李 祺， 徐 成， 張 崢， 馬秀清， 劉 磊， 李金波

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化檢測所有限公司， 上海 201518)

海水中含有大量的弱酸和弱堿鹽類，具有較強(qiáng)的酸堿緩沖和吸收酸性氣體的能力。海水噴淋脫硫法的原理就是利用海水的弱堿性吸收煙氣中的SO2，形成無污染的Na2SO3和Na2SO4，減少船舶尾氣對(duì)環(huán)境的污染。海水噴淋脫硫法工藝簡單，脫硫效率高，不需要任何添加劑，海水就地取材，運(yùn)行成本低，被廣泛用于船舶煙氣脫硫[1-8]。脫硫塔是海水噴淋脫硫的核心設(shè)備，塔體工作時(shí)處于高溫、高硫的強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中，需要承受強(qiáng)酸性浸泡腐蝕及較強(qiáng)的沖刷，因此脫硫塔的材料必須具備承受高溫和耐強(qiáng)腐蝕的能力。

雙相不銹鋼具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性比較好，在焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生晶粒粗化現(xiàn)象。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強(qiáng)度高并且耐晶間腐蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)，對(duì)焊接熱裂紋不敏感[9-11]。采用雙相不銹鋼制造設(shè)備可以降低制造成本，適用于介質(zhì)環(huán)境比較惡劣的工況條件。目前雙相不銹鋼被廣泛用于石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線以及造紙機(jī)械等的制造，發(fā)展前景良好。

鎳基合金N08031是一種含氮的鐵鎳鉻鉬合金，其強(qiáng)度高、塑性好，并且易于加工和焊接，在高溫條件下具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕能力。N08031能夠用于制造工作壁溫在-196～450 ℃的壓力容器，現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)及環(huán)境工程等領(lǐng)域。

我公司在制造某大直徑薄壁船用海水噴淋脫硫塔時(shí)，根據(jù)海水噴淋脫硫塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、雙相不銹鋼和鎳基合金的材料特性，制定了合理的制造工藝方案，采用有效的防變形工裝和合理的焊接工藝，保證了脫硫塔薄壁殼體的制造精度，滿足了設(shè)計(jì)圖樣和用戶的要求。

1 脫硫塔殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)及制造難點(diǎn)

1.1 殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)

海水噴淋脫硫塔外觀結(jié)構(gòu)示意見圖1。脫硫塔殼體內(nèi)徑4 500 mm，高度10 088 mm，煙氣入口直徑1 800 mm。整個(gè)殼體由5節(jié)筒體組對(duì)成型，殼體上部的4節(jié)筒節(jié)采用抗海水腐蝕性較強(qiáng)的超級(jí)雙相不銹鋼S32750，材料厚度6 mm；殼體最下部的1節(jié)殼體、煙氣入口段殼體和蝦米彎段等采用鎳基合金N08031，材料厚度為5 mm。脫硫塔設(shè)計(jì)溫度450 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.005 MPa。煙氣由塔體下部側(cè)向進(jìn)入塔體，海水由塔體上部噴淋管進(jìn)入塔內(nèi)噴淋，煙氣經(jīng)海水噴淋脫硫后從塔體頂部排出，廢水從塔體底部排出。

圖1 海水噴淋脫硫塔外觀結(jié)構(gòu)示圖

1.2 制造難點(diǎn)

①脫硫塔殼體壁厚薄，剛性不足，殼體在吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)及組裝過程中易產(chǎn)生變形。②雙相不銹鋼和鎳基合金材料硬度高，焊接收縮量大，焊接變形不易控制。③材料厚度薄，焊縫容易氧化。④殼體直徑大，殼體變形和焊縫焊接收縮量大，組裝精度較難控制。

2 脫硫塔制造工藝方案

2.1 上、下錐體成型

按照錐體上、下口直徑進(jìn)行展開放樣下料，上、下錐體都由12塊平板拼接成型。錐體板料均采用激光切割下料，材料邊緣用刨邊機(jī)加工坡口，拼縫的坡口形式見圖2。

圖2 錐體板料拼縫坡口形式

每4塊平板拼接組對(duì)成型后進(jìn)行焊接，并在卷板機(jī)上預(yù)彎壓頭，然后將組對(duì)好的3塊平板再組焊為錐體并焊接。整個(gè)錐體焊后再次在卷板機(jī)上進(jìn)行卷制，使錐體橢圓度不大于10 mm，保證錐體能夠與殼體筒節(jié)組對(duì)后錯(cuò)邊量不超過1 mm。

