大型鈦鋼復(fù)合板設(shè)備制造過(guò)程中的質(zhì)量控制技術(shù)

宋品玲，葉建林，張 成

( 西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，西安 710201)

鈦鋼復(fù)合板設(shè)備因具有優(yōu)良的耐蝕、高強(qiáng)度和高性價(jià)比而被廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、船舶等領(lǐng)域。鈦鋼復(fù)合板制化工設(shè)備如鈦濃縮塔、反應(yīng)釜、換熱器、后氧化反應(yīng)冷凝器等，通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造技術(shù)和工藝多樣，而且關(guān)鍵部件需要焊接成型。由于鈦和鋼不能直接采用熔焊的方法進(jìn)行焊接，所以鈦鋼復(fù)合板的焊接結(jié)構(gòu)和不銹鋼復(fù)合板、鎳鋼復(fù)合板等存在較大差別。鈦鋼復(fù)合板的焊接通常采用的是互不熔合的間接接頭結(jié)構(gòu)形式。另外，由于鈦與鋼熱物理性能存在差異，會(huì)造成焊縫冷卻過(guò)程中收縮不均勻，在接頭部位存在較大的焊接殘余應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致焊縫開裂。制造過(guò)程中殘留的微缺陷，如果沒能被及時(shí)檢測(cè)到，那么設(shè)備運(yùn)行時(shí)在溫度、壓力強(qiáng)介質(zhì)的聯(lián)合作用下將產(chǎn)生縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，重則發(fā)生重大人身傷害［1-2］。因此，檢測(cè)并控制制造過(guò)程中可能形成的缺陷就顯得尤為迫切重要。但目前國(guó)內(nèi)由于此類設(shè)備制造技術(shù)相對(duì)落后，尤其是大型鈦鋼復(fù)合板設(shè)備，其質(zhì)量控制和檢測(cè)還沒有完整、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)。

本文針對(duì)上述現(xiàn)狀，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，詳細(xì)論述了大型鈦鋼復(fù)合板設(shè)備從選材及預(yù)處理到封頭成型、筒體焊接等過(guò)程的質(zhì)量控制方法。

1 制備過(guò)程控制

1.1 原材料及預(yù)處理

原材料的采購(gòu)與驗(yàn)收要滿足圖紙技術(shù)或其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。ASME 標(biāo)準(zhǔn)中常用鈦材SB265Gr1/Gr2 及國(guó)標(biāo)中常用鈦材TA1/TA2 的Fe 含量要求最低的為0.20%，H 含量要求最低的為0.015%。但對(duì)于大型PTA 設(shè)備，要求Fe 含量≤0.07%，H 含量≤0.006%。

對(duì)大型鈦鋼復(fù)合板換熱設(shè)備，管板的質(zhì)量尤為重要，所以在驗(yàn)收時(shí)要重點(diǎn)檢驗(yàn)。①對(duì)復(fù)合管板進(jìn)行100%UT 檢測(cè)，結(jié)合率要求達(dá)到100%，復(fù)合管板面積過(guò)大，爆炸時(shí)難度會(huì)增加，容易產(chǎn)生不結(jié)合區(qū)，而少許的不結(jié)合在管板機(jī)加工、組裝、焊接過(guò)程中面積會(huì)增大，對(duì)設(shè)備的可靠性會(huì)造成嚴(yán)重的影響;②平面度允差≤2 mm;③表面光滑，無(wú)裂紋、壓坑、劃傷等缺陷，管孔表面粗糙度一般不大于12.5 μm。

陽(yáng)極化處理通常用在鈦鋼復(fù)合板覆層材料表面，使其形成一層致密的氧化膜，以提高其耐蝕性、硬度、耐磨性、絕緣性、耐熱性等。鈦鋼復(fù)合板設(shè)備陽(yáng)極化處理規(guī)程為: ①堿洗、水洗;②1次酸洗、水洗; ③2 次酸洗、水洗; ④陽(yáng)極氧化、水洗。陽(yáng)極化處理介質(zhì)為磷酸水溶液，處理電壓為25 ～40 V，處理時(shí)間按漏電流計(jì)算。處理完成后膜厚為0.05 ～0.06 μm，顏色為藍(lán)色。

1.2 封頭成型

封頭通常采用沖壓熱成型。鈦材在沖壓前應(yīng)進(jìn)行鐵離子污染試驗(yàn)，如表面無(wú)藍(lán)點(diǎn)，則未出現(xiàn)鐵離子污染。鈦材表面應(yīng)涂耐高溫涂料，以防止表面被氧化、污染。加熱爐應(yīng)采用電爐或反射爐，不得用焦碳爐。其加熱溫度應(yīng)不超過(guò)600 ℃，加熱爐內(nèi)應(yīng)保持微氧化性氣份，不得呈還原性，避免滲入氫。沖壓過(guò)程中工件不得接觸火焰。

