催化煙氣急冷吸收塔不銹鋼復(fù)合板焊接控制點探討

大氣網(wǎng)訊:摘要：不銹鋼復(fù)合板的焊接是催化煙氣急冷吸收塔安裝質(zhì)量控制最重要的環(huán)節(jié)之一，其焊縫質(zhì)量直接關(guān)系到急冷塔的安全性、耐腐蝕性和設(shè)備的使用壽命，通過對不銹鋼復(fù)合板的焊接方法、焊接材料、坡口設(shè)計、焊接順序和無損檢驗等方面的探討，闡明對煙氣急冷吸收塔不銹鋼復(fù)合板焊接質(zhì)量控制要求。

關(guān)鍵詞：煙氣急冷吸收塔 脫硫脫硝 不銹鋼復(fù)合板 焊接質(zhì)量控制

催化煙氣含有大量的SO2、NOx和顆粒物等有害物，已成為煉廠重要的大氣污染源。另外，隨著新《環(huán)境保護法》及《大氣污染防治法》陸續(xù)實施，催化煙氣脫硫、脫硝已引起各企業(yè)的足夠重視，煙氣急冷吸收塔作為煙氣脫硫、脫硝系統(tǒng)的核心設(shè)備，其不銹鋼復(fù)合板的焊接是安裝質(zhì)量控制最重要的環(huán)節(jié)之一，焊縫質(zhì)量直接關(guān)系到煙氣急冷吸收塔的安全性、耐腐蝕性和設(shè)備的使用壽命。通過對不銹鋼復(fù)合板的焊接方法、焊接材料、坡口設(shè)計、焊接順序和焊縫無損檢驗等方面的論述，簡明扼要的介紹煙氣急冷吸收塔不銹鋼復(fù)合板焊接質(zhì)量控制點【1】。

一、催化煙氣脫硫脫硝工藝技術(shù)原理簡述

某石化公司重油催化裂化裝置設(shè)計規(guī)模330萬噸/年，包括反應(yīng)再生單元、分餾單元、吸收穩(wěn)定單元、機組單元、熱工單元和煙氣脫硫單元。煙氣脫硫單元作為重油催化裂化裝置的重要配套裝置，采用基于NaOH洗滌液的EDV®5000脫硫以及LoTOXTM脫硝的濕法煙氣洗滌技術(shù)。

煙氣急冷吸收塔是煙氣脫硫、脫氮技術(shù)的核心單元，主要包括煙氣急冷區(qū)、反應(yīng)吸收區(qū)、過濾模組、水珠分離器和煙囪等部分，示意見圖1。

1、SO2的脫除

急冷吸收塔將SO2吸收進洗滌液中，提供密集的氣液接觸場所，洗滌液的pH值可通過添20%NaOH溶液進行控制。在反應(yīng)區(qū)發(fā)生如下脫硫反應(yīng)：

SO2+NaOH→NaHSO3

NaHSO3+ NaOH→Na2SO3+H2O

2、NOx的脫除

將臭氧發(fā)生單元產(chǎn)生的臭氧注入到冷卻吸收塔的入口段與再生煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為N2O5，N2O5結(jié)合煙氣中的水蒸氣形成硝酸，以上變化發(fā)生在注入點到冷卻吸收塔入口段之間的區(qū)域。在反應(yīng)區(qū)煙氣被4層霧化噴嘴洗滌，NaOH 溶液將與硝酸發(fā)生中和反應(yīng)。霧化噴嘴同時從煙氣中脫除未反應(yīng)的臭氧，完成NOx控制工藝的最后一步。反應(yīng)式如下：

3O2→2O3

NO+ O3→NO2+ O2

2NO2+ O3→N2O5+ O2

N2O5+H2O→2HNO3

HNO3+NaOH→NaNO3+ H2O

3、顆粒物脫除

煙氣中含有的顆粒物絕大部分是上游催化裂化反應(yīng)單元釋放煙氣攜帶來的催化劑顆粒。煙氣中攜帶的固體顆?？捎美鋮s吸收塔內(nèi)安裝的過濾模組除去，而水霧則由位于過濾模組之上的水珠分離器脫除。

4、降低外排廢水的COD

當外排廢水中的還原性物質(zhì)（如亞硫酸鈉）含量超標時，會造成嚴重的環(huán)境污染，而氧氣可以與之發(fā)生氧化還原反應(yīng)，有效降低外排水的COD。反應(yīng)式如下：

