濕式靜電除塵器（WESP）蜂窩收塵極的制作

丁紅星

[普銳特冶金技術（中國）有限公司 供應商質量管理部，上海201108]

0 引言

濕式電除塵器通常簡稱WESP[1]。濕式電除塵器采用放電極對粉塵粒子荷電并遷移到收塵極收集，通過水霧噴嘴在一定間隔沖刷收塵極表面來進行清灰，可有效收集微細顆粒物（PM2.5 粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機污染物（多環芳烴、二噁英）等。使用濕式電除塵器后含濕煙氣中的煙塵排放可達10 mg/m3甚至5 mg/m3以下。與干燥顆粒相比，濕粉塵更容易荷電。因此，濕式電除塵器適用于含濕煙氣的處理，尤其適用在鋼廠濕法脫硫之后含塵煙氣的處理上，水在底部的罐（地上）或水池（地下）收集并泵送到水處理廠。

WESP 位于現有的濕法氣體凈化設備和ID 風機之間。這種布置的一個主要優點是原來的氣體凈化設備能夠保持不變，因為滿足排放限值要求的所有深度凈化都在WESP 中完成[2]。同時，ID 風機需要的維修工作量（比如定期人工清理和重新調平衡）也大為減少，因為廢氣在進入ID 風機時就已經非常清潔，如圖1 所示。WESP 為豎流式（立式）設計，蜂窩式結構，采用耐腐蝕的316L 材料作為收塵極，氣體流向為垂直方向進出。一般來說，同等通氣截面積情況下豎流式濕式靜電除塵器效率為橫流式的2 倍。WESP 具有除塵效率高、壓力損失小、操作簡單、能耗小、無運動部件、無二次揚塵、維護費用低、生產停工期短、可工作于煙氣露點溫度以下、由于結構緊湊而可與其他煙氣治理設備相互結合、尤其適合于效率較低的老式濕法轉爐廢氣凈化系統的改造和升級等優點。

圖1 濕式靜電除塵器布置圖

1 濕式靜電除塵器的組成

濕式靜電除塵器有七個部分，如圖2 所示。

圖2 濕式靜電除塵器的組成

2 蜂窩收塵極的制作

2.1 蜂窩收塵極的結構形式

蜂窩式收塵極為豎流式設計，蜂窩式桶狀結構。在制作時分為4 瓣制作，然后拼裝為整體桶狀結構，如圖3 所示。

圖3 蜂窩收塵極整體及1/4 瓣結構

2.2 蜂窩收塵極原材料的焊接性分析

本項目濕式靜電除塵器的蜂窩收塵極采用厚度為2.5 mm 的316L 不銹鋼來制作。316L 是一種不銹鋼材料牌號，AISI 316L 是對應的美國標號，sus 316L是對應的日本標號。我國的統一數字代號為S31603，標準牌號為022Cr17Ni12Mo2，表示主要含有Cr、Ni、Mo，數字表示大概的百分含量。國家標準為GB/T 20878-2007（現行版）。316L 不銹鋼的化學成分及組織結構見表1。

表1 316L 不銹鋼的化學成分及組織結構

316L 因其優異的耐腐蝕性在各行業尤其是化工行業有著廣泛的應用。316L 也是屬于18-8 型奧氏體不銹鋼的衍生鋼種，添加有2% ～3%的Mo 元素。由于在Cr18Ni8 的基礎上添加了2%的Mo，賦予了這種鋼質良好的耐還原性和耐點蝕能力。在各種有機酸、無機酸、堿、鹽類、海水中均有適宜的耐腐蝕性，在還原性酸性介質中其耐蝕性遠優于304 和304L。但不銹鋼的導熱性差。通常其導熱系數約為鋼的1/3。奧氏體型不銹鋼的導熱系數較其他不銹鋼略低，與普通碳素鋼相比，100 ℃時奧氏體型不銹鋼的導熱系數約為其1/4。這就導致焊接時熱量很難從加熱區傳導出去，從而產生較大的焊接變形。316L 的熱導率見表2。根據收塵極的使用要求，較大的焊接變形將直接影響濕式靜電除塵器的除塵效果。因此薄板不銹鋼焊接時需要解決導熱性差的問題，同時還要注意表面的保護，才能保證最終產品的除塵效果。

