壁温度为290℃。

因合成气中含有少量H2S气体，为防止湿H2S腐蚀，气化炉外壁温度不应低于225℃，以避免内壁结露造成露点腐蚀，所以取壳体的外壁温度为240℃。

T29024050℃

内壁壁温高于外壁壁温时，校核外壁的叠加应力：当加热的情况，两种应力的叠加，外壁应力恶化，此时应校核外壁的叠加应力，即：

T ()rR0(1)rR00 (2-2) 2t其中， 1rR0温差应力的工程近似计算:

()rR0TPK15.56(1.051)113.98(MPa) (2-3)

2K12(1.051)Et1lnKrKr2121P2tlnKK21 (2-4) 21lnKK1r12EE其中，其值接近1，，令，则m值见下表，由此PtmtlnKK212121r温差应力的近似计算方法为：

TT zmt

(2-5)

表2-1 材料的m值

材料 m

高碳钢 1.5

低碳钢 1.6

低合金钢 1.7

Cr-Co钢，Mo钢，Cr-Ni钢

1.8

铬钼钢为低合金钢，所以m=1.7。

T()rR0mT1.75085(MPa)

T()rR0(1)rR002124.33248.66(MPa) 113.9885198.982t所以计算所得的壁厚满足强度要求。 2.2.2 激冷室筒体的设计

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激冷室腐蚀比较严重，所以采用复合钢板，筒体过渡层堆焊厚度为3mm，复层堆焊厚度为3mm,总堆焊厚度为6mm，激冷室筒体的内径为3188mm,激冷室筒体壁厚的计算和燃烧室一样，考虑堆焊层总厚度，所以筒体的厚度取为（75+6）mm。 2.2.3 上球形封头的设计

球形封头壁厚计算方法：

tpDi (2-6) t4p 已知球形封头的壁厚为3200mm，双面对接焊缝100%无损探伤，=1；t124.33MPa。所以有：

t取球封壁厚t=60mm。

球形封头的中心开孔采用整体锻件补强，其补强结构如图2-1所示，它的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数最小，且与壳体采用对接焊缝，使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。整体锻件补强一般用于有严格要求的重要设备。比如：高强度（b0MPa）钢和铬钼钢制造的容器等。

5.56320036.18(mm)

4124.3315.56

图2-1 球形封头的补强结构

2.2.4 下锥体封头的设计 锥形封头壁厚计算公式为：

cPcDc1 (2-7) tcos2Pc——锥体半顶角，℃；

锥体半顶角为30℃，其计算内径为3200mm。 c5.563200184.51(mm)

2124.335.56cos30 陕西科技大学毕业设计说明书

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圆整后取其厚度为85mm。 2.2.5 密封结构设计

高压容器的密封部件是高压设备中除筒体外的另一个重要部件。

高压设备的密封原理与中压和低压设备的密封原理基本相似，防止流体在密封口处泄露的基本途径是在密封面处增加流体流动的阻力。当压力介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压力差时，介质就能够被密封住5。

此次研究的是与燃烧器相连的凸缘法兰的密封装置——八角垫，其结构如图2-2所示。 八角垫属于径向自紧密封，它的压紧面是梯形槽内外锥面（主要是外锥面）与垫圈接触而形成密封，这种压紧面一般与槽的中心轴线成23℃夹角。密封垫圈材料可用纯铁、低碳钢、Cr5Mo、0Cr13等。

图2-2 八角垫垫圈和槽

2.2.6 人孔补强结构设计 （1）人孔接管壁厚计算

可以将人孔接管看作是单层厚壁的圆筒，单层厚壁的圆筒的算法如下6，即在计算压力不超过0.4[σ]t时，按公式：



式中， ——计算厚度，mm；

pDit2p

(2-8)

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图2-3 人孔接管

P——计算压力，p=5.56MPa；

——焊接接头系数,一般情况下焊接接头系数取=1.0；

Di——筒体内径，Di600mm；

t——许用应力（组合许用应力），接管锻件SA 182F11,CL2在0~455℃范围内的许用应力值

为120MPa。

所以： 5 .56  600

14.23(mm)

212015.56

（2）补强结构的设计

为了使容器能够进行正常的操作并满足容器制造、安装、检验、维修等要求，在容器壳体和封头上不可避免的需要开孔。

压力容器上的开孔接管对容器所产生的影响主要有以下三个方面：首先是因开孔造成了承载材料的削弱；其次是由于开孔而造成孔边缘局部应力集中；第三是接管和壳体的连接构成了不连续结构，从而在接管的一定长度范围内和壳体的孔边附近引起附加的边缘力。

因此，在开孔接管部位某些局部区域的应力将大大超过容器在正常设计状态下的应力水平，因而在静载荷下可能引起过大的变形或破坏，或在交变载荷下可能逐步萌生疲劳裂纹直至破坏。所以，压力容器设计中心开孔及其补强设计就显得非常重要。

压力容开孔补强的计算方法有很多种，如等面积法、压力面积法、开孔补强等，下面以国际工程设计中最常使用的方法，且为我国国家标准GB 150所采用的等面积补强法进行介绍7。

表2-2 适合开孔的范围

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项目 在壳体上允许的最大开孔直径d 内径D≦1500mm 内径D>1500mm d≦1/3D且d≦1000mm 筒体

D——壳体内直径，mm；

锥壳（锥形封头）凸缘封头或球壳 d≦1/2D且d≦500mm 1 ddi2d≦1/3D(D为开孔中心处的锥壳内直径） 在椭圆形或蝶形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面 d——开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，mm；

激冷室筒体直径为3200mm>1500mm，开孔直径d=601.6mm1/3D=1066.7mm，所以该人孔需要补强。

（3）内压激冷室壳体开孔所需补强面积

壳体开孔后，在开孔边缘产生局部高应力。根据局部应力的分布衰减规律，在距开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。为有效发挥补强材料的强度，补强材料应设置在开孔附近的高应力区域，及有效补强范围内。

有效补强范围包括开孔壳体和接管两个部分。

a)开孔壳体上的有效补强范围，是以受拉伸开孔大平板孔边应力的衰减范围进行考虑的，即补强范围取2倍的开孔直径。

b)接管上的有效补强范围，是以端部受均匀分布载荷的圆柱壳的环向薄膜应力的衰减范围进行考虑的，补强范围取(dnt)1/2（d为开孔直径；nt为接管名义厚度）。 （4）补强计算

内压容器开孔后所需的补强面积，按下式计算：

Ad2et(1fr)

式中，

(2-9)

d——开孔直径，取厚度负偏差为0.3mm，则有d=600+0.82=601.6mm；

fr——强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，查得，接管锻件SA 182F11CL2在0~455℃范围内的许用应力值为120MPa，前面已经计算过SA387Cr11CL2在0~455℃范围的许用应力，为124.33MPa。两者的比值近似为1。所以fr1。 ——壳体开孔处的计算厚度，72.91mm；

et——接管有效厚度，etntC200.819.2(mm)；

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nt——接管名义厚度，nt20(mm)； C——厚度附加量，mm。

