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北極星大氣網訊:摘要：不鏽鋼複合板的焊接是催化煙氣急冷吸收塔安裝質量控制最重要的環節之一，其焊縫質量直接關係到急冷塔的安全性、耐腐蝕性和設備的使用壽命，通過對不鏽鋼複合板的焊接方法、焊接材料、坡口設計、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鏽鋼複合板焊接質量控制要求。
關鍵詞：煙氣急冷吸收塔 脫硫脫硝 不鏽鋼複合板 焊接質量控制
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汙染源。另外，隨著新《環境保護法》及《大氣汙染防治法》陸續實施，催化煙氣脫硫、脫硝已引起各企業的足夠重視，煙氣急冷吸收塔作為煙氣脫硫、脫硝系統的核心設備，其不鏽鋼複合板的焊接是安裝質量控制最重要的環節之一，焊縫質量直接關係到煙氣急冷吸收塔的安全性、耐腐蝕性和設備的使用壽命。通過對不鏽鋼複合板的焊接方法、焊接材料、坡口設計、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鏽鋼複合板焊接質量控制點【1】。
一、催化煙氣脫硫脫硝工藝技術原理簡述
某石化公司重油催化裂化裝置設計規模330萬噸/年，包括反應再生單元、分餾單元、吸收穩定單元、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，採用基於NaOH洗滌液的EDV5000脫硫以及LoTOXTM脫硝的溼法煙氣洗滌技術。
煙氣急冷吸收塔是煙氣脫硫、脫氮技術的核心單元，主要包括煙氣急冷區、反應吸收區、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。在反應區發生如下脫硫反應：
SO2+NaOH→NaHSO3
NaHSO3+ NaOH→Na2SO3+H2O
2、NOx的脫除
將臭氧發生單元產生的臭氧注入到冷卻吸收塔的入口段與再生煙氣中的NOx發生反應，將其轉化為N2O5，N2O5結合煙氣中的水蒸氣形成硝酸，以上變化發生在注入點到冷卻吸收塔入口段之間的區域。在反應區煙氣被4層霧化噴嘴洗滌，NaOH 溶液將與硝酸發生中和反應。霧化噴嘴同時從煙氣中脫除未反應的臭氧，完成NOx控制工藝的最後一步。反應式如下：
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遊催化裂化反應單元釋放煙氣攜帶來的催化劑顆粒。煙氣中攜帶的固體顆粒可用冷卻吸收塔內安裝的過濾模組除去，而水霧則由位於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（如亞硫酸鈉）含量超標時，會造成嚴重的環境汙染，而氧氣可以與之發生氧化還原反應，有效降低外排水的COD。反應式如下：
Na2SO3+1/2O2→Na2SO4
二、煙氣急冷吸收塔設計情況
催化煙氣急冷吸收塔是煙氣脫硫、脫硝技術的核心單元，急冷吸收塔直徑8500mm，頂部煙囪直徑4250mm，全塔總高125000mm（切），內設噴頭、濾清模塊、水珠分離器等。急冷吸收塔本體均採用不鏽鋼複合板，上部煙囪S31603+Q345R，局部採用Alloy20+Q345R，復層厚度為3mm ，急冷塔本體採用S30403+Q345R，復層厚度為4mm。煙氣急冷吸收塔規格及材質見表1。
三、煙氣急冷吸收塔焊接控制點
催化煙氣急冷吸收塔不鏽鋼複合鋼板的焊接的關鍵問題是合理地選擇基層、過渡層和復層的填充材料。由於基層與復層母材、基層與復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，由於焊接接頭中碳的遷移和合金元素的擴散，容易在基層一側產生脫碳帶，焊縫中心部位碳含量增加，而奧氏體鋼側的合金元素降低。使焊縫中奧氏體形成元素減少，碳含量增加，增大了結晶裂紋的傾向；焊接熔合區可能出現馬氏體組織而導致硬度和脆性增加，有產生裂紋的危險；此外，由於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域形成增碳層和脫碳層，加劇熔合區的脆化或另一側熱影響區的軟化。脫碳帶不僅是低溫衝擊韌性的低值區，而且往往是裂紋的起始和延展的區帶，容易引起焊縫熔合線低溫衝擊韌性的降低並產生裂紋。