表2 316L 的熱導率

2.3 蜂窩收塵極焊接方法與焊接材料的選擇

為保證除塵效果及耐腐蝕性能的發揮，蜂窩收塵極采用與母材相同的316L 焊接材料進行焊接。

為盡量減少焊接變形及保護表面質量，對于間斷焊縫，采用鎢極惰性氣體保護焊（TIG）；對于連續焊縫，采用藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW）。

2.4 原材料表面的保護

為保證除塵效果，蜂窩收塵極采用的不銹鋼板表面質量必須非常好，而且在后續的裝配、焊接中也要盡量保證不銹鋼表面不受損壞。

首先，在物理上對不銹鋼板材表面進行保護。在切割工序，對切割成型的不銹鋼板采用泡沫墊等材料表面保護，隔絕板與板之間的接觸，以免產生劃傷。在彎曲工序，采用特殊的折彎保護膜來隔絕壓模與不銹鋼板材的接觸，防止污染。在裝配、焊接工序，要求施工人員全程配戴干凈的手套和鞋套，隔絕油污、汗液對不銹鋼板表面的污染。在零件吊運過程中，采用真空吸盤吊具，保證不銹鋼板表面不受污染。如圖4 所示。

圖4 施工人員配戴手套、鞋套

2.5 原材料的切割

蜂窩收塵極的板厚為2.5 mm，法蘭及支撐等板厚為10 mm。為提高裝配精度，減少累積誤差，蜂窩板采用激光切割，使尺寸精度可以控制在±0.5 mm 以內。如圖5，切割時把間斷焊的定位位置通過激光切割切出，保證了間斷焊的間距一致，焊縫整齊、美觀，也保證了將來的除塵效果。法蘭板等的焊接坡口采用手工打磨，采用坡口樣板或焊接量規來測量坡口打磨角度。打磨時需注意不要和碳鋼零件產生污染。有條件的供應商也可以考慮采用機加工的方法來加工坡口，但要注意表面的污染問題。

圖5 定位與檢查

2.6 原材料的彎曲成型

根據蜂窩的構造，將整個蜂窩桶體分為4 瓣。每個1/4 蜂窩的制作工藝為從蜂窩的直角頂點起開始裝配，逐步向外生長，直到完成1/4 蜂窩，然后安裝兩側法蘭，完成1/4 蜂窩的裝配，最后在現場將四瓣1/4蜂窩拼裝成整體蜂窩。從1/4 蜂窩的直角頂點開始，按照蜂窩的裝配順序，將6 邊形的蜂窩板轉化為8 種折邊板。每類折邊板既要保證能夠折邊，也要保證間斷焊的可焊到性，同時盡可能連續以減少外部3.8 m長的全熔透焊縫的數量。根據8 種折邊板的形狀，計算折邊板的展開尺寸，并制作工裝，在展開的板材上畫出折邊線的位置，方便后續折邊。為防止污染，使用厚不銹鋼板制作折邊工裝，并在可能接觸的碳鋼壓模表面覆蓋折彎保護膜，用于隔絕不銹鋼與碳鋼的接觸。如圖6 所示。

圖6 八種折邊板

3 蜂窩的焊接

蜂窩焊接的難點在于采用的焊接方法要盡可能不損傷表面并盡可能減少焊接變形，同時要采用工裝使所有焊縫成型美觀，表面光滑，這樣在將來使用時不易積塵。

3.1 焊接時對表面的保護

焊接采用鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW），焊接時焊接氣體或氣體和渣殼聯合對熔池進行保護。在焊縫的兩側噴涂抗飛濺劑，保護焊縫兩側不被焊接飛濺污染。在焊縫的背面采用氬氣保護，以防止氧化。焊接時焊接局部采用散熱措施，盡量減小熱影響區域。