钢板的负偏差取为C10.8mm，该接管和筒体的内壁都堆焊6mm的不锈钢耐蚀层，所以取腐蚀余量为C2=0mm。

所以厚度附加量：CC1C20.800.8mm

A601.672.91272.9119.2(11)43862.656(mm2)

有效补强面积：

壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）按下式计算：

AeA1A2A3 (2-10) A1(Bd)(e)2et(e)(1fr) (2-11) 式中，

Ae——补强面积,mm2；

A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2； A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2； A3——焊缝金属截面积，mm2；

A22h1(ett)fr2h2(etC2)fr

(2-12)

B——有效补强厚度,

Bmax2d,d2n2ntmax1203.2,990.61203.2(mm);

n——壳体开孔处的名义厚度，n75mm；

e——壳体有效厚度，enC750.874.2mm;

h1——接管外侧有效补强高度，mm；

h1mindnt,接管实际外伸高度；接管的外伸高度为600mm， dnt601.6120268.46mm，所以h1268.46mm。

h2——接管内侧有效补强高度，mm；

h2mindnt,接管实际内伸高度；接管的内伸高度为0,所以h2=0。

t——接管计算厚度，t14.23mm；

C2——腐蚀余量，此处为0mm。

所以，

A1(1203.2601.6)(74.272.91)219.2(74.272.91)(11)776.0mm2A22268.46(19.714.23)120(19.70)12936.9524mm2

A3为额外增加的补强金属，取为0mm2。

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12

AeA1A2A3776.02936.952403713.01mm2

因为Ae3713.01A43862.656(mm2)时，所以该人孔需要补强，可以通过增加接管

壁厚来使得结构的强度满足要求。

可以利用公式A22h1(ett)fr2h2(etC2)fr来求的接管所需的最小厚度。

A2AeA1A3

50 mm et则接管的名义厚度：

neC500.851mm

2.2.7 支座结构设计

立式圆筒形容器的支撑可分为耳式支座、支承式支座、支腿式支座、裙式支座等。操作温度较高时，为了避免产生温差应力，一般应设置特制的滑动支撑板，其结构如图2-4所示。气化炉制作采用耳式支座，所以以下针对耳式支座的两种结构进行讨论。 1）不带整体加强环耳式支座

一般容器采用4个耳式支座均布。对于大直径且重量较重的容器，可以适当增加耳式支座的数量。

2）整体加强环耳式支座

由于耳式支座处圆筒内局部应力较高，所以本设计采用整体加强环耳式支座，带整体加强

环耳式支座可设置2个、3个、4个、6个、8个支撑点，沿环周向均布8。其结构见图2-5所示。

图2-4 立式容器滑动支撑板结构 图2-5 带加强环耳式支座容器

考虑气化炉设备较为庞大，且其操作温度高，所以采用4个带整体加强环耳式支座支撑设备，并在支座下方设置特别的滑动支撑版，避免温差应力。

气化炉结构设计及制造工艺

13

3 气化炉的制造工艺研究

3.1 制造规范及要求

3.1.1 制造规范

制造规范为GB 150-1998《钢制压力容器》；HG 20584-1998《钢制化工压力容器制造技术要求》。 3.1.2 技术要求

（1）用作壳板的钢板、锻件和焊接材料到达锻件制造厂后需要对材料的化学检验及复验化学成分按ASMESA20进行。逐张检验钢板表面质量和材料标志，锻件JB4726-2000的Ⅲ级锻件要求订购，锻件应有符合JB4726-2000中8.3条内容齐全的质量合格书，且符合技术条件及附件二技术条件中《SA387Gr11CL2及SA 182 F11，CL2压力容器锻件材料说明书》的要求，钢板和锻件还必须按模拟焊后热处理累积最长时间做常温和设计温度下的力学性能复验。焊接材料对焊接试样的焊缝金属做化学成分分析,对试样做射线照相试验、拉伸试验、冲压试验和扩散氢试验。 （2）必须做A类焊缝产品试板，包括锥形封头堆焊，Gr-Mo钢由堆焊筒体处各做产品焊接试板，且随部件同炉热处理，试样按JB4744-2000进行包括拉伸（常温和高温）、弯曲和冲击试验的试样制备和试验。

（3）设备焊接前预热温度推荐200℃，焊缝消氢（DHT）300℃～350℃，且保温≧2～4h。考虑设备制造周期较长，筒节完成A、B类焊缝焊接后增加中消除应力热处理（ISR），温度控制在620℃～650℃。

（4）筒体和封头在热成型过程中，若破坏了钢板和锻件热处理供货状态，必须进行恢复机械性能热处理，且不允许焊缝熔敷金属参与急速冷却。

3.2 主要部件的制造工艺流程

本设计针对上球形封头、下锥体封头、激冷室和燃烧室筒体等主要部件的制造工艺进行详细的介绍。

3.2.1 主要部件成型前的通用工艺流程

表3-1 各部件成型前的通用工艺流程

序号

工作内容

要求、加工方法、加工设备或工具

1 原材料入库

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14

续表3-1

序号

工作内容

要求、加工方法、加工设备或工具

外观检验、几何尺寸检验、理化检验和钢板的超声波探伤，有时可委托钢厂进

2

原材料复验

行，其中超声波探伤结果ZBJ74003-88《压力容器用钢板超声波探伤》规定的质量分级，应不低于Ⅲ级。

3 4

划线及标记 下 料

钢印标记、板材矫平、划线、钢印移植

对于直边用剪切；曲线边用气割；对于不锈钢和有色金属，气割用等离子弧；对于特厚板材，若剪切困难则用气割。

用气割或等离子弧开V型、X型坡口，并用砂轮打磨；

5

边缘加工

用机加工方法进行边缘加工或开坡口，其中牛头刨和龙门刨进行直线加工, 用立车或大型普通车床进行圆弧轮廓加工；用刨边机刨边和开坡口；

3.2.2 上球形封头的成型

球形封头的结构具有良好的加工工艺，以及较高的承载能力、受力均匀，经常用于高压容器中，且壁厚较其他封头小,成本低。球封采用的材料为低合金耐热钢SA387Gr11CL2，封头规格为SR1600mm，壁厚为60mm。

