鋯復(fù)合板換熱器制造工藝技術(shù)

朱平勇

上海吳涇化工有限公司 （上海 200241）

鋯復(fù)合板換熱器制造工藝技術(shù)

朱平勇

上海吳涇化工有限公司 （上海 200241）

介紹了鋯復(fù)合板換熱器制造特點和技術(shù)難點，在實際制造中，通過詳細的試驗對比，制定了合理的加工技術(shù)參數(shù)，為下一步大型鋯復(fù)合板容器的制造提供了依據(jù)。

鋯復(fù)合板 焊接 熱處理 氦檢漏

鋯屬于鈍化型活性金屬，能在表面生成緊密的惰性防腐氧化膜，且氧化膜的穩(wěn)定性和受損后自身修復(fù)能力強，是核工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中的一種重要結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)純鋯能耐大多數(shù)有機酸、無機酸、強堿、熔融鹽的腐蝕，在55%，132℃的硫酸中，鋯的腐蝕率＜0.002 5 mm/a，而鎳基合金C-276在此介質(zhì)中腐蝕率達到5.44 mm/a。鋯具有比鐵基Cr-Ni-Mo不銹鋼、鎳基合金及鈦更優(yōu)異的耐腐蝕性能，其力學(xué)性能和工藝性能也很適合制造容器和換熱器，且蒸汽在鋯表面為滴狀冷凝，尤其適合制造冷凝器，正逐漸被越來越多的化工企業(yè)采用。

目前國內(nèi)制造鋯設(shè)備的材料需要進口，且價格十分昂貴，每噸價格在50萬～60萬元人民幣，因此通常在耐腐蝕設(shè)備中，用鋯與碳鋼板經(jīng)爆炸復(fù)合成復(fù)合板來作為設(shè)備主材。復(fù)合板設(shè)備的殼體,靠基層來保證設(shè)備的強度,復(fù)層來抵抗介質(zhì)的腐蝕,從而達到減少鋯板的使用量，節(jié)省設(shè)備制作成本的目的。

鋯和鋯合金的容器規(guī)范，我國目前還正在制訂中，美國制訂了非核用鋯和鋯合金材料標準，ASME推薦了兩個非核用鋯和鋯合金材料牌號：R60702用于化工壓力容器制造；R60705用于制造緊固件。

本文介紹的鋯復(fù)合板換熱器屬固定管板式換熱器，其管板和管箱均為鋯復(fù)合板，換熱管為鋯管，換熱器于2006年開始研制，解決了鋯復(fù)合板焊接接頭的結(jié)構(gòu)型式、焊接、熱處理、鋯復(fù)合板成型、封頭壓制、熱循環(huán)試驗、無損檢驗及氦檢漏試驗等技術(shù)難題。

1 設(shè)備簡介及制造難點

1.1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

1.2 制造難點

1.2.1 焊接

為避免復(fù)合板基層焊接時的熱量和熔融金屬對復(fù)層的影響，復(fù)合板對接接頭形式的選擇至關(guān)重要。金屬鋯屬活性金屬，鋯在高溫下與H、N、O有極強的親和力，碳鋼焊接時若有鋯的滲入會使碳鋼焊縫硬度增加甚至焊縫開裂；反之，鋯材焊縫的焊接絕不能有鐵的污染，否則會使鋯焊縫耐腐蝕性下降；碳鋼焊接時熱輸入量不宜過大，否則會影響鋯層與碳鋼之間的剪切強度。

1.2.2 復(fù)合板筒體及封頭的成型

由于基層和復(fù)層材料的熱膨脹系數(shù)不同,復(fù)合板筒體、封頭成型時,材料會發(fā)生較大的彎曲變形,且鋯的加工硬化傾向較大,缺口敏感，封頭鋯襯里成形過程中容易產(chǎn)生裂紋，因此溫度的確定十分關(guān)鍵。

1.2.3 熱處理工藝及熱循環(huán)試驗

合適的熱處理工藝既要有效去除復(fù)合板成形、焊接的殘余應(yīng)力,又要盡量避免加熱對復(fù)層鋯板與碳鋼結(jié)合力下降的影響。熱循環(huán)試驗的主要目的是考核該設(shè)備在設(shè)計溫度、設(shè)計壓力下運行的可靠性。

