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催化煙氣急冷吸收塔不鏽鋼複合板焊接控制點探討

作者: 发布时间:2020-02-24 16:04:02點擊:366

催化煙氣含有大量的SO2、NOx和顆粒物等有害物,已成爲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,煙氣急冷吸收塔作爲煙氣脫硫、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,焊縫質量直接關系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。

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。煙氣脫硫單元作爲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。

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

将臭氧发生单元产生的臭氧注入到冷却吸收塔的入口段与再生烟气中的NOx发生反应,将其转化为N2O5,N2O5结合烟气中的水蒸气形成硝酸,以上变化发生在注入点到冷却吸收塔入口段之间的区域。在反应区烟气被4层雾化喷嘴洗涤,NaOH 溶液将与硝酸发生中和反应。雾化喷嘴同时从烟气中脱除未反应的臭氧,完成NOx控制工艺的最后一步。反应式如下:

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(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

催化烟气急冷吸收塔是烟气脱硫、脱硝技术的核心单元,急冷吸收塔直径8500mm,頂部烟囱直径4250mm,全塔总高125000mm(切),内设喷头、滤清模块、水珠分离器等。急冷吸收塔本体均采用不锈钢复合板,上部烟囱S31603+Q345R,局部采用Alloy20+Q345R,复层厚度为3mm ,急冷塔本体采用S30403+Q345R,复层厚度为4mm。烟气急冷吸收塔规格及材质见表1。

2.jpg

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、過渡層和複層的填充材料。由于基層與複層母材、基層與複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,容易在基層一側産生脫碳帶,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,有産生裂紋的危險;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。脫碳帶不僅是低溫沖擊韌性的低值區,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沖擊韌性的降低並産生裂紋。

爲了有效地控制稀釋和碳遷移,故需要在複層和基層之間增加一過渡層,即焊接分爲基層焊接、過渡層焊接和複層焊接,基層和複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複層金屬材料決定,過渡層焊接屬于異種鋼焊接,其焊接性主要決定于基層和複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、焊前准備

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。過渡層和複層的焊接通常采用手工電弧焊或手工氩弧焊,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標准和技術條件選擇,焊接材料應保證焊縫金屬的力學性能高于或等于相應母材的標准規定下限值。

複層的焊材選擇與複層的化學成份和機械性能接近的焊材,複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于複層材料標准規定的下限值。

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;複層含Mo的不鏽鋼複合板,宜采用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、複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,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進行,可減少過渡層與複層的焊接工作量,防止碳鋼或低合金鋼焊條與不鏽鋼複層結合,有利于控制複層金屬的化學成份和複層的焊接。不鏽鋼複合板對接常用坡口形式見圖2。

3.jpg

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,禁止強力組對致使複層變形。組對時應以複層爲基准,複層等厚時對口錯邊量不應大于複層厚度的50%,且不大于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,不得在複層上焊接工卡具,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

焊接前应根据焊接工藝評定报告编制焊接工艺文件,焊接应先焊基层,后焊过渡层和复层,且焊接基层时不得将基层金属沉积在复层上。

  • 基層的焊接

焊接不鏽鋼複合板時,爲工藝實施方便,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,以減少可能對複層的損失,焊接基層焊道不得觸及和熔化複層,焊縫余高應符合標准規定。

  • 過渡層的焊接

焊接過渡層是要在保證熔合良好的前提下,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,過渡層的厚度應小于2mm,並保證將基層全部覆蓋。

  • 複層的焊接

複層焊縫將作爲抗腐蝕表面與工作介質接觸,因此在焊接過程中應盡可能采用較小的焊接線能量,並嚴格控制層間溫度,對于抗腐蝕要求較高的産品,複層焊接時的道間溫度應控制在100-150℃之間,複層焊縫與複材表面保持齊平、光滑,對接焊縫余高應不大于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複層的表面,防止焊接飛濺損傷複材表面,不得在複層表面隨意引弧,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,催化煙氣急冷塔複層焊接時以下幾個問題應引起重視:

(1) 焊缝容易产生结晶裂纹

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産生的裂紋。影響結晶裂紋的因素主要有兩個:

稀释率的影响 焊接奥氏体复合钢板时,由于基层钢板的含碳量高于复层,复层受基层的稀释作用,使焊缝中奥氏体形成元素减少,含碳量增多,焊缝结晶时易产生微裂纹。

结晶区间的影响 奥氏体钢结晶温度区间很大,熔池结晶时在枝晶的晶界上存在S、P、Si等低熔点共晶物呈现薄膜状,这种液态薄膜在拉伸应力作用下易产生裂纹。

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;或由于鉻、鎳強烈滲入珠光體鋼基層而嚴重脆化,産生裂紋。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,也不會産生馬氏體淬硬組織;同時,也應采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) 热影响区容易产生液化裂纹

複合鋼焊接時,奧氏體鋼熱影響區由于受焊接熱循環影響,低熔點雜質被熔化,在焊接應力作用下産生液化裂紋。焊接時,熱影響區受熔池金屬的熱膨脹作用産生壓縮應力,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産生裂紋。這種裂紋是由于奧氏體系複合鋼板的熱影響區晶界受焊接熱循環作用,低熔點共晶物液化産生的,所以稱爲液化裂紋。如果晶界析出物的熔點高,即使受焊接熱作用瞬時産生液態膜,但在壓縮應力作用下已完成結晶,當轉變爲拉伸應力時晶界已不存在液態膜了,所以也就不産生裂紋。

防止奧氏體系複合鋼板焊縫及熱影響區産生結晶裂紋和液化裂紋的主要措施爲: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) 熔合区脆化

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. 结构钢焊条的影响 用结构钢焊条焊接基层钢板时,由于热作用使复层钢板局部熔化,合金元素渗入焊缝。在熔合区附近狭小区域中,搅拌作用不充分而产生马氏体组织,使熔合区硬度和脆性增加。

b. 不锈钢焊条的影响 用不锈钢焊条焊接复层钢板时,容易熔化基层钢板,使焊缝金属成分稀释,焊缝金属为奥氏体马氏体组织,使塑性和耐蚀性降低,而熔合区的脆性明显增加。

c. 碳迁移的影响 焊接时碳由低Cr的基层钢板(碳钢或低合金钢)向高Cr的不锈钢复层焊缝金属扩散迁移,因此在基层和复层的交界形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层,引起熔合区的脆化或软化。

爲了防止碳的遷移,可在基層和複層之間采用“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”,然後用奧氏體鋼焊條焊接複層,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)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,爲了防止引弧、收弧處的缺陷疊加,返修處的坡口長度一般不小于100mm,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。

返修時盡量選用小直徑焊條,選用工藝評定的下限參數,采用多層多道焊接法。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,一般大于鋼板厚度的兩倍即可,溫度控制在250℃,保溫30~40分鍾,以防基層和複層結合部位開裂[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,這也將爲催化裝置煙氣脫硫脫硝單元長周期運行打下堅實基礎,目前該台塔器已平穩運行6個月,無異常。


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