封頭按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行沖制、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。表面不能有裂紋、壓坑等缺陷，封頭直邊部分不能存在縱向皺折。對(duì)拼接封頭的焊縫進(jìn)行100%RT 檢驗(yàn)，JB/T4730. 2—2005II 級(jí)合格，鈦鋼復(fù)合設(shè)備封頭R 弧處還要進(jìn)行100%UT，JB/T4730.3—2005II 級(jí)合格。

1.3 鈦鋼復(fù)合板的對(duì)接接頭

鈦設(shè)備焊接前應(yīng)將表面清理干凈，使用丙酮去除油污，并通過(guò)鐵離子污染試驗(yàn)檢測(cè)確保焊接區(qū)域沒有鐵離子污染?；鶎雍附油瓿珊?，按圖紙要求進(jìn)行RT 射線檢測(cè)，合格后進(jìn)行組對(duì)。鈦鋼復(fù)合板的對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示，鋼焊縫進(jìn)行貼條，一般鈦覆層貼條為2 ～4 mm 厚鈦板，每條鋼基層縱環(huán)焊縫上至少設(shè)置2 個(gè)檢漏孔。

檢漏孔主要起泄漏報(bào)警作用，鈦貼條焊接背部通氬氣保護(hù)，起排液作用。在設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，為確定覆層泄漏位置，可將較長(zhǎng)焊縫分區(qū)，每個(gè)區(qū)設(shè)2 個(gè)檢漏孔。在貼條之前，每條縱焊縫各1 個(gè)區(qū)，環(huán)焊縫分區(qū)長(zhǎng)度不能大于2 m。圖3 為帶有墊板的貼條示意圖。貼條與覆層焊接時(shí)，適宜的焊縫寬度為6 ～9 mm，焊縫顏色應(yīng)為銀白色或金黃色。焊接過(guò)程中，需要注意保證焊接環(huán)境及區(qū)域的潔凈，防止鐵離子污染及焊縫氧化。貼條與覆層焊接完成后，對(duì)于縱環(huán)焊縫交界處的丁字區(qū)域，焊縫較多，需要加蓋蓋板。蓋板與貼條的焊接同貼條與覆層的焊接，施焊位置處于筒體最底部。

圖1 筒體縱環(huán)焊縫對(duì)接詳圖( 內(nèi)側(cè)面)

圖2 筒體縱環(huán)焊縫剖詳圖面

圖3 帶有墊板的貼條詳圖

2 可靠性檢驗(yàn)方法

在鈦鋼復(fù)合板設(shè)備中，鈦焊縫是1 個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，很容易發(fā)生開裂，此時(shí)容器中的強(qiáng)腐蝕介質(zhì)會(huì)穿過(guò)鈦焊縫到達(dá)鈦蓋板下面的鋼焊縫表面，通常情況下這種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)會(huì)在幾天甚至數(shù)小時(shí)之內(nèi)將鋼基層或鋼焊縫腐蝕穿孔，給鈦鋼復(fù)合板設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)發(fā)生爆炸等事故。根據(jù)對(duì)鈦設(shè)備的研究和多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，考核鈦設(shè)備的重要技術(shù)指標(biāo)如下。

2.1 外觀檢測(cè)

檢驗(yàn)焊縫的顏色、表面氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。焊縫顏色應(yīng)為銀白色或淡黃色，不允許出現(xiàn)藍(lán)色及灰色; 焊縫表面不允許出現(xiàn)氣孔和裂紋;焊縫不允許有咬邊。

2.2 肥皂泡檢驗(yàn)

從位于鋼焊縫上的檢漏孔中通入壓縮空氣，將壓縮空氣的壓力控制在0.4 ～0.6 MPa，用毛刷在鈦焊縫表面涂刷肥皂水，如果焊縫存在貫穿性氣孔、裂紋、未熔合等缺陷時(shí)，泄漏的壓縮空氣就會(huì)使鈦焊縫表面產(chǎn)生肥皂泡。

2.3 氦泄漏檢驗(yàn)

通過(guò)在設(shè)備殼體上接管和基層焊縫上的檢漏孔通入一定比例的氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚?，如圖4 所示，對(duì)換熱管和管板的角接焊縫以及內(nèi)覆層表面進(jìn)行檢漏。氦氣檢漏時(shí)的流量控制在20 ml/s，真空度優(yōu)于1 ×10-7Pa。

2.4 滲透檢驗(yàn)

充分去除鈦焊縫表面的油脂、涂料、銹蝕、水等影響滲透液滲透的污物，之后通過(guò)滲透、清洗、顯像、觀察4 個(gè)步驟檢測(cè)焊縫表面，焊縫上的未熔合、氣孔、裂紋等表面開口缺陷可以直觀地顯示出來(lái)。

圖4 氦檢漏過(guò)程示意圖

2.5 熱氣循環(huán)試驗(yàn)

