內襯6Mo材料焊接修復塔體

吳家雷 姜賢文 王乃軍 張希剛 張元友 任 敏

（山東聯友石化工程有限公司，濟南 250101）

2014年5月，中石化濟南分公司二催化新增煙氣脫硫裝置開工投用僅2個月后，部分管線的焊口就因腐蝕發生嚴重泄漏。切換后停工檢查發現，冷卻吸收塔塔壁大部分也腐蝕嚴重。

煙氣脫硫冷卻吸收塔標高70 m，見圖1（a），圖2為結構示意圖。它的作用是將催化裂化輸入的含硫煙氣在急冷洗滌區（▽23650以下）進行急冷飽和，將溫度由180～230 ℃降到59 ℃，同時除去大部分催化劑粉塵和強酸性氣體。經過急冷的含硫煙氣從吸收區底部進入（▽23650以上），與吸收劑進行逆向接觸，煙氣中的SO2被吸收劑吸收，凈化后的煙氣經吸收塔頂部的煙囪直接排入大氣。其中，▽54614以上錐體（材質為14 mm Q345R+3 mm S30403復合鋼板）和煙筒段（材質為10 mm Q345R+3 mm S30403復合鋼板）腐蝕最嚴重，見圖1（b）；▽37910～54614直筒段（材質為14 mm Q345R+3 mm S30403復合鋼板）有比較嚴重的腐蝕現象；▽37910以下塔體（材質為14 mm Q345R+3 mm N22053和18 mm Q345R+ 3 mm N08367復合鋼板）及錐體（8 mm 22053材質）未見腐蝕現象。由于冷卻吸收塔為煙氣脫硫環保裝置的核心設備，不可能長時間停工等待更換新塔。結合材料的采購情況，設計單位和業主決定對塔體▽37910以上內壁襯更換為4 mm材質N08367鋼板，以改善塔體的抗腐蝕能力。這個過程需要襯板的凈面積超過500 m2。

圖1 全貌及腐蝕情況

圖2 冷卻吸收塔結構示意圖（單位：mm）

該工程存在難度。一方面，當時能夠查閱的相應資料相當有限，除《鉻鎳奧氏體不銹鋼塞焊襯里設備》（JBTQ 267—1981）以及18-8系列材料的參考資料外，其他可查閱正式資料不多。筆者所在單位僅有S30403復合鋼板的實踐經歷[1]。另一方面，工期緊工作量大，結構比較復雜，需要貼板的部位除了筒體、錐體外，還有Φ792 mm的人孔檢查孔（筒節 14 mm Q345R+3 mm S30403復合鋼板）5處，以及多處內件、支撐件，大大增加了襯板的拼接難度。作為防腐蝕襯里的焊接，交付后出現一處泄漏將前功盡棄。因此，從材料驗收、焊接工藝評定試驗、焊接以及檢驗試驗等方面進行了一系列探索。

1 材料驗收、管理

1.1 材料的成分與性能

原塔壁和N08367（鎳-鉻-鉬基合金，簡稱6Mo 鋼）襯板材料的規格和主要合金元素成分見表1，力學性能見表2。

表1 冷卻吸收塔塔壁各部位和襯板材料的規格、主要合金元素成分

表2 6Mo（N08367）力學性能

擬采用ENiCrMo-3焊條，其熔敷金屬合金元素成分見表3。即便在焊接過程中發生“鉬燒損”，焊縫部位耐腐蝕性能依然不低于母材。

表3 ENiCrMo-3焊條熔敷金屬主要合金元素成分 單位：%

1.2 母材的驗收

全部母材近500 m2，以卷板形式交付，使用前應整體檢查和驗收，且材料標識應清晰完整，并應能夠追溯到產品質量證明文件[2]。

開平板后的N08367內襯板，按批號復驗力學性能分別在頭部、中部、尾部各取1套試樣。結果顯示，復驗的力學性能均符合質量證明書和標準的規定。

此外，在頭部、中部、尾部各抽取1張板進行驗證性光譜分析，結果均符合質量證明書和標準的規定。

1.3 焊材的驗收

1.3.1 外觀檢查

外觀檢查時，要求包裝完好，標記清晰且符合標準的要求，爐批號能與合格證相匹配。此外，要求藥皮表面應光滑細膩，無氣孔和損傷，藥皮不偏心，焊芯無腐蝕現象。

1.3.2 實際操作檢驗

通過施焊來檢驗焊條的質量，觀察電弧是否穩定燃燒，焊芯和藥皮融化是否均勻，飛濺是否少，焊縫成型如何，脫渣是否容易等。

1.4 材料的保管和使用

母材存放、搬運、剪切及鉆孔過程中，主要要求如下：不得直接堆放于地面；所有過程不得和鐵制品（包括為施焊搭設腳手架的架桿、架板）接觸、混放，可用木質、紙質、橡膠及石棉等材料接觸；不得用包括不銹鋼、銅質、鋁質在內的硬物敲擊；不得在板材表面打弧，板材表面不得被尖銳物劃傷。此外，吊裝時不得直接用裸露的鋼絲繩捆綁，滾弧時將卷板機滾軸用牛皮紙包裹以防止鐵離子污染。焊條存放的一級庫的環境和溫濕度符合要求，并每天填寫焊材庫溫濕度記錄。