为保证封头组件端部平行度及同轴度，要求顶部法兰凸缘内孔及上端面预留二次加工余量，待封头组件中间热处理再二次加工（包括密封槽等）。 （1）冷热冲压条件

按冲压前毛坯是否需要预先加热分为冷冲压和热冲压，其选择的主要依据如下： a)材料的性能 对于常温下塑性较好的材料，可采用冷冲压；对于热塑性较好的材料，可以采用热冲压。

b)根据毛坯的厚度δ与毛坯直径Do之比即相对厚度δ/Do来选择冷热冲压。（具体见表3-1）

表3-1 封头冷、热冲压与相对厚度的关系9

冲压状态

冷冲压 热冲压

碳素钢、低合金钢

合金钢、不锈钢

Do×100<0.5

Do×100<0.7

Do×100≥0.5

Do×100≥0.7

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15

上球形封头材料为SA387Gr11CL2，为低合金钢。球形封头的毛坯厚度是68mm，毛坯直径4600mm。

/Do1000.01481001.480.5所以，该球形封头采用整体热冲压。 （2）上球形封头坯料厚度

通常在封头曲率大的部位，由于经向拉应力和变形占优势，所以壁厚较薄较大。查资料得Gr-Mo钢材料的球形封头成型温度在950～1100℃之间，脱胎温度在750～800℃之间，其工艺减薄量一般在12%~14%之间，而直边和靠近曲率较小的部件，由于切向应力和变形占优势，所以壁厚增加，而且越接近边缘，增加壁厚越大10。取球形封头热冲压的减薄量可达12%，所以坯料厚度为68mm。其结构如图3-1所示。

图3-1 球形封头

对于厚壁封头，由于所需的冲压力较大，同时因毛坯较厚部分不易压缩变形，尤其是对球形封头，在成型过程中边缘厚度急剧增厚，因而导致底部材料严重拉薄。通常在压制这种封头时，也可预先把封头坯料车成斜面，再进行冲压。如图3-2所示：

图3-2 厚壁球形封头的冲压

（2）封头的号料

根据面积法展开封头，此时11：

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16

12 π/4Do=πd2+πd(h+)

2

Do2d24d(h) (3-1)

式中 ——球形封头边缘的机械加工余量，mm； 此外，也可按近似公式计算：

Do1.43d2h (3-2)

Do1.43d2h1.433216204598.88mm

取Do=4600mm。

划线时考虑以后加工过程的加工余量、切割余量、边缘加工余量、焊缝收缩量等。所以取封头坯料划线尺寸为4630mm，划线完成后，为保证加工尺寸精度以及防止下料尺寸模糊不清等，在切割线、刨边线、开孔中心线及装配中心线等处均匀打上孔眼，用油漆标明标号、产品工号和材料标记移植等，以指导切割，成型，组焊等后续工序的进行。 注意，气割下料预热≧150℃，避免出现淬硬组织及裂纹。 （3）坯料的拼接

采取整体热冲压时，坯料直径较大，难以加工成型，所以采用两张板拼焊后整体热冲压成型。坡口加工使用龙门刨，按焊接工艺加工拼接焊缝坡口。焊后及时消氢处理，300~350℃/2h，100%MT，Ⅰ级合格。封头内表面焊缝修磨与母材平齐，外表面修磨圆滑，必要时还应做表面检测。拼接焊缝的位置应满足有关标准的要求。即焊缝距封头中心不得大于1/4公称直径，公称直径可预先经100%无损检测合格。这可避免在冲压过程中坯料从焊缝缺陷处撕裂的可能。 （4）板坯加热和热处理：

图3-3 热处理示意图

该材料的最佳热冲压温度为920～950℃,温度低于920℃要停止冲压，否则容易引起材料的脆化。热冲压后，封头进行正火+回火处理，焊接试板、母材试板同炉热处理。 检查内容是： 测厚60mm；

拼接焊缝：100%RT，JB/4730-2005 Ⅱ级；100%UT,JB/T4730-2005 Ⅰ级；封头外表面及焊缝100%MT,JB/T4730-2005 Ⅰ级；

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母材试板检查（化学成分和力学性能检验）；

焊接试板检查（保留一半，待整体热处理后再检查），按JB4744-2000进行常温拉伸试验、高温拉伸试验、冷弯试验、热影响区的硬度值HB≧240。

对于有缺陷的位置要进行修复，修复完成后再进行X-射线检测。

表3-2 上球形封头制造工序

序号

工序名称

工序说明

1 2 3

准备 车 刨

原材料检验、打砂净化、超声波探伤、标志移植、气割下料、刨削拼板接缝直边

预组合并在大型立车上夹紧，车削外圆边缘坡度；

刨床上精加工拼接焊缝坡口；

坡口表面100%MT，JB/T4730.4中Ⅰ级合格；

组对时在特制的装有预热装置的场地上进行。预热温度≥200℃→检验，包括焊缝的PT、X

4 组对拼接

光射线探伤以及焊缝及热影响区的硬度试验）； 打磨焊缝与母材齐平。

5 热冲压

测定成形后球壳各部位实测厚度→焊缝及热影响区内外表面MT

6 检测、加工 正火+回火（带焊接试板），试板机械性能试验、 精加工环向端面

7 车 在立车上加工中心孔与法兰锻件的焊接坡口，检验坡口合格

8 9 10

组对、焊接 加工 组对

与法兰锻件组对→焊条点焊固定（预热）→预热（≥200℃）焊接，焊接 加工环向焊接坡口。 上封头与筒体组对焊接

3.2.3 激冷室筒体的成型 （1）复合钢板的选材要求

压力容器设计选用复合钢板时要考虑复层材料的牌号和热处理状态，复层的厚度，贴合质量的级别等技术问题，也要综合考虑容器制造、检验技术以及经济性。中国不锈钢-钢复合板标准中规定复层厚度为0.5mm~14mm。复合钢板的最高许用技术温度是压力容器用复合钢板的重要参数。ASME中对复合钢板容器规定，当只按基层厚度进行强度计算时，最高设计温度上限

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按基层材料。

复合钢板压力容器较相同价格的不锈钢板压力容器价格便宜，在满足使用要求的情况下，用户常用前者。 （2）下料

激冷室筒体采用SA387Gr11CL2+316L轧制复合钢板，其直径为3188mm，筒体壁厚为（75+6）mm，激冷室筒体的展开尺寸计算：

图3-4 激冷室筒体展开示意图

已知激冷室筒体的总高度为8795mm。

筒体展开长度：l=π(Dg+)=π(3188+81)=10269.87mm 取展开长度l=10270mm； 筒体展开宽度：H=B=8795mm。

A划A展割加收-伸-间A展——展开尺寸，mm；

A划——切割下料线尺寸，mm；

割——切割余量，与切割方法有关，一般为2~3mm，取3mm；

表3-3 边缘加工余量

不加工

厚度≦25

0

3

5

机加工

厚度>25

>25 要去除热影响区

加——边缘加工余量，与加工方法有关，厚度大于25mm时，取为5mm;

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表3-4 焊缝横向收缩量近似值（电弧焊)

接头形式 3~4 4~8 8~12 板厚/mm 12~16 焊缝收缩量/mm V形坡口对接接头 X形坡口对接接头 单面坡口十字接头 单面坡口角焊缝 无坡口单面角焊缝 双面断续角焊缝 0.4 0.7~1.3 — 1.5~1.6 1.3~1.4 — 1.6~1.8 0.8 0.9 0.3 1.4~1.8 — 1.8~2.1 1.8~2.1 1.6~1.9 2.1~2.5 0.7 0.8 0.2 2.1~2.6 1.9~2.4 2.5~3.0 0.6 0.7 — 2.6~3.1 2.4~2.8 3.0~3.5 0.4 0.4 — — 2.8~3.2 3.5~4.0 — — — 16~20 20~24 24~30 表3-5 焊缝纵向收缩量近似值