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)廠家只是對(duì)鈦鋼復(fù)合板設(shè)備復(fù)合管箱部分進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)，如圖5 所示。本文對(duì)整體設(shè)備進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)這種方法模擬實(shí)際工況，增加了換熱管管頭的可靠性。與其他方法不同的是，試驗(yàn)前一般要以容器的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力為基準(zhǔn)，對(duì)容器進(jìn)行升溫、升壓、保壓、降溫、降壓等使用工況的模擬，然后在容器內(nèi)部充入氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，在容器外檢漏孔處進(jìn)行檢測(cè)。這種方法可很好地驗(yàn)證容器在升溫、升壓、降溫、降壓、正常運(yùn)行等工況下對(duì)覆層蓋板焊縫處的影響，其靈敏度高、可靠性好，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)且費(fèi)用較高，一般運(yùn)用在設(shè)備設(shè)計(jì)溫度較高或操作過(guò)程不穩(wěn)定的關(guān)鍵設(shè)備的檢驗(yàn)中。

圖5 熱氣循環(huán)試驗(yàn)

2.6 水壓試驗(yàn)

在常溫下進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試壓時(shí)容器頂部應(yīng)設(shè)排氣口，充液時(shí)應(yīng)將容器內(nèi)的空氣排盡( 圖6) 。在打壓設(shè)備的最高點(diǎn)處安裝2 塊壓力表( 量程為試驗(yàn)壓力的2 ～3 倍) 。設(shè)備內(nèi)充滿水，將所有開口封閉，當(dāng)容器壁溫與水溫接近時(shí)，用試壓泵加壓緩慢升至設(shè)計(jì)壓力，確認(rèn)無(wú)泄漏后繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗(yàn)壓力，保壓30 min;然后降至設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠時(shí)間進(jìn)行檢查。試驗(yàn)過(guò)程中，用壓縮空氣吹干接管法蘭密封面、管板密封面、焊接接頭及焊接部位，保持觀察表面的干燥性，對(duì)所有的檢查部位進(jìn)行檢測(cè)，不允許出現(xiàn)變形、異常響聲、泄漏等情況。

圖6 水壓試驗(yàn)示意圖

2.7 氣密性試驗(yàn)

由于氣體的滲透能力比液體強(qiáng)，在容器水壓試驗(yàn)后，以氣體作為加壓介質(zhì)并用低于水壓試驗(yàn)的壓力對(duì)容器的嚴(yán)密性加以驗(yàn)證，此試驗(yàn)稱為壓力容器的氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)主要檢驗(yàn)容器的各聯(lián)接部位是否有泄漏現(xiàn)象。介質(zhì)毒性程度為極度、高度危害或設(shè)計(jì)上不允許有微量泄漏的壓力容器，必須進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)在液壓試驗(yàn)合格后進(jìn)行，壓力容器應(yīng)按以下要求進(jìn)行氣密性試驗(yàn): 對(duì)設(shè)計(jì)要求作氣壓試驗(yàn)的壓力容器，氣密性試驗(yàn)可與氣壓試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)壓力應(yīng)為氣壓試驗(yàn)的壓力;碳素鋼和低合金鋼制成的壓力容器，其試驗(yàn)用氣體的溫度應(yīng)不低于15 ℃，其他材料制成的壓力容器按設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定;試驗(yàn)所用氣體，應(yīng)為干燥、清潔的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w;進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)，安全附件應(yīng)安裝齊全;試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力后保壓不少于30 min，然后降至設(shè)計(jì)壓力，對(duì)所有焊縫和連接部位涂刷肥皂水進(jìn)行檢查，以無(wú)泄漏為合格。如有泄漏，修補(bǔ)后重新進(jìn)行液壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大型鈦設(shè)備制備過(guò)程的質(zhì)量控制體系對(duì)設(shè)備性能影響較大，如何建立質(zhì)量控制體系是控制設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵。本文以公司多年的研究成果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從原材料采購(gòu)控制、設(shè)備加工制備及設(shè)備可靠性檢驗(yàn)過(guò)程角度出發(fā)，詳細(xì)闡述了大型鈦設(shè)備質(zhì)量控制體系的建立，希望能給其他研究人員提供參考。

1) 鈦鋼復(fù)合板設(shè)備內(nèi)部鈦蓋板焊縫的可靠性是關(guān)系到鈦鋼復(fù)合板設(shè)備可靠性最主要的因素之一，與傳統(tǒng)氣密性試驗(yàn)相比，氦檢漏檢測(cè)對(duì)介質(zhì)泄漏的感應(yīng)靈敏度能探測(cè)到不大于1 ×10-6Pa·m3/sec 的精確程度，大步伐提高了鈦設(shè)備的檢測(cè)效率，為鈦設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化提供了新的檢測(cè)手段。我公司通過(guò)合理的分層、分區(qū)域氦檢法，可很好解決檢漏區(qū)域不易定位的問(wèn)題。

2) 熱氣循環(huán)試驗(yàn)?zāi)茉谠O(shè)備正式運(yùn)行前模擬設(shè)備的運(yùn)行工況，檢查各連接部位，作為復(fù)合板設(shè)備的可靠性的一個(gè)重要檢測(cè)手段，也是鈦設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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