3.2 減少焊接變形的舉措

3.2.1 焊接方法的選擇

蜂窩的內部單元之間為間斷焊，間斷焊采用鎢極惰性氣體保護焊，以減小焊接變形。蜂窩外部的17 條3.8 m 長的全熔透焊縫，考慮到焊接工作量較大，因此采用藥芯焊絲氣體保護焊。電源采用直流脈沖電源，因為脈沖電源僅需要很小的電流來維持電弧的燃燒，僅在熔滴過渡時使用脈沖，因此整體的熱輸入較小，有利于減少焊接變形。有條件的供應商可以采用熱量更為集中的熱源進行焊接，以進一步減少焊接變形，但必須保證焊縫強度和氣密性要求。

3.2.2 極性的選擇

直流焊接時，陽極與陰極的發熱量不同，因為陰極具有電子發射的作用，而陽極被大量電子撞擊，除了電能之外，還獲得了額外的電子的動能，因此得到的能量更多一些，溫度也就更高。因此在薄板焊接時，極性的選擇非常重要，薄板要接在發熱量小的極性一側。蜂窩焊接時，蜂窩本體接陰極，焊絲接陽極，為直流反接。

3.2.3 焊接順序的安排

合理的焊接順序有利于減少焊接變形[4]。在蜂窩內部的間斷焊焊接時，應采用分中焊接等方法來減少焊接變形。在蜂窩外部的17 條3.8 m 長的全熔透焊縫焊接時，也要采取分段跳焊的方式來減少焊接變形。很多供應商都認為焊接工序可以搶一搶，因此在總的制造周期中分給焊接工序的時間往往很少，焊接時間集中，必然導致熱輸入量大，引起的焊接變形就大，最后導致除塵效果差。因此，在蜂窩訂單的開球會上，就要求供應商盡可能加快前期的采購，外協下料，內部彎制的周期，給焊接工序留出充分的時間，以便于焊接工序的有序受控進行。

3.2.4 防變形工裝的使用

根據蜂窩的焊接工藝，兩側的法蘭最后安裝、焊接，所以在前期的焊接階段，蜂窩的兩側均為開口狀態，這不利于減少焊接變形。因此，供應商特制了六邊形的支撐工裝，在前期的裝配、焊接階段嵌入兩側蜂窩內部，起到穩定支撐蜂窩兩側邊，防止焊接變形的作用。由于支撐工裝數量較大，為節省成本，供應商采用碳鋼板本體，與蜂窩接觸的六邊不銹鋼薄板包邊的方式來制作六邊形的支撐工裝。

在使用六邊形支撐工裝的過程中發現了一些工人安裝六邊形工裝的問題。一是野蠻裝配問題，對個別制作尺寸不到位的支撐工裝，個別工人野蠻裝配，榔頭硬敲，導致蜂窩表面劃傷。要求工人在裝配前必須對支撐工裝進行檢驗，對于不合格的支撐工裝，如不銹鋼包邊脫落、尺寸不合格的，返修合格后方可使用。二是裝配定位問題，所有嵌入兩側蜂窩內部的支撐工裝應盡可能安裝在同一平面上，以形成整體的類似一堵墻似的形狀來抵抗變形，分散的支撐工裝將大大減小對變形的抵抗能力。這就要求工人在施工時小心裝配，仔細測量支撐工裝的定位尺寸。三是支撐工裝的數量問題，在實際施工時，由于支撐工裝的數量不足，導致部分蜂窩沒有安裝支撐工裝，在后續的尺寸測量中證實，沒有支撐工裝的蜂窩，變形要比有支撐工裝的蜂窩大，這也證明了六邊形支撐工裝對蜂窩兩側變形的抵抗作用。

3.2.5 變位工裝的使用

蜂窩周圍的17 條3.8 m 長的全熔透焊縫是焊接的難點，難度在于既要保證全熔透及美觀，又要保證不會引起很大的焊接變形。

供應商制作了簡易變位工裝，將單個1/4 蜂窩卡在變位工裝上，通過旋轉變位工裝，使這17 條3.8 m長的全熔透焊縫始終處于平焊位置進行施焊。在焊接時要注意，長焊縫應采用跳焊的方法進行施焊，不能一次性焊完，以避免引起過大的焊接變形。在焊接時可采用焊接局部濕抹布覆蓋等方法盡可能地帶走焊接產生的熱量，以減少焊接變形。這17 條3.8 m 長的全熔透焊縫對焊接變形的影響很大。在實際一處焊縫發生返修的位置測量蜂窩的平面度等，發現超差，最后采用橡皮榔頭整形等措施進行修整。所以保證這17 條3.8 m 長的全熔透焊縫的一次焊接成功率對保證蜂窩的表面質量及最終產品的除塵效果非常重要。