Na2SO3+1/2O2→Na2SO4

二、煙氣急冷吸收塔設(shè)計情況

催化煙氣急冷吸收塔是煙氣脫硫、脫硝技術(shù)的核心單元，急冷吸收塔直徑8500mm，頂部煙囪直徑4250mm，全塔總高125000mm（切），內(nèi)設(shè)噴頭、濾清模塊、水珠分離器等。急冷吸收塔本體均采用不銹鋼復(fù)合板，上部煙囪S31603+Q345R，局部采用Alloy20+Q345R，復(fù)層厚度為3mm ，急冷塔本體采用S30403+Q345R，復(fù)層厚度為4mm。煙氣急冷吸收塔規(guī)格及材質(zhì)見表1。

三、煙氣急冷吸收塔焊接控制點

催化煙氣急冷吸收塔不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接的關(guān)鍵問題是合理地選擇基層、過渡層和復(fù)層的填充材料。由于基層與復(fù)層母材、基層與復(fù)層的焊接材料在成分及性能方面有較大的差異，焊接時稀釋作用強烈，由于焊接接頭中碳的遷移和合金元素的擴散，容易在基層一側(cè)產(chǎn)生脫碳帶，焊縫中心部位碳含量增加，而奧氏體鋼側(cè)的合金元素降低。使焊縫中奧氏體形成元素減少，碳含量增加，增大了結(jié)晶裂紋的傾向；焊接熔合區(qū)可能出現(xiàn)馬氏體組織而導(dǎo)致硬度和脆性增加，有產(chǎn)生裂紋的危險；此外，由于基層與覆層的含鉻量差別較大，促使碳向覆層遷移擴散，而在其交界的焊縫金屬區(qū)域形成增碳層和脫碳層，加劇熔合區(qū)的脆化或另一側(cè)熱影響區(qū)的軟化。脫碳帶不僅是低溫沖擊韌性的低值區(qū)，而且往往是裂紋的起始和延展的區(qū)帶，容易引起焊縫熔合線低溫沖擊韌性的降低并產(chǎn)生裂紋。

為了有效地控制稀釋和碳遷移，故需要在復(fù)層和基層之間增加一過渡層，即焊接分為基層焊接、過渡層焊接和復(fù)層焊接，基層和復(fù)層的焊接屬于同種材料焊接，其焊接性、焊材選擇和焊接工藝由基層和復(fù)層金屬材料決定，過渡層焊接屬于異種鋼焊接，其焊接性主要決定于基層和復(fù)層金屬的化學物理性能、接頭形式和填充金屬等[3]。

四、煙氣急冷吸收塔不銹鋼復(fù)合板的焊接

1、焊前準備

焊接工藝評定

焊接方法的選擇

不銹鋼復(fù)合板基材的焊接可采用手動電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護焊及組合方法。過渡層和復(fù)層的焊接通常采用手工電弧焊或手工氬弧焊，也可采用藥芯焊絲氣體保護焊或帶極埋弧自動焊。

焊接材料的選擇

基層焊接材料按基材的化學成份和機械性能參照相應(yīng)標準和技術(shù)條件選擇，焊接材料應(yīng)保證焊縫金屬的力學性能高于或等于相應(yīng)母材的標準規(guī)定下限值。

復(fù)層的焊材選擇與復(fù)層的化學成份和機械性能接近的焊材，復(fù)層選用焊接材料應(yīng)保證焊縫金屬的耐腐蝕性能，當有力學性能要求時，還應(yīng)保證力學性能，奧氏體不銹鋼的焊接材料應(yīng)保證熔敷金屬的主要合金元素的含量不低于復(fù)層材料標準規(guī)定的下限值。

焊接過渡層的焊材應(yīng)按異種鋼焊接材料選材原則，不銹鋼復(fù)合板的過渡層焊條宜選擇25%Cr-13%Ni型或25%Cr-20%Ni型；復(fù)層含Mo的不銹鋼復(fù)合板，宜采用25%Cr-13%Ni-Mo型焊條。

坡口的設(shè)計

催化煙氣急冷塔不銹鋼復(fù)合板焊接坡口形式需要依據(jù)接頭位置、復(fù)合板厚度、復(fù)層焊縫的化學成份要求和耐腐蝕要求來確定。焊接接頭型式的設(shè)計原則是在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量減少填充金屬量，減少熔合比，便于操作等。一般大部分焊接工作安排在基層側(cè)進行，可減少過渡層與復(fù)層的焊接工作量，防止碳鋼或低合金鋼焊條與不銹鋼復(fù)層結(jié)合，有利于控制復(fù)層金屬的化學成份和復(fù)層的焊接。不銹鋼復(fù)合板對接常用坡口形式見圖2。

