Термообработка пяти декомпозеров замещающей батареи на «БАЗ-СУАЛ» (г. Краснотурьинск)

Объёмная внепечная термическая обработка декомпозеров объёмом 3600 м³

В планах реконструкции предприятия Богословский алюминиевый завод – филиал ОАО «СУАЛ» предусматривалось строительство замещающей батареи декомпозеров глинозёмного цеха (фото 1). В связи с большими габаритами и весом исключающими возможность доставки полностью, или даже в частично собранном виде на объект эксплуатации, декомпозеры поставлялись отдельными деталями в виде вальцованных и плоских листов, а также отдельными узлами. Поэлементная сборка корпусов осуществлялась непосредственно на строительно-монтажной площадке предприятия. В окончательном виде корпус декомпозер представляет собой тонкостенный вертикально установленный цилиндрический сосуд с верхним и нижним плоскими днищами, внутренним диаметром 12000 мм, высотой 32000 мм и объёмом 3600 м3, конструктивно состоящий из разнотолщинных обечаек высотой 2190 мм соединённых между собой кольцевыми сварными швами. В свою очередь каждая обечайка собирается из вальцованных листовых сегментов соединённых продольными сварными швами. Материал корпуса сталь Ст3сп5 ГОСТ 380-94.

Декомпозер предназначен для разложения алюминатного раствора с выделением в твёрдую фазу гидроокиси алюминия Al(OH) 3. Алюминатный раствор содержит 195 г/л NaOH и до 150 г/л Al2O3 и является средой способствующей коррозионному растрескиванию металла.

В соответствии с требованиями нормативно-технических документов, а также «Техническими условиями на корпус декомпозера V=3600 м³, d=12 м (1527714–КМ1.ТУ)», с целью снижения остаточных сварочных напряжений, все сварные соединения до ввода объекта в эксплуатацию должны быть термообработаны по режиму высокого отпуска [1, 2].

Основным способом выполнения указанного требования в условиях проведения строительно-монтажных работ является проведение местной термической обработки путём последовательного нагрева сварных соединений корпуса электронагревателями сопротивления [3]. Однако опыт практической реализации данного способа, несмотря на то, что он и решал проблему снижения остаточных сварочных напряжений в аналогичных конструкциях, но меньшего габарита (декомпозеры диаметром 9000 мм) оказался малоэффективным из-за высокой трудоёмкости и продолжительности технологического цикла.

Продолжительность термообработки декомпозера диаметром 9000 мм и высотой 32000 мм без проведения подготовительных операций составляет 60 суток! Соответственно, термообработка вновь строящихся декомпозеров диаметром 12000 мм и объёмом 3600 м3 с применением имеющейся на предприятии технологии местного нагрева потребует значительно большего времени на её выполнение, а также разработки и изготовления дополнительного термического оборудования и оснастки. Это, в свою очередь, могло бы явиться причиной задержки сроков ввода в эксплуатацию замещающей батареи декомпозеров глинозёмного производства. Указанные обстоятельства определили необходимость выбора способа объёмной внепечной термической обработки нагревом изнутри, как наиболее эффективного и надёжного способа снижения уровня остаточных сварочных напряжений, правомочность применения которого подтверждается основной нормативно-технической документацией [1, 2, 4].

В общем виде способ внепечной термической обработки заключается в нагреве внутреннего объёма изделия предварительно теплоизолированного с наружной поверхности, продуктами сгорания жидкого топлива полученными в процессе работы специальных теплогенераторных устройств (003). При этом нагреву по режиму высокого отпуска подвергается весь корпус изделия, а, следовательно, одновременно и все выполненные сварные соединения, что позволяет значительно сократить технологический цикл и обеспечить высокое качество термообработки.

В конкретном случае практическая реализация данного способа при нагреве конструкций таких размеров и исполнения, связана с решением и тщательной проработкой ряда технических и технологических вопросов.

Основными из которых являются:

• Большие размеры обогреваемой внутренней поверхности затрудняющие её равномерный нагрев, что создаёт опасность перегрева обрабатываемого металла на одних участках и недостаточного нагрева в других;
• Различная толщина стенки обечайки сосуда, изменяющаяся по высоте с 30 мм у основания и до 10 мм у верхнего днища, что также не способствует равномерному распределению температуры;
• Отсутствие необходимого количества отверстий в корпусе декомпозера для ввода теплоносителя;
• Относительно высокий уровень напряжений в конструкции, вызываемых силой тяжести и ветровой нагрузкой.

Сложность задачи заключалась также в том, что термообработку необходимо было выполнить в возможно короткие сроки, связанные с плановыми сроками ввода замещающей батареи в эксплуатацию, а также в отсутствии опыта применения внепечного нагрева к термообработке подобных крупногабаритных изделий. Аналоги проведения подобных работ в отечественной практике отсутствуют.

В связи с изложенным, предлагаемый способ внепечного нагрева предварительно обосновывался выполнением тепловых и прочностных расчётов.

Результатом проведённого теплового расчёта явился выбор оптимальной схемы нагрева, обеспечивающей равномерное распределение температуры по всей обогреваемой поверхности, с учётом изменения толщины стенки декомпозера, а также количества источников тепла и их взаимного расположения необходимых для выполнения термообработки. В качестве базового источника тепловой энергии принимался жидкотопливный теплогенератор ТГЖ-1 с максимальной мощностью 1 МВт [6] (фото 2).

Выполненные прочностные расчёты подтвердили, что свойства материала при температуре высокого отпуска обеспечивают необходимый запас прочности конструкции.

Внедрение технологии нагрева включало: подготовку изделия к термообработке, а также саму термообработку.