為了有效地控制稀釋和碳遷移，故需要在復層和基層之間增加一過渡層，即焊接分為基層焊接、過渡層焊接和復層焊接，基層和復層的焊接屬於同種材料焊接，其焊接性、焊材選擇和焊接工藝由基層和復層金屬材料決定，過渡層焊接屬於異種鋼焊接，其焊接性主要決定於基層和復層金屬的化學物理性能、接頭形式和填充金屬等[3]。
四、煙氣急冷吸收塔不鏽鋼複合板的焊接
1、焊前準備
焊接工藝評定
焊接方法的選擇不鏽鋼複合板基材的焊接可採用手動電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護焊及組合方法。過渡層和復層的焊接通常採用手工電弧焊或手工氬弧焊，也可採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標準和技術條件選擇，焊接材料應保證焊縫金屬的力學性能高於或等於相應母材的標準規定下限值。
復層的焊材選擇與復層的化學成份和機械性能接近的焊材，復層選用焊接材料應保證焊縫金屬的耐腐蝕性能，當有力學性能要求時，還應保證力學性能，奧氏體不鏽鋼的焊接材料應保證熔敷金屬的主要合金元素的含量不低於復層材料標準規定的下限值。
焊接過渡層的焊材應按異種鋼焊接材料選材原則，不鏽鋼複合板的過渡層焊條宜選擇25%Cr-13%Ni型或25%Cr-20%Ni型；復層含Mo的不鏽鋼複合板，宜採用25%Cr-13%Ni-Mo型焊條。
坡口的設計催化煙氣急冷塔不鏽鋼複合板焊接坡口形式需要依據接頭位置、複合板厚度、復層焊縫的化學成份要求和耐腐蝕要求來確定。焊接接頭型式的設計原則是在保證焊接質量的前提下，儘量減少填充金屬量，減少熔合比，便於操作等。一般大部分焊接工作安排在基層側進行，可減少過渡層與復層的焊接工作量，防止碳鋼或低合金鋼焊條與不鏽鋼復層結合，有利於控制復層金屬的化學成份和復層的焊接。不鏽鋼複合板對接常用坡口形式見圖2。
坡口加工與檢查，坡口及其兩側各20mm範圍內進行表面清理，去除油汙、水、繡及氧化皮等汙物。由於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層變形。組對時應以復層為基準，復層等厚時對口錯邊量不應大於復層厚度的50%，且不大於2mm。定位焊縫應焊在基層母材上，定位焊縫應有評定合格的焊接工藝，且應由合格的焊工施焊。在組裝過程中，工卡具應焊在基層一層，不得在復層上焊接工卡具，去除卡具是應防止損失基層金屬，焊接處應打磨光滑。
2、焊接控制點
焊接前應根據焊接工藝評定報告編制焊接工藝文件，焊接應先焊基層，後焊過渡層和復層，且焊接基層時不得將基層金屬沉積在復層上。
基層的焊接焊接不鏽鋼複合板時，為工藝實施方便，減少焊接熱循環對不鏽鋼焊縫的作用，應先焊接基層部分，並將大部分焊接工作涉及在基層側進行，以減少可能對復層的損失，焊接基層焊道不得觸及和熔化復層，焊縫餘高應符合標準規定。
過渡層的焊接焊接過渡層是要在保證熔合良好的前提下，儘量採用較小直徑的焊條（一般採用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，避免複合層化學成分收影響，防止熔合去裂紋的發生，過渡層的厚度應小於2mm，並保證將基層全部覆蓋。
復層的焊接復層焊縫將作為抗腐蝕表面與工作介質接觸，因此在焊接過程中應儘可能採用較小的焊接線能量，並嚴格控制層間溫度，對於抗腐蝕要求較高的產品，復層焊接時的道間溫度應控制在100-150℃之間，復層焊縫與復材表面保持齊平、光滑，對接焊縫餘高應不大於1.5mm，角焊縫凹凸度及焊角蓋度應符合設計圖樣的規定。
焊接過程中應注意保護復層的表面，防止焊接飛濺損傷復材表面，不得在復層表面隨意引弧，焊接卡蘭、吊環以及臨時支架，不得用鐵錘敲擊複合層表面等，催化煙氣急冷塔復層焊接時以下幾個問題應引起重視：