2.2 筒節(jié)卷制及校圓

按照下料排版圖進(jìn)行筒節(jié)的激光切割下料，筒節(jié)邊緣采用刨邊機(jī)加工坡口，坡口形式與錐體板料拼縫坡口形式相同。在卷板機(jī)上對(duì)筒節(jié)兩端進(jìn)行預(yù)壓圓時(shí)，因筒節(jié)直徑大，壁厚較薄，操作時(shí)筒節(jié)容易在自重作用下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和塌陷，造成極大的安全隱患，也使筒節(jié)縱焊縫對(duì)接較為困難。為此，在筒節(jié)背部制作了一個(gè)高2 m的滾輪支架，滾輪安裝在支架上部橫梁上。筒節(jié)壓頭工裝支架見圖3。筒節(jié)壓頭時(shí)滾輪支架支撐筒節(jié)中部，天車吊裝筒節(jié)端部，從而有效防止筒節(jié)翻轉(zhuǎn)，避免由于自重產(chǎn)生的筒節(jié)塌陷變形。

圖3 筒節(jié)壓頭工裝支架示圖

將卷圓后的筒節(jié)放置在卷板機(jī)上進(jìn)行整體校圓，此過程中筒節(jié)在自重作用下易產(chǎn)生塌陷變形，造成筒節(jié)橢圓度超標(biāo)。傳統(tǒng)的筒節(jié)吊裝主要采用擺鉤吊裝筒節(jié)兩側(cè)進(jìn)行提拉，而擺鉤在吊裝變形量較大的脫硫塔筒節(jié)時(shí)易產(chǎn)生滑落脫鉤，且筒節(jié)吊裝起來后無法隨卷板機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。為此筆者采用了1根帶有滾輪的鋼管作為起吊牽引工裝，見圖4。

圖4 筒節(jié)校圓起吊牽引工裝示圖

將筒節(jié)搭掛在起吊工裝的滾輪上，通過天車調(diào)整筒節(jié)上、下位置的橢圓度，筒節(jié)可以隨著卷板機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使校圓方便快捷。采用此工裝能夠解決筒節(jié)塌陷帶來的橢圓度超標(biāo)問題，同時(shí)提高工作效率[12]。

2.3 殼體組裝

整個(gè)殼體由5節(jié)筒節(jié)組對(duì)成型，為防止臥置組裝產(chǎn)生的筒節(jié)塌陷問題，采用立置方式從上到下進(jìn)行殼體整體組裝及焊接。組裝前在距筒節(jié)兩端部150～200 mm處用脹圈工裝進(jìn)行內(nèi)部支撐，并通過脹圈工裝調(diào)節(jié)筒節(jié)橢圓度，保證筒節(jié)橢圓度不大于10 mm、縱焊縫棱角度不超過2.5 mm。筒節(jié)橢圓度及棱角度調(diào)整好后組裝并焊接殼體內(nèi)外部支撐圈，以增加殼體剛性。2節(jié)筒體上下組對(duì)后進(jìn)行整體環(huán)焊縫焊接，環(huán)焊縫全部焊接完成后方可拆除脹圈，并且在組裝好的殼體端口保留脹圈。

將上錐體與上部S32750材質(zhì)的筒節(jié)進(jìn)行組裝、焊接，將下錐體與下部N08031材質(zhì)的筒節(jié)組裝、焊接后再與裙座組裝、焊接。上、下部殼體全部組裝、焊接完成后，將殼體臥置進(jìn)行合口焊接。煙氣出口筒節(jié)和蝦米彎段單獨(dú)組裝和焊接。主體殼體全部組裝合格后再將煙氣出口筒節(jié)和蝦米彎段與脫硫塔主體進(jìn)行組裝和焊接。

因筒節(jié)高度較高時(shí)無法進(jìn)行殼體開孔劃線，因此單個(gè)筒節(jié)縱焊縫焊接后專門在殼體外表面標(biāo)出接管開孔位置線。為控制整體組裝尺寸偏差，應(yīng)嚴(yán)格控制筒節(jié)下料尺寸偏差和焊接變形量。單個(gè)筒節(jié)長度尺寸偏差應(yīng)控制在1 mm以內(nèi)。焊前對(duì)焊縫坡口兩側(cè)距離坡口邊緣50 mm的位置進(jìn)行標(biāo)記，焊縫焊接完成后對(duì)兩側(cè)標(biāo)記位置的距離再次進(jìn)行測量，結(jié)合焊縫坡口間隙，計(jì)算得到單道焊縫的焊接收縮量。根據(jù)焊縫的焊接收縮量確定環(huán)焊縫制造過程中坡口的間隙為2.5～3 mm。