在焊材的發放與回收方面，要求焊條在使用前應按說明書的要求在二級庫進行烘干，見表4，并填寫焊條烘烤記錄。焊工憑焊材領用卡和上一班作業的焊條頭、剩余焊條，加上5%的損耗，領取新烘焙的焊條。焊條要放于保溫桶，隨用隨取，以保證使用過程中保持干燥。上一班未用完的焊條交回二級庫后，按表4的要求重新烘焙方可使用。需要注意，重新烘焙的次數不得超過2次。

表4 焊條烘烤溫度表

2 焊接

2.1 焊接技能考核

需焊接部位母材的組合包括Q345R+S30403、6Mo和S30403+6Mo，焊接位置包括平焊（1G）、橫焊（2G）、立焊（3G）和仰焊（4G），形成的焊縫包括角焊縫、對接焊縫、塞焊焊縫及堆焊層等，且全部采用焊條電弧焊（Shielded Metal Arc Welding，SMAW）。

按照《特種設備焊接操作人員考核細則》（TSG Z6002—2010），該工程擬采用的母材和焊材無對應的合格項次描述。6Mo材料屬超級奧氏體不銹鋼，按照TSG Z6002—2010對材料的分類原則，可以將其歸類為FeⅣ類，焊工應具備的持證項次為SMAWFeⅣ-3G-12-Fef4J和SMAW-FeⅣ-2G-12-Fef4J或者SMAW-FeⅣ-6G-5/57-FeF4。

企業焊接技能評定委員會按照有關設計文件和焊接技術條件，對選用焊工焊接操作技能進行評定[3]，并經建設單位（監理）審查認可。考試試件的母材用奧氏體不銹鋼，焊材選用EcrNiMo-3/Ф2.4。考試內容滿足持證項次需要。

2.2 焊接工藝評定與試驗

第一，確定試件材料。選擇厚度為4 mm的N08367鋼板作為母材，應用焊條手弧焊方式進行焊接，焊接位置為立焊（3G），焊接材料為ENiCrMo-3/Ф2.4/3.2。

第二，焊接工藝評定過程依據標準進行[4]。

第三，評定時進行無損檢測和拉伸、彎曲試驗。為了滿足腐蝕性使用工況的適應性，對試件進行耐腐蝕試驗。試驗方法和試驗標準有以下4種。首先，氯離子應力腐蝕試驗，試驗標準為YB/T 5362—2006。試驗按照標準中U形彎曲試驗進行，試驗進行兩個周期，每個周期96 h。試驗介質使用42%的氯化鎂溶液，試驗溶液的沸點保持在143 ℃±1 ℃， 試驗持續96 h，10倍放大鏡目視檢查有無因應力腐蝕而產生的裂紋。其次，抗硫化物應力腐蝕開裂（Sulfide Stress Corrosion Cracking，SSC）試 驗， 試驗標準為NACE TM0177—2005。試驗介質為5% NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，周期為720 h。 采用四點彎曲試樣，試驗溫度為24 ℃±3 ℃，壓力為常壓。10倍放大鏡檢查試樣的受拉伸面是否出現EC裂紋。再次，耐晶間腐蝕性能試驗，試驗標準為參考GB/T 15260—1994方法A。試驗介質為硫酸鐵（Ⅲ）-硫酸溶液，時間為24 h。保持溶液沸騰狀態，稱重計算焊接接頭和母材的腐蝕速率，并計算腐蝕速率比值。最后，耐點蝕性能試驗，試驗標準為 GB/T 17897—1999。試驗介質為三氯化鐵溶液，溫度為50 ℃±1 ℃，時間為24 h。根據質量損失計算腐蝕速率，即單位時間單位面積的質量損失量，單位為mdd。