（1） 焊縫容易產生結晶裂紋
結晶裂紋是熱裂紋的一種形式，焊縫金屬在結晶過程中冷卻到固相線附近的高溫時，液態晶界在焊接應力作用下產生的裂紋。影響結晶裂紋的因素主要有兩個：
稀釋率的影響 焊接奧氏體複合鋼板時，由於基層鋼板的含碳量高於復層，復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，焊縫結晶時易產生微裂紋。
結晶區間的影響 奧氏體鋼結晶溫度區間很大，熔池結晶時在枝晶的晶界上存在S、P、Si等低熔點共晶物呈現薄膜狀，這種液態薄膜在拉伸應力作用下易產生裂紋。
若焊接材料選擇不合適或焊接工藝不恰當，不鏽鋼焊縫就可能嚴重稀釋，形成馬氏體淬硬組織；或由於鉻、鎳強烈滲入珠光體鋼基層而嚴重脆化，產生裂紋。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，也不會產生馬氏體淬硬組織；同時，也應採用合適的焊接方法和焊接工藝，減小基層一側熔深和焊縫的稀釋。
（2） 熱影響區容易產生液化裂紋
複合鋼焊接時，奧氏體鋼熱影響區由於受焊接熱循環影響，低熔點雜質被熔化，在焊接應力作用下產生液化裂紋。焊接時，熱影響區受熔池金屬的熱膨脹作用產生壓縮應力，當電弧移開後，隨著溫度的降低，壓縮應力變拉伸應力。之後，熱影響區晶界上存在的低熔點共晶物的液膜被拉開產生裂紋。這種裂紋是由於奧氏體系複合鋼板的熱影響區晶界受焊接熱循環作用，低熔點共晶物液化產生的，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生液態膜，但在壓縮應力作用下已完成結晶，當轉變為拉伸應力時晶界已不存在液態膜了，所以也就不產生裂紋。
防止奧氏體系複合鋼板焊縫及熱影響區產生結晶裂紋和液化裂紋的主要措施為：正確制定焊接工藝，嚴格遵守操作規程，合理選擇填充材料。
（3） 熔合區脆化
焊接奧氏體系複合鋼板時，熔合區出現脆化的原因有如下幾個：
a. 結構鋼焊條的影響 用結構鋼焊條焊接基層鋼板時，由於熱作用使復層鋼板局部熔化，合金元素滲入焊縫。在熔合區附近狹小區域中，攪拌作用不充分而產生馬氏體組織，使熔合區硬度和脆性增加。
b. 不鏽鋼焊條的影響 用不鏽鋼焊條焊接復層鋼板時，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的不鏽鋼復層焊縫金屬擴散遷移，因此在基層和復層的交界形成高硬度的增碳層和低硬度的脫碳層，引起熔合區的脆化或軟化。
為了防止碳的遷移，可在基層和復層之間採用「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」，然後用奧氏體鋼焊條焊接復層，最後用結構鋼焊條焊接基層。這種工藝措施可有效地防止碳的遷移，避免在熔合區附近出現脫碳層和增碳層，從而減小了熔合區的脆化，使複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計文件規定執行，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於100mm，並且兩端應有一定坡度，對過渡層清除缺陷後，用著色探傷檢查，以確保裂紋全部清除後再進行返修。
返修時儘量選用小直徑焊條,選用工藝評定的下限參數，採用多層多道焊接法。在返修基層時，在焊基層前適當預熱基層（100℃~150℃），清除坡口內的水分和雜質；焊接過程中連續施焊，控制好線能量，保證層間溫度；焊後對焊縫區加熱，加熱範圍不可過大，一般大於鋼板厚度的兩倍即可，溫度控制在250℃，保溫30~40分鐘，以防基層和復層結合部位開裂[4]。
五、結論
催化煙氣急冷吸收塔不鏽鋼複合板焊接只有對焊接方法、焊接材料、坡口設計、焊接順序和焊縫無損檢驗等加以全過程控制，焊接質量才能得以保證，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，目前該臺塔器已平穩運行6個月，無異常。
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