焊缝形式 对接焊缝 连接角焊缝 断续角焊缝

焊缝收缩量/mm/m

0.15~0.30 0.20~0.40 0~0.10

由上表可取焊缝横向收缩量为7.8mm；纵向收缩量为0.3mm。

伸——卷制伸长量，钢板冷卷伸长量较小，通常忽略，约为7~8mm，取8mm。

间——焊缝坡口间隙，主要由坡口形式、焊接工艺、焊接方法等因素来确定。取为2mm。

A划10270257.8-8-310272.8(mm)

取A划=10273mm。

考虑预弯时的压头量（300mm），所以取长度方向的切割尺寸10273+300=10573mm，圆整为10580mm。

确定尺寸下划线后，就可以下料了。不锈钢复合板可以用机械切割、气割、等离子弧切割等方法，无论采用哪种方法，首先必须保护复层材料在该工序中不至于破坏。所有复合钢板都可以气割或等离子切割，但此时应将复层放在下面，主要是防止放在上面的复层材料因气割或或等离子切割时尽可能发生的偏吹、偏烧而遭到破坏。

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图3-5 激冷室筒体排板图

（3）卷圆

下料完成后即可以用三辊卷板机进行冷卷卷圆，复合板弯曲，卷圆或深拉加工，复合钢板为正火+回火状态供货，不允许热成型，又由于奥氏体的敏化温度范围450℃~850℃，为防止厚板卷制脆性，采用预热至150℃~200℃后冷卷成型。

卷圆时，环缝的基层坡口可先不加工，待组焊成筒体后再用边缘车床加工，这样既保证了环缝坡口的对接尺寸，又满足了复层焊接的要求12。同时，还应严格控制错边量，一般错边量不能大于金属厚度的一半，否则就会出现复层金属与基层金属短接的现象，起不到耐腐蚀的效果。 （4）组装

卷圆完成纵向焊接后的筒节需要校圆，要在最后组装前进行矫正，尽量用压力或压辊进行。此时注意不得损坏复层材料。达到要求后加工焊接坡口，再与其它筒节或者封头进行对接组装，组装时进行环焊缝的对接焊接。对接焊缝装配时的错边量，比单层钢板的要求更严，许多产品要求其错边量小于或等于1mm，主要是为了防止复层材料的连贯性。 （5）其他

a)在检验、运输及各种制造作业过程中，都要防止复层材料表面划伤、污染；不得利用针等锐器划线，不得用墨汁，油漆标注等，必要时应设置保护层。

b)尽可能减少热加工及热处理的工序及加热时间，以免降低复合处的连接强度，防止复层与基层分离以及防止降低复层的抗腐蚀性能。卷板、校圆、冲压、弯曲等最好在冷态下进行，应尽量减少进炉加热及焊后热处理的次数、时间等。由于复合钢板两种金属的热膨胀系数不一样，热处理过程中残余应力有可能增大，所以，一般不进行消除应力处理。

c)除按图样规定对复合钢板焊缝进行射线检测或超声波检测外，对所有复层焊缝也应做渗透

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21

检测，以检验焊缝表面有无裂纹。

d)带不锈钢衬里碳钢接管的端面应有（41）mm的堆焊层，不锈钢接管也应伸入容器内壁（41）mm。

e)设备制造完毕，有防腐蚀要求的复层表面应进行酸洗钝化处理13。

表3-6 激冷室筒造工序

序号 1 2 3 4

工序名称 准备 加工坡口、检测

滚圆 纵向接头基层焊接

工序说明

原材料复验、超声波探伤、标志移植、气割下料、预弯、气割筒节直边段

切割纵向焊接坡口，打磨，坡口表面100%MT无损检测

采用三辊卷板机冷卷筒节，卷前预热

采用SMAW+SAW焊接，焊前预热，焊后消氢+热处理

纵向接头基层焊接：100%MT检测，符合JB4730-94中的Ⅱ级要求；内外表面

100%MT检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求

纵向接头过渡层采用MOW方式堆焊309L；表面进行100%PT检测，符合

JB4730-94中的Ⅰ级要求

5 检测

纵向接头过渡层堆焊、

检测

6

7 8 9

纵向接头耐蚀层堆焊、采用MOW堆焊316L，将表面沿圆弧打磨光滑；表面进行100%PT检测，符合

检测 校圆 纵向接头无损检测

JB4730-94中的Ⅰ级要求

筒节同一端面上的最大直径和最小直径差值e≦5mm

20% UT检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求；外表面100%PT检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求；内表面100%PT检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求

采用刨边机加工环向接头坡口；表面100%MT检测

环向接头与纵向接头焊接方式与检测方法相同，组对时采用筒节组对工装保证筒

节的直线度与同轴度 20℃/h 消除应力热处理620±

20%UT，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求

采用镗床加工筒节上所有接管与筒节的焊接坡口，坡口表面100%MT检测

对筒体内部酸洗和钝化处理，以提高耐腐蚀能力

10 11 12 13 14 15

加工环向坡口、检测

筒节组对 热处理 纵、环向接头检测 镗孔、检测 净化处理

3.2.4 燃烧室筒体的成型

燃烧器筒体的内径为3200mm，壁厚为75mm，总高度为4900mm。其主要制造工序分析说明：

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（1）下料

燃烧室筒体展开尺寸计算：

图3-6 燃烧室筒体展开示意图

lπDmπ(Dg)=π(320075)10288.716102(mm)

h  H  4900 (mm)

2lh10249005.04107(mm)

此时需要注意的是根据现有钢板的宽度（B），来求需要的筒节数量。同时，注意高压筒节

h1>600mm。筒体内径大于1800mm时，纵向拼接焊缝不多于3条。

下料线尺寸计算：

A划A展割加收-伸-间A展——展开尺寸，mm；

A划——切割下料线尺寸，mm；

割——切割余量，与切割方法有关，一般为2~3mm，取3mm； 加——边缘加工余量，与加工方法有关，厚度大于25mm时，取为5mm;

收——焊缝收缩量，与材料、焊接长度等有关，取为8.4mm；

伸——卷制伸长量，钢板温卷伸长量为14mm；

间——焊缝坡口间隙，主要由坡口形式、焊接工艺、焊接方法等因素来确定。取为2mm。

A14.4 划  102   8 .4  2  5  3  102 (mm)

采用三辊卷板机中温卷制Gr-Mo钢时，其工艺减薄量为：4.3%S=4.3%75=3.225mm,所以取其坯料厚度为79mm。考虑布管位置及板幅宽度要求，筒体分两节下料，每节轴向留20mm环向坡口加工余量，周向按切割下料线+300mm压头量气割下料，为保证筒体直线度，下料时控制对角线之差≦1mm。