3.2.6 焊縫輔助散熱措施

因不銹鋼的導熱性較差，而蜂窩采用的不銹鋼板板厚又較薄，因此在焊接時，必須采取輔助手段來幫助散熱。如焊接時采用濕抹布覆蓋局部焊接區域，通過傳導來帶走熱量。使用時要注意，不能讓水入侵到焊接區域，影響焊接質量。有條件的供應商也可以采用水冷銅塊來對焊接區進行冷卻，流動的水和熱導率很好的銅，將更好地帶走焊接產生的熱量。焊接結束時，可采用風冷焊接區域，通過對流來帶走熱量。使用風冷時要注意，不能在焊接時使用，因為鎢極惰性氣體保護焊和藥芯焊絲氣體保護焊為氣保護焊或氣-渣聯合保護焊，風吹會影響焊接區氣體的保護效果，對焊接質量產生影響[3]。

3.2.7 剛性拘束法減少焊接變形

除以上方法外，現場還使用了剛性拘束法來減少焊接變形，也就是增大整個蜂窩焊接時的拘束度來防止焊接變形。在裝配的初期，裝配工裝的作用是保證裝配尺寸。在第一個1/4 蜂窩完成焊接及尺寸測量后，根據實際產生的變形情況，供應商有針對性地加固了裝配工裝，使之同時具有保證裝配尺寸及防止焊接變形的作用。具體做法：蜂窩的定位工裝采用大規格的H 型鋼，大規格的H 型鋼具有更大的抗彎截面模量，可以更好地抵抗變形。針對蜂窩由于角變形引起的對角線縮短，供應商也通過在蜂窩兩側增加斜撐來抵抗變形。如圖7 所示。

圖7 防變形工裝

此外，蜂窩的無損探傷：蜂窩外表面17 道3.8 m的連續角焊縫及兩側法蘭的連續角焊縫需要PT 著色探傷，保證焊縫的氣密性。

4 1/4 瓣蜂窩的最終尺寸檢驗

焊后根據圖紙對1/4 瓣蜂窩的直線尺寸、對角線尺寸、蜂窩形狀尺寸、各個平面的平面度等進行了測量，除每一件1/4 瓣蜂窩因為有一處返修而造成平面度超差外，其余蜂窩尺寸全部合格。平面度超差的一件也由設計批準讓步使用。

5 蜂窩桶體的預組裝及蜂窩與放電極的預組裝

為保證現場安裝的順利進行，蜂窩桶體本身及蜂窩桶體與放電極都在供應商現場進行了預組裝。如圖8 所示。

圖8 蜂窩預組裝

6 蜂窩清洗與包裝

因蜂窩的表面質量與除塵效果緊密相關，在以上所有工作完成后，用酸洗鈍化膏對蜂窩表面進行了清洗，清洗完畢擦干后纏繞膜包裝，準備發貨。

7 蜂窩的現場安裝

根據相關標準及安裝手冊的要求，安裝并測量整個蜂窩桶體的圓度及垂直度，同時測量蜂窩收塵極與放電極之間的同軸度公差，必須符合相關標準及手冊的要求。如圖9 所示。

圖9 蜂窩的現場安裝與測量

8 濕式靜電除塵器的最終產品驗收

最新安裝的WESP 在后續進行的性能考核中，凈化氣體含塵量的測量值達到了5 mg/Nm3左右，滿足當地市政府排放限值10 mg/Nm3的要求，客戶隨后簽發了最終驗收證書。濕式靜電除塵，器安裝完工圖如圖10 所示。

圖10 濕式靜電除塵器（WESP）安裝完工照片