大直徑薄壁船用海水噴淋脫硫塔的制造

李 祺， 徐 成， 張 崢， 馬秀清， 劉 磊， 李金波

(1.上海藍濱石化設備有限責任公司， 上海 201518；2.機械工業(yè)上海藍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備，塔體工作時處于高溫、高硫的強腐蝕性環(huán)境中，需要承受強酸性浸泡腐蝕及較強的沖刷，因此脫硫塔的材料必須具備承受高溫和耐強腐蝕的能力。

雙相不銹鋼具有良好的力學性能和抗腐蝕性能。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，雙相不銹鋼的強度高并且耐晶間腐蝕和氯化物應力腐蝕能力強，對焊接熱裂紋不敏感[9-11]。采用雙相不銹鋼制造設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備、海水與廢水處理設備、輸油輸氣管線以及造紙機械等的制造，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)階段被廣泛應用于石油化工、化學及環(huán)境工程等領域。

我公司在制造某大直徑薄壁船用海水噴淋脫硫塔時，根據(jù)海水噴淋脫硫塔的結構特點、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，滿足了設計圖樣和用戶的要求。

1 脫硫塔殼體結構參數(shù)及制造難點

1.1 殼體結構參數(shù)

海水噴淋脫硫塔外觀結構示意見圖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。整個殼體由5節(jié)筒體組對成型，殼體上部的4節(jié)筒節(jié)采用抗海水腐蝕性較強的超級雙相不銹鋼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。脫硫塔設計溫度450 ℃，設計壓力0.005 MPa。煙氣由塔體下部側(cè)向進入塔體，海水由塔體上部噴淋管進入塔內(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構示圖

1.2 制造難點

①脫硫塔殼體壁厚薄，剛性不足，殼體在吊裝轉(zhuǎn)運及組裝過程中易產(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塊平板拼接組對成型后進行焊接，并在卷板機上預彎壓頭，然后將組對好的3塊平板再組焊為錐體并焊接。整個錐體焊后再次在卷板機上進行卷制，使錐體橢圓度不大于10 mm，保證錐體能夠與殼體筒節(jié)組對后錯邊量不超過1 mm。

2.2 筒節(jié)卷制及校圓

按照下料排版圖進行筒節(jié)的激光切割下料，筒節(jié)邊緣采用刨邊機加工坡口，坡口形式與錐體板料拼縫坡口形式相同。在卷板機上對筒節(jié)兩端進行預壓圓時，因筒節(jié)直徑大，壁厚較薄，操作時筒節(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)縱焊縫對接較為困難。為此，在筒節(jié)背部制作了一個高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)放置在卷板機上進行整體校圓，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。傳統(tǒng)的筒節(jié)吊裝主要采用擺鉤吊裝筒節(jié)兩側(cè)進行提拉，而擺鉤在吊裝變形量較大的脫硫塔筒節(jié)時易產(chǎn)生滑落脫鉤，且筒節(jié)吊裝起來后無法隨卷板機轉(zhuǎn)動。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)可以隨著卷板機轉(zhuǎn)動，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問題，同時提高工作效率[12]。

2.3 殼體組裝

整個殼體由5節(jié)筒節(jié)組對成型，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)筒體上下組對后進行整體環(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，將殼體臥置進行合口焊接。煙氣出口筒節(jié)和蝦米彎段單獨組裝和焊接。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行組裝和焊接。

因筒節(jié)高度較高時無法進行殼體開孔劃線，因此單個筒節(jié)縱焊縫焊接后專門在殼體外表面標出接管開孔位置線。為控制整體組裝尺寸偏差，應嚴格控制筒節(jié)下料尺寸偏差和焊接變形量。單個筒節(jié)長度尺寸偏差應控制在1 mm以內(nèi)。焊前對焊縫坡口兩側(cè)距離坡口邊緣50 mm的位置進行標記，焊縫焊接完成后對兩側(cè)標記位置的距離再次進行測量，結合焊縫坡口間隙，計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

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

設備無損檢測合格后進行氣密性試驗檢查，氣密性試驗壓力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鍵在于線能量和層間溫度的控制以及惰性氣體的保護[14-15]。采用鎢極氬弧焊對該脫硫塔殼體進行焊接，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，施焊時焊槍、焊縫正面尾部及焊縫背面全部進行氬氣保護，焊縫背面應提前送氣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，在工裝端部設置千斤頂。通過使用門型工裝對錐體拼接焊縫周邊進行局部校形，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

嚴格控制脫硫塔筒節(jié)的下料尺寸，筒節(jié)縱焊縫的對口錯邊量應不大于1 mm，筒節(jié)的環(huán)向周長偏差應不大于3 mm，保證環(huán)焊縫組對之后的錯邊量不大于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。對筒體進行剛性加固，組裝內(nèi)部支撐[16-22]。

組裝接管時，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 結語

針對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，采用實用的卷圓及校圓工裝，實現(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。