第四，所有檢驗和試驗結果全部合格，見表5。

表5 耐腐蝕試驗情況一覽表

第五，焊接工藝評定合格后編制焊接工藝評定報告，依據報告編制焊接工藝手冊，用于指導現場施焊。

2.3 焊前準備及施焊環境

作為技術交底內容的一部分，制作焊接樣板，根據焊接修復的實際情況制作一塊樣板，能展示點固焊、密封焊、填充焊及蓋面焊等4個階段工件的標準形態。

加工襯板時，需要重點考慮下料、定尺、鉆孔及滾弧。第一，下料。在規則的內襯板采用剪切下料，在不規則（如人孔、錐體）的內襯板可采用等離子切割下料或修正。剪切下料的要打磨去除剪切銳角，采用等離子下料的要在交到下道工序前清理干凈氧化層并打磨至露出金屬光澤[5]。第二，襯板定尺為2 000 mm× 1 219 mm，人孔、檢查孔直徑為Ф792 mm。為方便進出和提高材料的利用率，襯板短邊不得大于610 mm。 第三，鉆孔。考慮塞焊孔直徑過大，原復層合金元素含量較低，易造成焊縫金屬的過渡稀釋，因此孔徑太小不利于施焊，最終確定孔徑為Ф14 mm。襯板鉆孔排列方式按圖3設計，鉆孔完畢后，孔內、孔邊緣、板邊緣打磨至沒有毛刺。第四，滾弧。依據貼板部位的直徑，鉆孔后進行適當的滾弧處理，以利于貼合。

圖3 塞焊孔布置（單位：mm）

此外，因為在塔內施焊，除大雨天外，施焊環境需要能滿足標準要求[5]。

2.4 基材處理

塔壁先經污物清理和表面除銹處理，既能進一步查清腐蝕情況，又能減少貼板焊接時焊縫擴散氫的來源。

塔壁內腐蝕到基層部分時，采取堆焊工藝進行修復。塔壁內大面積腐蝕到基材部位時，待局部清理后，采用δ3小塊S30403不銹鋼板貼板以減少焊接帶來的應力情況惡化。焊接材料為E309L/Ф3.2，焊接參數采用小規范原則，電流為70～90 A，焊接完成后磨平。

人孔檢查孔焊接接頭打磨與塔內壁齊平，以保證內襯的鋼板盡量與塔壁貼合，對內件、支撐件角焊縫修磨。不銹鋼部分的打磨、修磨（含下料切割鉆孔時）要用專用不銹鋼砂輪片。

襯板點固前，應對基材再次進行除銹處理，并在塞焊孔邊緣50 mm內打磨出金屬光澤。加工好的襯板表面再次確認清除包括水、油污在內的一切雜物。

2.5 組對

首先，將內壁根據貼板尺寸進行劃線，同時貼板焊縫與塔體原焊縫盡量避開。其次，將貼板由人孔處抬入，依次鋪設，預留對接焊縫間隙。當遇到內件阻擋物或人孔檢查孔時，應進行切割拼接。最后，進行人孔、檢查孔筒節的貼板，不處理人孔、檢查孔蓋，投用后采用聚四氟乙烯板與腐蝕性介質隔離。

2.6 襯板的點固

點固焊采用低線能量的參數焊接，為此采用Ф2.4 mm的焊條。襯板點固時，應采用從中間向四周的點固或從一邊到另一邊的順序點固。塞焊孔也要點固，以保證鋼板盡量與塔壁貼合，減少不銹鋼板與塔壁的空間。點固焊避免強力組裝，點固后血確保襯板與基體的間隙不大于0.5 mm。上下相鄰襯板的縱焊縫應錯開距離100 mm以上，避免產生“十”字焊縫。塞焊孔離襯板邊緣的距離應不大于250 mm，否則應增加塞焊孔。除角焊縫外，襯板的塞焊焊縫、拼接焊縫與基體原有對接焊縫應錯開50 mm以上。焊接坡口采用圖4的幾種形式組對。

圖4 坡口組對

2.7 施焊

襯里層施焊前，在施焊處周圍要涂保護劑，以免飛濺物損傷表面。不得隨意在母材上打弧，發現飛濺和打弧之處要打磨光滑。每一圈襯板點固后的焊接順序為先塞焊，再縱向拼接焊縫，最后環向拼接焊縫，且采用分段交叉焊接。環向拼接焊縫采用多名焊工對稱分布焊接，每位焊工焊接采用分段交叉焊接工藝，以減少焊接殘余應力導致的變形。板拼接和塞焊時，先密封焊，再填充焊，最后蓋面焊，見圖5。

圖5 焊接順序

層間溫度要控制在常溫，即手摸工件不燙才可進行下一層（道）焊接。焊接工藝參數如表6所示。

表6 焊接工藝參數

人孔法蘭面與筒節內壁焊接后，不管是否有焊縫，密封面都要用便攜式法蘭修復機進行加工，以保證密封效果。

3 檢驗與試驗

3.1 焊縫外觀合格標準

密封焊縫要求圓滑過渡，無氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，不高出襯板。填充焊縫要求焊接波紋均勻，無氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，不高出襯板。蓋面焊縫要求焊接波紋均勻，無氣孔、夾渣、裂紋及咬邊等缺陷，高出襯板余高不大于2 mm，否則應進行修磨。