坡口加工與檢查，坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)進行表面清理，去除油污、水、繡及氧化皮等污物。由于奧氏體體組織有顯著的冷加工硬化性，禁止強力組對致使復(fù)層變形。組對時應(yīng)以復(fù)層為基準，復(fù)層等厚時對口錯邊量不應(yīng)大于復(fù)層厚度的50%，且不大于2mm。定位焊縫應(yīng)焊在基層母材上，定位焊縫應(yīng)有評定合格的焊接工藝，且應(yīng)由合格的焊工施焊。在組裝過程中，工卡具應(yīng)焊在基層一層，不得在復(fù)層上焊接工卡具，去除卡具是應(yīng)防止損失基層金屬，焊接處應(yīng)打磨光滑。

2、焊接控制點

焊接前應(yīng)根據(jù)焊接工藝評定報告編制焊接工藝文件，焊接應(yīng)先焊基層，后焊過渡層和復(fù)層，且焊接基層時不得將基層金屬沉積在復(fù)層上。

基層的焊接

焊接不銹鋼復(fù)合板時，為工藝實施方便，減少焊接熱循環(huán)對不銹鋼焊縫的作用，應(yīng)先焊接基層部分，并將大部分焊接工作涉及在基層側(cè)進行，以減少可能對復(fù)層的損失，焊接基層焊道不得觸及和熔化復(fù)層，焊縫余高應(yīng)符合標準規(guī)定。

過渡層的焊接

焊接過渡層是要在保證熔合良好的前提下，盡量采用較小直徑的焊條（一般采用φ3.2mm焊條）或焊絲，較小的焊接線能量，要在熔合良好的前提下減少基材金屬的熔入量，從而降低熔合比，避免復(fù)合層化學成分收影響，防止熔合去裂紋的發(fā)生，過渡層的厚度應(yīng)小于2mm，并保證將基層全部覆蓋。

復(fù)層的焊接

復(fù)層焊縫將作為抗腐蝕表面與工作介質(zhì)接觸，因此在焊接過程中應(yīng)盡可能采用較小的焊接線能量，并嚴格控制層間溫度，對于抗腐蝕要求較高的產(chǎn)品，復(fù)層焊接時的道間溫度應(yīng)控制在100-150℃之間，復(fù)層焊縫與復(fù)材表面保持齊平、光滑，對接焊縫余高應(yīng)不大于1.5mm，角焊縫凹凸度及焊角蓋度應(yīng)符合設(shè)計圖樣的規(guī)定。

焊接過程中應(yīng)注意保護復(fù)層的表面，防止焊接飛濺損傷復(fù)材表面，不得在復(fù)層表面隨意引弧，焊接卡蘭、吊環(huán)以及臨時支架，不得用鐵錘敲擊復(fù)合層表面等，催化煙氣急冷塔復(fù)層焊接時以下幾個問題應(yīng)引起重視：

（1） 焊縫容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋

結(jié)晶裂紋是熱裂紋的一種形式，焊縫金屬在結(jié)晶過程中冷卻到固相線附近的高溫時，液態(tài)晶界在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋。影響結(jié)晶裂紋的因素主要有兩個：

稀釋率的影響 焊接奧氏體復(fù)合鋼板時，由于基層鋼板的含碳量高于復(fù)層，復(fù)層受基層的稀釋作用，使焊縫中奧氏體形成元素減少，含碳量增多，焊縫結(jié)晶時易產(chǎn)生微裂紋。

結(jié)晶區(qū)間的影響 奧氏體鋼結(jié)晶溫度區(qū)間很大，熔池結(jié)晶時在枝晶的晶界上存在S、P、Si等低熔點共晶物呈現(xiàn)薄膜狀，這種液態(tài)薄膜在拉伸應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。

若焊接材料選擇不合適或焊接工藝不恰當，不銹鋼焊縫就可能嚴重稀釋，形成馬氏體淬硬組織；或由于鉻、鎳強烈滲入珠光體鋼基層而嚴重脆化，產(chǎn)生裂紋。因此，焊接過渡層時，要使用含鉻、鎳量較多的焊接材料，保證焊縫金屬含一定量的鐵素體組織，以提高抗裂性，使之即使受到基層的稀釋，也不會產(chǎn)生馬氏體淬硬組織；同時，也應(yīng)采用合適的焊接方法和焊接工藝，減小基層一側(cè)熔深和焊縫的稀釋。