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23

图3-7 燃烧室筒体排板图

（3）油压

根据卷板机规格书中提供的技术要求，该厚度直边段长度约为2倍的壁厚，将不可避免地造成不必要的原材料浪费，所以在筒节卷圆前，先进行中温压头，受加热炉规格为104.54.5m长度的，钢板两端需要预弯较长一段时间，使钢板预弯后总长小于10m。压头时筒节应放正，在三辊卷板机侧面设置两挡板，两挡板在同一直线上，且与卷板机滚筒中心线垂直，以钢板的侧面为基准，实行侧面找正。圆弧处用样板严格检查压头质量。 （4）卷圆

采用三辊卷板机温卷筒节，为了控制终温即保证卷制的安全，可以提高钢板温卷的出炉温度，控制在66015℃出炉。焊缝组对时，应检查错边量不大于2mm。检验合格后施焊。 3.2.5 下锥体封头的成型

下锥体的结构如图所示，基层材料与球形封头相同，在下锥体的内壁厚度为85mm。考虑热压减薄量，基体毛坯厚度选用88mm厚钢板。下锥体采用先分瓣压制，后拼接成型的方法制造，然后为了防止腐蚀，在其内表面堆焊3mm的高含镍量的不锈钢过渡层309L，和3mm的不锈钢耐蚀层316L。此次，下锥体封头分三瓣片冲压。 其主要制作工序有： （1）下料

锥形封头的展开尺寸计算：

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图3-8 锥体封头展开示意图

展开后的锥体图形为扇形，需要求的几何参数为展开后的圆心角，锥形封头小端半径r和大端半径R。

r360osin360osin30o180o l2360oRlDm/2Dm3200mm osin30rdm1982mm

（2）热压型

在压力机上胎具压型，并用径向弧向样板检查。其热压型的加热情况同上球形封头压型的加热。加热曲线见图3-3所示。 （3）拼缝坡口加工及焊接

压型合格后，两直边进行二次精确加工并加工拼接焊缝坡口。上下直口待机加工。

组对时，把准备好的三块瓣片在胎具上放置到位，在锥体专用装配平台上组装，装配过程中，先加工其中2个瓦片的拼接坡口并拼装固定，用固定夹焊在两块瓣片间固定尺寸，剩余一片试装调整合格后加工余量和坡口，再与其余两片装焊固定。

组对好后，进行焊接。焊接完成后再拆除固定夹。 （4）校圆

组焊后在卷板机上校圆，校圆温度150~200℃。

表3-7 下锥体封头制造工序

序号 1 2

工序名称 准备 油压

工序说明

原材料复验、超声波探伤、标志移植、气割下料

高温压型，用样板检查压型质量

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25

续表3-7

序号 3 4

工序名称 热处理 拼缝坡口加工、检

测 焊接、检测 热处理 纵向接头无损检测

表面清理 过渡层堆焊 检测 耐蚀层堆焊

工序说明

按线切割拼接接头坡口，坡口为X形坡口；坡口表面100%MT检测 SMAW焊接纵向接头，100%RT检测，焊前预热，焊后消氢、热处理；符合JB4730-94

中的Ⅱ级要求

20℃/h 中间消除应力热处理620±

20%UT检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求；表面100%MT检测，符合JB4730-94

中的Ⅱ级要求

锥体内表面喷砂除锈，喷砂等级按GB23-88中Sa2级合格 采用同心圆焊道带极埋弧焊堆焊309L，保证堆焊厚度≧3mm

堆焊表面进行100%PT堆焊表面进行100%UT检测，符合JB4730-94中9.2.6.1要求；

检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求

采用同心圆焊道带极埋弧焊堆焊316L，保证堆焊厚度≧3mm

堆焊表面进行100%UT检测，符合JB4730-94中的9.2.6要求；堆焊表面进行100PT

检测，符合JB4730-94中的Ⅰ级要求 采用立式车床加工小端接头坡口 坡口表面进行100%MT检测

酸洗、钝化

5 6 7 8 9 10 11

12 13 14 15

检测 车 检测 净化处理

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26

4 气化炉制造中的焊接技术研究

对于高压压力容器，焊接接头的质量直接关系到容器的安全运行，所以在压力容器制造中最关键的焊接质量的好坏。焊接接头中的各种缺陷和性能的变化都可能导致压力容器的提前失效，甚至是整台容器的破裂造成灾难性的后果。国家技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》，GB 150—1998《钢制压力容器》标准和机械工业行业标准JB/T 4709—2000《钢制压力容器焊接规程》都对压力容器焊接接头的质量要求、质量控制程序、检查方法和合格标准等做出了详尽的规定。所有压力容器制造企业必须严格贯彻14。

4.1 SA387Gr11CL2耐热钢焊接性的分析

这类钢加热后在空气中冷却，具有明显的淬硬倾向，钢中的含碳量和含铬量越多，淬硬倾向越大。还有这类钢焊后，在经受再一次加热的过程中（如焊后热处理以及在高温条件下运转），会在焊接接头的热影响区产生开裂。为了防止这类钢焊接时淬硬脆化导致产生冷裂纹，以及焊后产生热裂纹，焊接时应注意以下几点15：

（1）为了防止冷裂纹的产生，需要采取预热、控制层间温度和后热工艺（及消氢处理）等措施。对于厚板材，焊前预热、焊后消氢及热处理是防止冷裂纹的重要措施。所以在施焊前将坡口两侧均匀预热至200℃左右，而且要保持焊道层间温度在200℃～250℃之间（层间温度是指厚壁接头多层焊接时，焊接区应保持的温度）。环、纵缝的焊接方法是：首先用手工焊打底焊两道，然后用埋弧焊焊接里口，在整个焊接过程中，应至始至终保持工件温度不低于200℃，如因特殊原因必须中断焊接过程，则工件必须保温进行消氢热处理。

“后热”，在焊件施焊后应采取后热措施，即施焊后焊缝尚未冷却至室温时，立刻对焊缝或焊件进行加热，加热温度为预热温度的上限，一般为200~350℃，加热范围和预热范围相同，保温时间与焊缝厚度有关，一般为2~6h且不少于0.5h。它能促进焊缝及热影响区中氢扩散逸出，凡有消氢处理的要求，都应在焊后立即进行。对于厚壁铬钼钢，当焊件尚未完工而须中断施焊时（如定位焊、多层焊），进行“后热”也可防止冷裂纹的出现。

一般在500℃～700℃温度范围内，会产生再热裂纹。主要取决于铬、钼等元素的含量及特性，同时也与热处理规范、热输入情况、预热温度和层间温度有关。所以在焊接时，尽量采用高温塑性优于母材的焊接材料，或将预热或层间温度控制在200℃～250℃范围内。