3.2 無損檢測與滲漏試驗

所有焊縫要經滲透檢測，符合《承壓設備無損檢測》（JB/T 4730—2005），Ⅰ級合格。每塊襯板劃線后點固前，塔壁上設置規格為M10的滲漏試驗孔，與大氣相通。該孔盡量設在襯板對應位置的下部，與基體焊縫的間距不大于50 mm，且相鄰襯板的滲漏試驗孔盡量靠近。每塊襯板相關的所有焊縫經滲透檢測合格后，通過M6的滲漏試驗孔通入0.1 MPa的壓縮空氣。壓強穩定后，用肥皂水檢查焊縫是否泄露，保壓時間不得少于30 min。保壓期間，以未發現滲漏為合格。滲漏試驗孔保持與大氣相通，整個工程驗收合格后交業主用于運行監測。

3.3 焊縫返修

對于經滲透檢測和滲漏試驗發現缺陷的焊縫，返修時都要打磨（或鉆孔）至根部，確認清除缺陷后，方可按返修焊接工藝進行補焊，完成后重新進行滲透檢測和滲漏試驗，直至檢測和試驗合格。塞焊縫發現的缺陷采用鉆孔的方法消除。

4 酸洗鈍化

4.1 酸洗鈍化依據

按照標準和設計單位、業主的要求[5]，貼板焊接全部完成，并各項檢驗和試驗全部合格后要進行酸洗鈍化。酸洗鈍化依據的標準有《不銹鋼酸洗鈍化膏》（CB/T 3595—2013）、《不銹鋼電解拋光及打磨拋光和酸洗鈍化所形成的表面鈍化膜檢驗》（ISO15730）和《工業設備化學清洗質量標準》（HG/T 2387—2007）。

4.2 酸洗鈍化作業

從上到下根據工藝要求依次分成若干個作業區域，酸洗鈍化前應拆除或隔離能受清洗液損害而影響正常運行的部件和配件，無法拆除或隔離者不應產生由于清洗而造成的損傷。拆除后的管件、儀表及閥門等，可單獨酸洗處理。

酸洗鈍化關鍵步驟要點如下。

步驟1：除油。用破布蘸取中性清洗液擦拭酸洗面，然后用干破布擦除，肉眼觀察不到油污即可。發現有疑似質量問題（包括母材、焊縫）時，及時向防腐（工程）負責人反饋。

步驟2：第一遍酸洗鈍化。用毛刷涂刷酸洗鈍化膏，要求涂刷均勻、密實、不漏刷及不流淌。涂刷完成后，靜置反應20～30 min。對銹跡、附著氧化物明顯處，用塑料毛刷劃刷，再靜置5～15 min即可。發現有疑似質量問題（包括母材、焊縫）時，及時向技術負責人反饋，直至修磨修補。

步驟3：第一次水洗。打開水槍，要求側向沖刷、間距基面80 cm，向酸洗鈍化后的酸洗面反復沖刷，直至露出鋼材基面本色為止。

步驟4：第二遍酸洗鈍化。用毛刷涂刷酸洗鈍化膏，要求涂刷均勻、密實、不漏刷及不流淌。涂刷完成后，靜置反應30～40 min，充分鈍化后即可。

步驟5：第二次水洗。打開水槍，要求側向沖刷、間距基面80 cm，向酸洗鈍化后的酸洗面反復沖刷，水壓不能過大（＜0.3 MPa），以防水的沖擊力破壞鈍化膜的完整性，直至露出銀灰色鈍化膜基面為止。然后，用酸性試紙對表面殘留的水珠進行測試比對，pH值接近7（中性）為宜。

步驟6：用潔凈干燥的壓縮空氣全面吹掃設備基面，直至基面干燥為止。

每個作業區域重復步驟2～步驟6。

4.3 酸洗鈍化效果的檢驗

目測工件表面有可見、均勻的銀灰色鈍化膜。此外，采用藍點檢測。用1 g鐵氰化鉀加3 mL（65%～ 85%）HNO3和100 mL水配制成溶液（宜現用現配），然后用濾紙浸漬溶液后貼附于待測表面或直接將溶液涂、滴于待測表面，30 s內觀察顯現藍點情況，無藍點為合格。若有藍點，要按4.2章節酸洗鈍化作業步驟再進行至少一遍酸洗鈍化，直至藍點檢測合格。

5 結論

自2014年8月完工交付，設備未從滲漏試驗孔發現泄漏。2021年3月停工檢修，因為工藝改變，▽54614錐體以上被更換去除，▽54614以下仍繼續使用，見圖6。利用2021年3月停工檢修改造的時機，對特征明顯部位進行比對，未見明顯腐蝕或其他破壞的痕跡，見圖7。

圖6 2021年冷卻吸收塔改造后全貌

圖7 2014年與2021年局部對比