Подготовка к термообработке предусматривала вырезку на корпусе декомпозера специальных технологических отверстий для ввода теплоносителя. Отверстия вырезались на двух уровнях со смещением друг относительно друга на 450.

Места расположения отверстий согласно проведённым тепловым расчётам и подаче через них теплоносителя обеспечивали возможность равномерного разогрева всей поверхности конструкции.

В отверстия вваривались ложные штуцера, через которые устанавливались устройства ввода теплоносителя совмещённые с теплогенераторами и которые впоследствии «глушились».

Вся поверхность корпуса теплоизолировалась в два слоя. Общая толщина теплоизоляции составляла 120 мм (фото 3).

Для контроля и записи температурного режима на наружной поверхности устанавливались термоэлектрические преобразователи типа ТХА (К), соединённые с 12-ти точечными приборами контроля и регистрации температуры. Расположение термопреобразователей, а также их количество выбирались таким образом, что позволило контролировать процесс изменения температуры нагрева, как по высоте, так и по диаметру конструкции.

Для удобства работы на монтажных площадках рядом с каждым теплогенератором устанавливалась топливная ёмкость (фото 4). К объекту термообработки была подведена магистраль сжатого воздуха, удовлетворяющая всем необходимым требованиям по расходу и давлению.

Процесс самой термообработки заключался в нагреве внутреннего объёма декомпозера продуктами сгорания жидкого топлива (в данном случае дизельного) получаемыми в процессе одновременной работы восьми теплогенераторных устройств. Подача топлива из ёмкостей на эжекторы теплогенераторов и в камеры сгорания производилась за счёт энергии сжатого воздуха подаваемого из воздушной магистрали. Режим работы регулировался за счёт изменения подачи топлива и воздуха в камеры сгорания.

Особенность конструкции применяемых теплогенераторов обеспечивала высокую скорость подачи теплоносителя во внутренний объём нагреваемого объекта, что в свою очередь вызывало интенсивную рециркуляцию продуктов сгорания в его внутреннем пространстве и способствовало равномерному распределению температуры по всей площади нагреваемой поверхности. Подача продуктов сгорания осуществлялась через устройства ввода теплоносителя закреплённых во фланцах вваренных штуцеров, причём предложенная конструкция позволяла при необходимости изменять направление тепловых потоков. Выход продуктов сгорания осуществлялся через отверстие на верхнем днище декомпозера. Количество выходящих продуктов сгорания регулировалось изменением положения заслонки.

Процесс нагрева проводился и контролировался вручную по показаниям контрольно-регистрирующих приборов. Управление процессом осуществлялось путём изменения мощности теплогенераторов и изменением направления тепловых потоков. Режимы нагрева записывались на диаграммную ленту приборов.

Термообработка декомпозеров проводилась согласно требованиям РТМ 26-44-82 (изменение № 1 таблица 3). Перепад температур по длине и диаметру в период нагрева не превышал 40 ºС, в период выдержки 20 ºС.

Оценка параметров напряжений до и после термообработки в сварных швах декомпозеров была выполнена лабораторией НКиД Заказчика. Контроль проведён магнитоанизотропным сканер-дефектоскопом «Комплекс-2-05». Результаты замеров были обработаны специалистами лаборатории, а также специалистами ООО «Институт ДИМЕНСтест» (г. Санкт-Петербург). Полученные результаты дополнительно свидетельствуют о положительном влиянии проведённой термообработки с точки зрения снижения уровня остаточных сварочных напряжений.

Аналогичным образом были термообработаны ещё четыре декомпозера, причём исходя из успешного опыта первого нагрева, и анализа полученных при этом результатов, а также хода проведения процесса, удалось сократить цикл термической обработки за счёт увеличения скорости нагрева.

Перепад температур при нагреве и в период выдержки не превышал значений, полученных при термообработке первого декомпозера. Общий цикл термообработки, включая прогрев, выдержку и охлаждение до температуры 350 ºС, составил 14 часов. Средний расход дизельного топлива на термообработку одного изделия составил 8000 литров, сжатого воздуха 40000 м³.

Общая продолжительность выполнения работ по проведению термообработки замещающей батареи глинозёмного цеха, состоящей из пяти декомпозеров объёмом 3600 м3 составила три месяца. Большая часть времени потребовалась для врезки «ложных» штуцеров, установки строительно-монтажных лесов и теплоизоляции.

Применение способа внепечного объёмного нагрева позволило сократить сроки проведения строительно-монтажных работ с обеспечением их высокого качества в части проведения термообработки сварных соединений.

Технология обеспечивает равномерный нагрев и управляемость процесса с точки зрения достижения и равномерности распределения температуры, что, как следствие, приводит к снижению остаточных сварочных напряжений.

Литература

• 1. ОСТ 26-291-94. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. – Москва: НПО ОБТ, 1994 г.
• 2. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов работающих под давлением. – М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзор России», 2005 г.
• 3. Корольков П.М. Термическая обработка сварных соединений. – Киев. Экотехнология 2002 г.
• 4. РТМ 26-44-82. Термическая обработка нефтехимической аппаратуры и её элементов. – Волгоград. ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры» 1983 г.
• 5. Бабкин В.А., Лавров А.И., Ловырев П.Б., и др. Технологические процессы объёмной термообработки корпусного оборудования нагревом изнутри. (Химическая техника. 2005. № 2.)
• 6. Лавров А.И., Ловырев П.Б., Бабкин В.А. и др. Теплогенератор. Свидетельство на полезную модель № 29130. Бюл. №12, 27.04.2003 г.