（2）铬钼钢及其焊接接头在350℃～500℃温度区间长期运行过程中发生剧烈脆变现象。一般经验认为，钢的回火脆性与钢中的杂质含量有密切的关系。

4.2 耐热型低合金钢焊接的要求

耐热型低合金钢的焊接应具备下列性能：

a)焊条的强度和塑形与被焊母材基本相等，包括常温、高温、持久强度和蠕变强度；

气化炉结构设计及制造工艺

27

b)焊条与被焊母材的耐蚀性能，焊接接头的抗高温氧化、高温氢腐蚀和抗其它化学介质的腐蚀性，应与被焊母材持平；

c)在高温下焊接接头的金相组织稳定，在高温下运转时，不允许焊接接头的金相组织变化而导致降低其强度或变脆而失效。

4.3 主要结构的焊接工艺分析

根据GB-150《钢制压力容器》规定，压力容器进行焊缝施工前应进行焊接工艺评定。焊接工艺评定，应按JB/T4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》强制性标准进行。 主要部件的焊接工艺：

本次焊接工艺的研究，主要以几个具有代表性的对象进行分析说明。 4.3.1 上球形封头环向坡口焊接

表4-1 上球形封头焊接工艺

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

焊接过程 清理坡口及坡口检查 预热、组对、点焊 外口SMAW封底+SAW焊满 里口碳弧气刨清根、打磨 里口SMAW焊满 消氢处理300～350℃/2h

焊缝表面平滑过渡，焊缝余高 0～0.5mm

随整体热处理

测硬度（母材、焊缝。热影响区各一组）

水压试验后

检验要求

100%MT JB/4730-2005 Ⅰ级

预热温度≧200℃ 目测、外观

100%MT JB/4730-2005 Ⅰ级

100%RT JB/T4730-2005 Ⅱ级；100%UT

JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%MT JB/4730-2005 Ⅰ级 100%UT JB/T4730-2005 Ⅰ级；100%MT

JB/T4730-2005 Ⅰ级

HV10≦240

100%MT JB/4730-2005 Ⅰ级

层次 焊接方法 焊接牌号 规格/mm 电流/A 电压/V

速度/(cm/min)

烘烤温度/℃

保温时间/h

SMAW CMA-96MB ∮4 160～180 22～25 350 2

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28

续表4-1

速度/(cm/min)

烘烤温度/℃ 350 350

层次 焊接方法 焊接牌号 规格/mm 电流/A 电压/V 保温时间/h

SAW

US-511N PF-200

∮5 ∮4

200～230 500～600

23～26 30～34

2 2

4.3.2 燃烧室筒体纵焊缝焊接

表4-2 筒体纵焊缝焊接工艺

焊接过程

1 2 3 4 5

清理坡口机坡口检查

组对、预热，预热温度≧200℃、点焊

外口SAW焊缝 里口清根、打磨 SAW焊满

检验要求

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级 外观

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

100%RT JB/T4730-2005 Ⅱ级 100%UT JB/T4730-2005 Ⅰ级；100%MT

JB/T4730-2005 Ⅰ级

速度/(cm/min)

烘烤温度/℃

20℃/2h 6 立即消氢处理300～350℃/h；或立即中间消应力600±7 8 9

焊缝内外打磨平，焊缝余高0～0.5mm

校圆

层次 焊接方法 焊材牌号 规格/mm 电流/mm 电压/v 保温时间/h

SMAW CMA-96MB SAW

US-511N PF-200

∮5 ∮4

200～230 500～600

23～26 30～34

350 350

2 2

4.3.3 激冷室（复合钢板）筒体纵焊缝焊接

气化炉结构设计及制造工艺

29

复合钢板的焊接主要包括坡口设计、焊接方法、施焊、热处理、检验和焊接工艺评定等过程。

（1）坡口设计

复合钢板的焊接接头主要有对接接头和角接接头2类，复合钢板的焊缝由基层焊缝、过渡层焊缝和复层焊缝三部分组成。

焊接坡口的选择，除了应考虑其填充金属尽量少外，还应考虑复合钢板的焊接特点，保证复合层的耐腐蚀性能。不锈钢复合钢板的坡口形式主要根据板厚、板材、焊材方法而确定，常用对接接头坡口形式，如下图。（为避免基层焊接时的热作用对不锈钢复层产生不利的影响，应将接头两侧的不锈钢复层开一定宽度的坡口。）

图4-1 复合板筒体纵焊缝示意图

焊接过渡层时，存在碳钢焊缝对不锈钢焊缝的稀释问题。由于稀释作用，降低了不锈钢焊缝中的铬镍含量，增加了不锈钢焊缝的含碳量，所以不锈钢焊缝中容易形成硬而脆的马氏体组织，从而降低了焊接接头的塑性和韧性。根据舍弗勒组织图和实践证明，过渡层的焊材必须采用高铬镍不锈钢焊材，才能在正常焊接参数下，得到双相组织的焊缝，避免了大量马氏体组织的产生，也从而避免产生冷裂纹。 （2）焊接方法与设备

基层的焊接，一般采用手工焊接、埋弧焊及二氧化碳气体保护焊。复层及过渡层的焊接，一般采用钨极氩弧焊和手工电弧焊。

基层焊接材料，按强度匹配即可，在焊接工艺评定的基础上，操作时应选用小直径焊条，采用小热输入、反极性、极速多道焊接，焊条不允许做横向摆动，这样可以避免基层金属对过渡层的稀释，减少马氏体组织的形成，防止产生裂纹。焊接复层时严禁采用埋弧自动焊，因为它有很大的熔深，会使过多的基层材料溶入焊缝，焊后易产生焊后冷裂纹，而且会对焊接接头的腐蚀性能产生影响。 （3）焊接顺序

不锈钢复合钢板焊接时，由于不能从复层侧施焊基层焊缝，不锈钢复合钢板的焊接顺序应该是先焊基层底焊缝，然后将基层焊缝填满；反过来用气刨铲焊根，清除熔渣、夹渣，用砂轮打磨，检查合格后再焊过渡层，最后焊复层。

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30

（4）复合钢板焊后热处理温度选择

（SH 3527-1992《石油化工不锈钢复合钢板焊接规程》）

表4-3 复合钢板焊后热处理温度选择 复层材料 铬系 奥氏体系（稳定化，低碳） 不锈钢 奥氏体系 奥氏体系 Cr-Mo钢 低碳钢 低合金钢 基层材料 温度/℃ 600～650℃ 600～650℃ <550℃ 620～680℃ 本设计中的复合板复层为316L奥氏体不锈钢，基层材料为铬钼钢，所以由上表可知，复合板焊后热处理温度为620~680℃之间。 （5）焊接不锈钢复合板时，还应注意以下问题: 1）下料最好采用等离子弧气割；

2）装配应以复层为基准，防止错边量过大而影响复层质量，点焊时尽可能放在基层面。 3）焊前对坡口两侧20~40mm范围内进行仔细清理。

4）基层焊前预热温度≧150℃，层间温度控制在300℃以内，韩后立即进行300～350℃消氢处理。过渡层因是异种钢焊接，经试验确定其预热温度≧120℃，层间温度不超过200℃。复层（耐蚀层）焊接不预热，层间温度不应低于150℃16。