2.4 無損檢測及氣密性檢驗(yàn)

脫硫塔全部焊接完成后對(duì)所有對(duì)接焊縫按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》[13]進(jìn)行局部射線檢測，檢測長度不小于每道焊縫的10%且不小于250 mm，合格級(jí)別為Ⅲ級(jí)，質(zhì)量等級(jí)為AB級(jí)。同時(shí)對(duì)所有對(duì)接焊縫和角接焊縫表面進(jìn)行100% 滲透檢測，合格級(jí)別為Ⅰ級(jí)。

設(shè)備無損檢測合格后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)檢查，氣密性試驗(yàn)壓力0.005 MPa，采用肥皂水涂刷焊縫表面，以無明顯可見變形、無異常響聲、無泄漏為合格。

3 焊接工藝及焊接變形控制

3.1 焊接工藝

雙相不銹鋼經(jīng)固溶處理后含有50%～60%的奧氏體和50%～40%的鐵素體組織，適用的焊接方法有鎢極氬弧焊和焊條電弧焊等。雙相不銹鋼的焊接關(guān)鍵在于線能量和層間溫度的控制以及惰性氣體的保護(hù)[14-15]。采用鎢極氬弧焊對(duì)該脫硫塔殼體進(jìn)行焊接，材質(zhì)為雙相不銹鋼S32750的殼體焊接材料選用?2.4 mm的ER2594焊絲，材質(zhì)為鎳基合金N08031的殼體焊接材料選用?2.4 mm的ERNiCrMo-13焊絲，焊接電源均采用直流正接。不同殼體材質(zhì)的脫硫塔主體焊縫焊接工藝參數(shù)見表1和表2。焊接順序均采用跳焊方式，施焊時(shí)焊槍、焊縫正面尾部及焊縫背面全部進(jìn)行氬氣保護(hù)，焊縫背面應(yīng)提前送氣30 s，滯后停氣30 s。

表1 殼體材質(zhì)S32750的脫硫塔主體焊縫焊接工藝參數(shù)

表2 殼體材質(zhì)N08031的脫硫塔主體焊縫焊接工藝參數(shù)

3.2 焊接變形控制

錐體拼接后焊縫位置硬度值較高，產(chǎn)生焊接變形部位的校形難度較大。為此制作了專門的焊縫校形工裝(圖5)，工裝主體形式為門型，在工裝端部設(shè)置千斤頂。通過使用門型工裝對(duì)錐體拼接焊縫周邊進(jìn)行局部校形，保證了錐體焊縫及周邊部位呈現(xiàn)圓弧狀過渡。

圖5 錐體焊縫校形工裝示圖

嚴(yán)格控制脫硫塔筒節(jié)的下料尺寸，筒節(jié)縱焊縫的對(duì)口錯(cuò)邊量應(yīng)不大于1 mm，筒節(jié)的環(huán)向周長偏差應(yīng)不大于3 mm，保證環(huán)焊縫組對(duì)之后的錯(cuò)邊量不大于1 mm。

安裝脹圈可以增加薄壁筒體的剛度，減小焊接變形，提高單面焊接雙面成型焊縫的質(zhì)量。脹圈的安裝位置宜距離環(huán)焊縫150～200 mm，環(huán)焊縫焊接完成后再拆除脹圈。對(duì)筒體進(jìn)行剛性加固，組裝內(nèi)部支撐[16-22]。

組裝接管時(shí)，在殼體內(nèi)部加裝馬鞍形內(nèi)支撐，以增加殼體開孔處剛度，待接管與筒體焊接后溫度降至常溫方可拆除支撐工裝。

4 結(jié)語

針對(duì)大直徑薄壁海水噴淋脫硫塔制造中組裝精度難控制、易發(fā)生變形的問題，采用實(shí)用的卷圓及校圓工裝，實(shí)現(xiàn)了筒節(jié)的成型及焊接。采用立式組裝筒節(jié)方法，減小了筒節(jié)組裝過程的變形量，保證了筒節(jié)組裝尺寸的精度。采用文中所述焊接工藝焊接后，脫硫塔焊縫成型平整美觀，顏色為銀白色和金黃色，無藍(lán)色及灰色等氧化現(xiàn)象，主體縱、環(huán)焊縫的收縮量控制在2～3 mm，無咬邊、裂紋、夾渣等缺陷，保證了產(chǎn)品的制造質(zhì)量。