（2） 熱影響區(qū)容易產(chǎn)生液化裂紋

復(fù)合鋼焊接時，奧氏體鋼熱影響區(qū)由于受焊接熱循環(huán)影響，低熔點雜質(zhì)被熔化，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生液化裂紋。焊接時，熱影響區(qū)受熔池金屬的熱膨脹作用產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，當電弧移開后，隨著溫度的降低，壓縮應(yīng)力變拉伸應(yīng)力。之后，熱影響區(qū)晶界上存在的低熔點共晶物的液膜被拉開產(chǎn)生裂紋。這種裂紋是由于奧氏體系復(fù)合鋼板的熱影響區(qū)晶界受焊接熱循環(huán)作用，低熔點共晶物液化產(chǎn)生的，所以稱為液化裂紋。如果晶界析出物的熔點高，即使受焊接熱作用瞬時產(chǎn)生液態(tài)膜，但在壓縮應(yīng)力作用下已完成結(jié)晶，當轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力時晶界已不存在液態(tài)膜了，所以也就不產(chǎn)生裂紋。

防止奧氏體系復(fù)合鋼板焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋的主要措施為：正確制定焊接工藝，嚴格遵守操作規(guī)程，合理選擇填充材料。

（3） 熔合區(qū)脆化

焊接奧氏體系復(fù)合鋼板時，熔合區(qū)出現(xiàn)脆化的原因有如下幾個：

a. 結(jié)構(gòu)鋼焊條的影響 用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接基層鋼板時，由于熱作用使復(fù)層鋼板局部熔化，合金元素滲入焊縫。在熔合區(qū)附近狹小區(qū)域中，攪拌作用不充分而產(chǎn)生馬氏體組織，使熔合區(qū)硬度和脆性增加。

b. 不銹鋼焊條的影響 用不銹鋼焊條焊接復(fù)層鋼板時，容易熔化基層鋼板，使焊縫金屬成分稀釋，焊縫金屬為奧氏體馬氏體組織，使塑性和耐蝕性降低，而熔合區(qū)的脆性明顯增加。

c. 碳遷移的影響 焊接時碳由低Cr的基層鋼板（碳鋼或低合金鋼）向高Cr的不銹鋼復(fù)層焊縫金屬擴散遷移，因此在基層和復(fù)層的交界形成高硬度的增碳層和低硬度的脫碳層，引起熔合區(qū)的脆化或軟化。

為了防止碳的遷移，可在基層和復(fù)層之間采用“隔離焊縫”（也稱過渡層）。通常選用含Nb的鐵素體焊條在基層鋼板上焊接“隔離焊縫”，然后用奧氏體鋼焊條焊接復(fù)層，最后用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接基層。這種工藝措施可有效地防止碳的遷移，避免在熔合區(qū)附近出現(xiàn)脫碳層和增碳層，從而減小了熔合區(qū)的脆化，使復(fù)合鋼板的焊接接頭具有較高的強度和韌性。

3、煙氣急冷吸收塔無損檢測及返修注意事項

煙氣急冷吸收塔無損檢測

無損檢測項目按設(shè)計文件規(guī)定執(zhí)行，A、B類射線（R.T）20%Ⅲ級合格，C、D類滲透（P.T）100%Ⅰ級合格。

返修注意事項

焊縫缺陷清除在進行缺陷清除時，如果缺陷在基層，一般用碳弧氣刨予以清除；如果是在過渡層或是多次返修或拘束應(yīng)力較大的部位可用角向磨光機等機械方法清除焊接缺陷，以減少坡口邊緣的滲碳傾向，為了防止引弧、收弧處的缺陷疊加，返修處的坡口長度一般不小于100mm，并且兩端應(yīng)有一定坡度，對過渡層清除缺陷后，用著色探傷檢查，以確保裂紋全部清除后再進行返修。

返修時盡量選用小直徑焊條,選用工藝評定的下限參數(shù)，采用多層多道焊接法。在返修基層時，在焊基層前適當預(yù)熱基層（100℃~150℃），清除坡口內(nèi)的水分和雜質(zhì)；焊接過程中連續(xù)施焊，控制好線能量，保證層間溫度；焊后對焊縫區(qū)加熱，加熱范圍不可過大，一般大于鋼板厚度的兩倍即可，溫度控制在250℃，保溫30~40分鐘，以防基層和復(fù)層結(jié)合部位開裂[4]。

五、結(jié)論

催化煙氣急冷吸收塔不銹鋼復(fù)合板焊接只有對焊接方法、焊接材料、坡口設(shè)計、焊接順序和焊縫無損檢驗等加以全過程控制，焊接質(zhì)量才能得以保證，這也將為催化裝置煙氣脫硫脫硝單元長周期運行打下堅實基礎(chǔ)，目前該臺塔器已平穩(wěn)運行6個月，無異常。