5）焊接过渡层时应选用最小电流，焊过渡层时，必须盖满基层焊缝；且要高出基层与复层交界面约1mm，焊缝成型要光滑，不可凸起，否则用手砂轮打磨掉。实际焊接时，工人目测常常以过渡层焊缝高出交界面复层1/2厚度为准，加上在基层部分的厚度，过渡层总厚度大约2~6mm。

激冷室筒体的纵焊缝采用X坡口，其纵焊缝焊接工艺的关键是保证过渡层的焊接质量，焊接工艺见下表。

表4-4 筒体纵焊缝焊接工艺

焊接过程

1 2 3

清理坡口及坡口检查，并对不锈钢测涂保护涂料

组对、预热，预热温度≧200℃、点焊

里口焊条电弧焊打底焊；里口焊条电弧焊焊到离交界面1mm

外口清根、打磨

外口SAW焊满，预热温度≧200℃

检验要求

100MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

外观

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

4 5

气化炉结构设计及制造工艺

31

续表4-4

焊接过程

6

堆焊表面磨平及检查

检验要求

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级；100%UT JB/T4730-2005 Ⅰ级

测厚

100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级

7 预热温度≧100℃，SMAW堆焊过渡层≧2mm

8 9

20℃/2h 消应力600±

SMAW堆焊耐蚀层，总堆焊厚度≧5mm（与两边复层平齐）

10 校圆

保温时间/h 2 2 2 2 2

层次 焊接方法 焊材牌号 规格/mm 电流/A 电压/V 速度/(cm/min) 烘烤温度/℃

SMAW SAW

CMA-96MB

A042 A042 US-511N PF-200

∮4 ∮5 ∮4 ∮4 ∮4

160～180 23～24 230～250 24～26 120～140 23～24 120～140 23～24 500～600 30～34

350 350 200 200 350

校圆合格后，在大立车床上加工筒节两端环缝坡口，坡口表面进行100%MT。由于该环缝坡口是机械加工的，为窄间隙坡口。 4.3.4 筒体锻件的局部堆焊

筒体锻件上部与燃烧室筒体相接，下部与激冷室筒体相接，其锥形部分与内件相接。在堆焊前，为了防止冷裂纹的产生，采取预热等措施，通过查阅资料得出，在预热时，基层材料的预热温度大于150℃，层间温度控制在300℃以内，焊后立即进行300~350℃消氢处理。过渡层因是异种钢焊接，经试验确定其预热温度应大于200℃，层间温度不超过200℃。复层（耐蚀层）的焊接不需要预热，层间温度控制在150℃以下。筒体锻件在激冷室的内表面需要对接耐蚀层如图所示，其堆焊工艺见下表，锥体封头的堆焊工艺与此相同。

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图4-2 筒体锻件的局部堆焊示意图 表4-5 筒体锻件局部堆焊工艺

焊接过程

1 2 3 4 5 6

堆焊面检查 清理堆焊面，预热≧100℃ SMAW堆焊过渡层一层≧2mm 20℃/h 消应力热处理600±

SMAW堆焊耐蚀层，总堆焊厚度≧6mm

随设备整体焊后热处理

速度/(cm/min)

检验要求

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

测厚 100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ

级

100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级

层次 焊接方法 焊材牌号 规格/mm 电流/A 电压/V 烘烤温度/℃ 保温时间/h

SMAW

A042 A022

∮4 ∮4

120～140 120～140

23～24 23～24

200 200

2 2

4.3.5 下锥形封头与大法兰组焊

其关键是同轴度。锥封头与法兰应分别进行机加工，锥形封头找正，大口加工成直径并留有加工余量，小口直接加工到位；法兰焊接坡口并加工到位，密封面留有加工余量，小口直径加工到位；法兰焊接坡口并加工到位，密封面留有加工余量，螺栓孔先不加工。以锥形封头大口和法兰密封面及外圆为基准进行测量和组装焊接，所有焊接工作完成并进行中间热处理后，机加工法兰密封面、钻螺栓孔、车锥封头坡口，待组装。其焊缝结构如图4-3所示。

气化炉结构设计及制造工艺

33

图4-3 锥封头与下法兰组焊示意图 表4-6 锥封头与大法兰组焊工艺

焊接过程

1 2

清理坡口及坡口检查，并对不锈钢测涂保护涂料

组对、预热，预热温度≧200℃、点焊

检验要求

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

检查

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

100%RT JB/T4730-2005 Ⅱ级；100UT

JB/T4730-2005 Ⅰ级

100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%UT JB/T4730-2005 Ⅰ级;100%MT

JB/T4730-2005 Ⅰ级

HV≦240

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

电流/A 160～180 230～250 120～140 120～140

电压/V 23～24 24～26 23～24 23～24

速度/(cm/min) 烘烤温度/℃ 保温时间/h

350 350 200 200

2 2 2 2

3 里口焊条电弧焊打底焊；里口焊条电弧焊焊到离交界面1mm 4 5 6 7 8 9 10 11 12

层次 焊接方法

SMAW

外口清根、打磨

预热温度≧200℃，外口SAW焊满 及时消氢处理，300～350℃/2h 待堆焊表面磨平及检查

预热温度≧100℃，SMAW堆焊过渡层一层 SMAW堆焊耐蚀层，与母材圆滑过渡

整体焊后热处理

外表测硬度（母材、焊缝。热影响区各一组）

水压试验后

焊材牌号 规格/mm CMA-96MB

A042 A042

∮4 ∮5 ∮4 ∮4

4.3.6 接管与复合钢板筒体的焊接

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34

球封头和带燃烧器的筒节与燃烧室其余筒体组装焊接，完成整个燃烧室壳体的施工，进行划线和开孔接管组装焊接；激冷室最上节锻造筒节与锥封头和大法兰组件以及激冷室其余筒节组装焊接，完成整个激冷室壳体的施工，进行划线和开孔接管组装焊接。在筒节组对过程中采用定心器和光学准望远镜配合，控制筒节间同轴度，最后完成上、下两大部分环焊缝焊接，容器内件组装焊接和容器整体热处理。

内壁堆焊接管与下锥形封头的焊接，焊接形式如图所示，焊接工艺见表4-7。

表4-7 接管与复合钢板筒体焊接工艺 焊接过程

1 2

清理坡口及坡口检查，并对不锈钢测涂保护涂料

组对、预热，预热温度≧200℃、点焊

检验要求

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

检查

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级；100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