2 焊接

2.1 材料

本冷凝器管箱筒體、封頭材質(zhì)為鋯復(fù)合板。

基層材質(zhì)：SA-516Gr55，名義厚度28 mm，美國合金鋼鐵公司（AMERICAN ALLOY STEEL）提供。

復(fù)層材料：鋯板R60702，厚度4.77 mm,美國華昌公司（Wah Chang）提供。

焊絲：牌號ERZr2。

基層SA-516Gr55的化學(xué)成分見表2。

表2 SA-516Gr55化學(xué)成分 （%）

鋯板及焊絲化學(xué)成分見表3。

表3 60702鋯板及焊絲的化學(xué)成分 （%）

2.2 復(fù)合板焊接接頭型式

由于鋯與碳鋼不能直接焊接,給鋯-鋼復(fù)合板的焊接帶來很大困難。目前國內(nèi)外都采用間接式焊接接頭，如圖1。

焊接順序：

（1）焊前先將復(fù)層邊緣用機加工方法切除,加工好基層坡口。

（2）坡口不留間隙，先焊接基層。

（3）基層焊完后，將焊縫背面磨平并清洗后，墊上墊板（鋯板），進而復(fù)層焊接，墊板與復(fù)層鋯板采用不焊透密封焊。

2.3 焊接工藝

鋯與常用金屬一樣具有良好的可焊性。但值得重視的是在焊接過程中焊縫的污染和熱影響問題。焊縫只要受到少量有害雜質(zhì)的污染，就會嚴重影響焊縫的質(zhì)量。所以復(fù)層鋯板在焊接前必須在焊縫兩側(cè)嚴格打磨清洗，清洗液選用丙酮等有機溶劑。

鋯的熱導(dǎo)率小，熔點高，焊接時易出現(xiàn)熱量集中、高溫停留時間長，會導(dǎo)致融合區(qū)晶粒粗大，降低焊接接頭的綜合機械性能。

2.3.1 焊接方法及保護措施

管箱碳鋼基層焊接:采用氬弧焊打底,埋弧自動焊蓋面?；鶎雍附訒r，用氬氣可靠保護復(fù)層表面，同時采取措施防止復(fù)層表面的焊接飛濺。

復(fù)層鋯板焊接：采用TIG焊，在250～300℃以上區(qū)域的焊接熔池和冷卻中的焊縫必須嚴密地置于氬氣的保護之下。

2.3.2 焊接工藝參數(shù)確定

（1）焊接工藝評定

基層：鎢極氬弧焊打底，鎢極直徑?2.4 mm，焊機直流正接，背面氬氣保護，氣體流量：主噴嘴15 L/min，背面10 L/min，打底焊共兩道，焊接電流初定為105/120 A；蓋面采用埋弧自動焊，焊絲直徑?4.0 mm，共5道焊縫，焊接電流500 A，如圖2。

鋯復(fù)層：采用鎢極氬弧焊，鎢極直徑?1.6/?2.4 mm,焊機直流正接，焊機具有高頻起弧和保護氣提前及延時供給功能。氣體流量：主噴嘴15 L/min,背面19 L/min。鋯材角焊縫的焊接不少于2個焊道，打底使用?1.6 mm焊絲，以保證角焊縫根部焊接質(zhì)量。

（2）評定結(jié)論

a、外觀檢驗：碳鋼基層未發(fā)現(xiàn)焊縫表面有氣孔、夾渣、咬邊、裂紋等表面缺陷；焊縫表面顏色呈銀白色，表明焊縫氣保護效果好。

b、無損檢測：按JB4730-94對基層焊縫進行100%射線探傷，Ⅱ級合格。

c、力學(xué)性能試驗：焊接試板按管箱熱處理溫度550℃進行熱處理，保溫1 h。

拉伸試驗結(jié)果見表4。

表4 拉伸試驗結(jié)果

彎曲試驗結(jié)果見表5。

表5 彎曲試驗結(jié)果

2.3.3 復(fù)層焊接結(jié)構(gòu)的可靠性試驗

由于鋯R60702的熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/℃，碳鋼的熱膨脹系數(shù)為11.2×10-6/℃，兩者幾乎相差一倍，換熱器實際操作溫度200余攝氏度，因此鋯復(fù)層焊縫在工作溫度下承受較大的拉伸應(yīng)力，鋯板焊縫容易產(chǎn)生裂紋，最終可能造成內(nèi)襯的泄漏及碳鋼殼體的腐蝕，直至容器失效。

為驗證鋯墊板和蓋板焊接接頭的可靠性，按照實際焊接接頭尺寸，制作一塊試板，焊接后做了從常溫加熱到設(shè)計溫度再冷卻至常溫的多次熱循環(huán)，試驗結(jié)果表明，鋯層蓋板未發(fā)現(xiàn)裂紋等異常現(xiàn)象。

3 管箱筒體、封頭及接管鞍形襯里的成型

在865℃以下鋯的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格的α相，865℃以上為體心立方晶格的β相，865℃為其相變溫度。確定合理的加熱溫度及采取有效的保護措施，既能保證筒體和封頭順利成型，又能確保鋯的優(yōu)良耐蝕性。