HV≦240

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

电流/A 160～180 230～250 120～140 120～140 500～600

电压/V 23～24 24～26 23～24 23～24 30～34

烘烤温度/h 保温时间/h 350 350 200 200 350

2 2 2 2 2

3 里口焊条电弧焊打底焊；里口焊条电弧焊焊到离交界面1mm； 4 5 6 7 8 9 10

外口清根、打磨

预热温度≧200℃，外口SMAW焊满 及时消氢处理，300～350℃/2h 外口平滑过渡，焊缝余高0～0.5mm

堆焊表面磨平检查

预热温度≧100℃，SMAW堆焊过渡层≧2mm

SMAW堆焊耐蚀层，与母材圆滑过渡

11 整体焊后热处理

12 13

外表测硬度（母材、焊缝、热影响区各一组）

水压试验后

焊材牌号 CMA-96MB

A042 A022 US-511N PF-200

规格/mm ∮4 ∮5 ∮4 ∮4 ∮4

层次 焊接方法

SMAW SAW

4.3.7 筒体锻件与内件的焊接

气化炉结构设计及制造工艺

35

焊接形式如图所示，焊接工艺见下表。

图4-4 筒体锻件与内件的焊接示意图 表4-8 筒体锻件与内件焊接工艺

焊接过程

1 2 3 4 5 6 7 8 9

坡口表面检查

清理坡口、组对、预热，点焊 外口SMAW封底+埋弧自动焊焊接并磨平，

（CMA-96MB/US-511N/PF-200）

里口清根、打磨 里口SMAW焊满 及时消氢处理，300～350℃/2h 待堆焊表面磨平及检查

预热温度≧100℃，SMAW堆焊过渡层一层 SMAW堆焊耐蚀层，与母材圆滑过渡

检验要求

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

检查

100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

100%UT JB/T4730-2005 Ⅰ级100%MT JB/T4730-2005 Ⅰ级

100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级 100%PT JB/T4730-2005 Ⅰ级

10 14℃/6h 焊后热处理680± 烘烤温度/℃ 350 350

层次 焊接方法

焊材牌号 规格/mm 电流/(A) 电压/（V） 速度/(cm/min)

∮4 ∮5 ∮4

160～180 230～250 500～600

23～24 24～26 30～34

保温时间/h

2 2

SMAW CMA-96MB SAW

US-511N

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36

续表4-8

层次 焊接方法

SMAW

焊材牌号 规格/mm 电流/(A) 电压/（V） 速度/(cm/min) PE-200 A042 A022

∮4 ∮4

120～140 120～140

23～24 23～24

烘烤温度/℃ 350 200 200

保温时间/h

2 2 2

本设备尽量选用窄坡口埋弧自动焊为主，焊条电弧焊为辅的焊接工艺。

气化炉结构设计及制造工艺

37

5 气化炉的组装

随着国民经济及科学技术的不断进步，国内外石化工业中应用的容器不仅日趋大型化，而

且日渐向欠发达的边远地区发展。这些都给容器的整体运输带了了许多困难，为适应现状，国内外大型容器制造厂相继开发了容器的现场组焊技术，即将容器分解成为部件，然后在用户现场将部件组装成容器整体。

分段容器的现场组装，采取卧式组装工艺组装厚壁容器，将分段容器吊放到事先调整好的滚轮架上，由于其滚轮架上的任意滚轮都可上升、下降，而滚轮的上下移动，导致被支承的分段容器随着上升、下降，当容器转动时，容器相对滚轮架产生轴向窜动，从而实现了调节坡口分段容器的组装固定，可采用工艺板焊接固定、工装固定或直接点焊固定等。当需要在分段容器上点焊时，其所采用的焊接材料、焊接工艺、焊后处理、焊后无损检测等，都应与产品焊缝的焊接条件、要求相同。组装后的焊缝坡口上、坡口内外表面100mm范围内，都不应残留影响焊接质量的铁锈、油污、炭黑、积渣、飞溅等。

由于焊缝金属是局部急剧加热到熔化温度，在熔化温度下连续冷却过程中形成的复杂的不平衡相变组织，焊接区有较高的残余应力。因此，一般低合金钢制的厚壁容器，焊后都要求立即进行热处理，其目的是消除焊接残余应力，改善焊缝及热影响区组织，恢复焊接接头的综合力学性能。

该气化炉需要对接的各部件，都是由卷制或压制成型厚壁筒体或锥体组成，零件本身存在一定的公差，在总装过程中的调整难度非常大，生产效率低，还存在一定的安全风险。

为了保证气化炉壳体总装尺寸公差及炉壳上接管的位置精度符合技术文件的要求，炉壳分成上、中、下三大段分别进行组装，三大段组装合格后进行最终对接。其中凸缘法兰和球形封头组焊后进行中间热处理，再进行烧嘴中心孔和封头环缝坡口加工，以保证二者同心。接管与筒体、封头焊接后，为防止焊接过程中焊接应力太大，而产生热裂纹和应力裂纹，所以在焊后应进行中间热处理，降低风险。托转盘以及大法兰都在中间热处理后加工，以保证整体零件尺寸公差满足要求，利于后续总装。

气化炉壳体三大段分别对接时，为保证整体装配工差满足要求，分别在炉顶凸缘法兰处、托转盘法兰中心及炉底下大法兰处各选定一个测量截面，并在所测量的截面上用定心器定出中心点。使用测微准直望远镜，利用已定出上下法兰上的两中心点建立炉体中心基准线；装配过程中使用准直望远镜测量凸缘法兰定位中心点与炉体中心基准线间的距离偏差并加以调整。凸缘法兰调整合格后，再利用定心器分别确定激冷室及燃烧室筒体各截面的中心，并利用准直望远镜测量各截面的中心点与壳体直线度偏差。综合所测的偏差值，调整三大段，合格后装焊成一体。

的装配间隙、错边量、容器直线度等17。

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致 谢

在这一学期里，通过毕业设计这一环节，让我对大学四年所学的知识得到了全面的总结。所以，我非常感谢学校给予我的这次学习机会。在我做毕业设计的阶段中，我的指导老师——李瑞虎老师给予了我十分细致的指导。老师严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我都产生了重大的影响。

在设计气化炉主要结构的过程中，我遇到的问题也比较多，但是仍然细心地给我讲解分析，使得我可以继续完成设计。在我们的每一次答疑过程中，老师都会认真检查我们的毕设笔记本，时刻督促我们的进程，并针对我们设计中所遇到的疑难问题，老师都会做出仔细地分析，并解答我们所遇到的问题，当然也给我提过很多宝贵的建议，并且认真纠正我设计中所出现的每一个错误。正是因为老师对我们的认真负责，才使得我能顺利完成毕设，在此特向道声谢谢！也感谢所有授我以业的老师，没有这些年的知识积淀，我也没有这么大的动力和信心完成这篇毕业设计说明书。

同时，在这次的毕业设计中，我也得到了很多同学的帮助，正是他们的鼓励、帮助，让我在每一次挫败后，能迅速的调整好心态，重振旗鼓，继续完成毕业设计。谨以此致谢！

最后，我还要感谢百忙之中抽出时间，对我的设计说明书进行审阅的老师们，谢谢你们！

气化炉结构设计及制造工艺

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参考文献

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