3.1 管箱筒體

筒體材料復(fù)合板名義厚度為28+4 mm，筒體直徑為?1 400 mm，由于彎曲曲率不是很大，彎曲成型不會改變復(fù)合板的貼合質(zhì)量，考慮采用冷彎曲成型，成型后通過局部的UT復(fù)驗抽查復(fù)合板的貼合率。

3.2 封頭

封頭采用整體沖壓成型，材料變形量大，鋯板的加工硬化傾向大，采用熱沖壓工藝。沖壓時封頭復(fù)層一面涂耐高溫涂料。

3.3 接管鞍形鋯襯里

管箱復(fù)合板筒體的接管是采用鞍形鋯襯里結(jié)構(gòu)，該鋯襯里由陽模沖壓而成，要求尺寸準確，彎曲變形過渡圓滑，如圖3。

其中沖壓前坯料內(nèi)孔直徑?可按下式來確定：

3.4 熱成型壓制工藝

經(jīng)反復(fù)試驗，確定熱成型的壓制工藝：

（1）入爐加熱前，工件涂耐高溫涂料；

（2）模具與工件共同加熱不超過550℃；

（3）出爐壓制時間不超過12 min；

（4）終壓溫度不低于400℃。

4 鋯復(fù)合板管箱的熱處理

按照GB151及“容規(guī)”的規(guī)定，換熱器管箱須做消除焊接應(yīng)力的熱處理。由于鋯的彈性模量（9.93X104MPa）比碳鋼（2.1X105MPa）低，焊接殘余應(yīng)力較小，因此復(fù)合板管箱的熱處理是在碳鋼基層焊接、無損檢測100%射線探傷合格后進行，熱處理后再進行復(fù)層鋯板的墊板及蓋板的焊接。

鋯R60702與碳鋼爆炸復(fù)合后，鋯與碳鋼結(jié)合面的剪切強度較低，要避免熱處理過程中，由于溫度的升高，Zr、Fe、Ni之間相互擴散，形成脆性中間體，造成剪切強度下降。因此熱處理的工藝，既要滿足基層碳鋼的熱處理要求，又要確保熱處理后鋯與碳鋼基層之間的剪切強度大于137.9 MPa。

熱處理前，復(fù)層鋯表面涂刷耐高溫涂料進行保護。熱處理爐采用電爐，避免火焰直接與鋯材接觸，減少鋯的吸氫現(xiàn)象，爐內(nèi)氣氛控制為中性。管箱在熱處理溫度下保溫時間不小于1.5 h。

5 熱循環(huán)試驗

（1）熱循環(huán)試驗的目的是為了檢驗管箱復(fù)合板復(fù)層焊縫在設(shè)計溫度和設(shè)計壓力下的工作可靠性。

（2）將兩個管箱組裝在一起，進行壓力為4.3 MPa，設(shè)計溫度下的熱模擬試驗兩個循環(huán)?？紤]到加熱爐爐膛氣氛，熱循環(huán)試驗在電爐中進行，以氮氣為壓力介質(zhì)。

（3）熱循環(huán)試驗后，管箱檢漏孔先通以0.1 MPa干燥、清潔的氮氣檢漏，合格后再以0.05 MPa干燥、清潔的氦氣檢漏，合格指標為≤1×10-5Pa·m3/s。

從焊接試板入手,確定合適的制造工藝,鋯復(fù)合板換熱器經(jīng)過強度試驗、熱循環(huán)試驗、氦檢漏試驗均順利通過，符合產(chǎn)品技術(shù)條件及ASME相關(guān)標準的要求，進一步驗證了制造工藝的正確性。

本鋯復(fù)合板換熱器自2006年制造，2007年投入使用至今，設(shè)備運行正常。

6 結(jié)論

（1）鋯復(fù)合板換熱器的研制成功，解決了鋯復(fù)合板筒體成型和封頭壓制成型的溫度控制問題，為大型鋯復(fù)合板反應(yīng)容器的制造積累了經(jīng)驗；

（2）鋯復(fù)合板復(fù)層的焊接結(jié)構(gòu)及焊接工藝的確定，對其可靠性的驗證，對鋯復(fù)合板壓力容器工藝有了較大的突破；

（3）鋯復(fù)合板容器的熱處理和復(fù)層焊接后熱循環(huán)試驗的成功，證明了制造的相關(guān)工藝的正確性；

（4）鋯復(fù)合板壓力容器的制造，成功地借鑒了ASME規(guī)范，表明國內(nèi)完全有能力制造鋯復(fù)合板壓力容器，對活性金屬復(fù)合板壓力容器在國內(nèi)的推廣具有積極意義。

（略）

TF 066.2+2

朱平勇 男 1964年生 1985年華東理工大學(xué)畢業(yè) 工程師 主要從事化工設(shè)備制造和管理工作

2010年8月