鈦制鹽水冷卻器的制造

王文濤+白曉琳

（沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司）

摘 要：金屬鈦作為一種活潑金屬，焊接時極易被氧化。須在專用場地施焊，將焊接表面嚴格清理，鎢極氬弧焊時輔以拖罩方式保護，可以避免氣孔和裂紋缺陷，接頭質(zhì)量通過顏色來檢驗。

關鍵詞：鈦材；氧化；氬氣保護；顏色檢驗

鈦及其合金由于密度小質(zhì)量輕，并且具有良好的力學性能，大量地使用在航空、航天等尖端領域，隨著石油、化工行業(yè)的飛速發(fā)展，由于鈦及其合金在鹽水及大多數(shù)酸、堿、鹽類介質(zhì)中均具有較優(yōu)良的抗耐蝕性能，此外還有良好的力學性能和低溫沖擊韌性，因此鈦及其合金越來越受到石油化工行業(yè)的青睞，被廣泛制造成復合板、反應釜、分離塔或各類換熱器等。石油化工行業(yè)由于使用了鈦制化工設備，大大降低了維修及更換設備次數(shù)，從而節(jié)約了時間和生產(chǎn)成本。在鈦材化工設備制造過程中，公司對鈦材的技術要求及工藝性能、焊接性能進行了分析，克服了主要技術難點，圓滿地完成了制造任務，并順利地通過了各方檢驗。

1、鈦材鹽水冷卻器的結構特點

鈦制鹽水冷卻器的結構并不復雜，與一般的管殼式換熱器并無過多的差別，但因其工作介質(zhì)腐蝕性較強，因此在管程設計上選用了鈦材TA2。管箱采用8mm的TA2板材卷制而成，換熱管是Φ25X2的TA2換熱管，管板是16MnIII鍛件與TA2板材爆炸復合而成。殼體部分選用的是Q345R。

2、鈦材的焊接特點

液態(tài)金屬鈦流動性較好，表面張力大，因而采用鎢極氬弧焊焊接時焊縫成型非常均勻、美觀；由于鈦是一種活潑金屬，高溫下鈦與氧、氫、氮反應速度較快，因而焊接鈦及其合金時，要用保護氣體重點保護300℃以上的焊縫及熱影響區(qū)。在鎢極氬弧焊時，僅依靠噴嘴保護是不夠的，要輔以拖罩局部或整體保護方式，否則會造成焊縫吸氧、吸氫、吸氮，從而導致焊縫塑性下降，脆化程度加重，甚至出現(xiàn)焊后裂紋。鈦及合金的焊接保護是否正確或合適，可通過焊縫及熱影響區(qū)的顏色來檢驗。

此外，鈦及其合金只要焊前進行嚴格的清理工作，選擇合適的焊接填充材料和氬氣做保護氣，氣孔和裂紋等缺陷是可以避免的。

3、管箱的制造

3.1 管箱短節(jié)焊縫應采用機械刨邊加工坡口，坡口表面不得有分層，裂紋等缺陷，并保證外周長的偏差不超過標準規(guī)定。短節(jié)卷制形成過程：先進行端部預彎，經(jīng)弧形樣板檢測合格，用滾板機彎制成形，組對定位焊，檢測錯邊量，檢測對接間隙，符合工藝要求，清除坡口及其兩側25mm范圍內(nèi)的油銹、雜質(zhì)，按焊接工藝要求在筒節(jié)縱縫延長部位組對引、熄弧板，組焊縱焊縫后進行筒體校圓。

3.2 管箱封頭用鈦板應切割下料，做材料標記移植后采用冷成形工藝制造。檢查封頭幾何尺寸表面形狀：直邊部位不得有縱向皺折；最小厚度滿足圖紙要求；用弦長相當于封頭內(nèi)徑的間隙樣板檢查封頭內(nèi)表面形狀偏差；內(nèi)直徑公差；直邊部位最大最小直徑差；直邊高度允差；直邊部位外圓周長；直邊傾斜度；封頭總深度公差；尺寸檢測合格后按焊接工藝加工坡口。

3.3 圖紙要求管箱的所有A、B類焊縫進行100%射線檢測，II級合格；所有的C、D類焊縫以及支耳與短節(jié)間的角焊縫進行100%滲透檢測，I級合格。

3.4 整個組裝過程應在鈦材專用區(qū)域進行，組裝中要特別注意對鈦材表面的保護，必須用軟質(zhì)材料加以保護，防止鐵離子污染和表面劃傷。

4、管束的制造

4.1 按照設計要求鈦管與管板間采用強度焊加貼脹。產(chǎn)品正式脹接前先對試樣進行模擬試驗，確認工藝成熟了再進行產(chǎn)品脹接。為防止焊接變形影響脹接質(zhì)量，焊接管頭過程中嚴格采取對稱焊，脹接工作必須要在焊接全部完成后方可進行。

4.2 對管板不平度進行檢查，然后進行100%UT檢測，貼合率100% 。按圖加工管板各尺寸符合圖紙技術要求，管板密封面應與軸線垂直；管孔應嚴格垂直于管板密封面，孔表面不允許存在貫通的縱向條痕。管板加工完后按規(guī)定清洗，無任何污物、雜質(zhì)、毛刺等，并擦干。

4.3 鈦的機械加工應采用較大的進刀量和較低的切削速度，在切削過程中不應停止走刀。應使用足夠的切削潤滑冷卻液，以防止加工表面發(fā)熱氧化。管板的管孔采用先鉆后鉸。鉸孔的余量控制在單邊0.4mm 左右，適當降低管孔表面粗糙度，避免出現(xiàn)毛刺和劃痕，切忌出現(xiàn)縱向劃痕。

4.4 管束組裝：按圖紙要求組裝拉桿、定距管、折流板與管板，并在穿入數(shù)根換熱管后擰緊螺母，然后逐根穿入換熱管，穿管時不得強行敲打，換熱管表面不應出現(xiàn)凹癟或軸向劃痕，同時穿管時不能施加過大外力，防止鈦管變形或造成換熱管表面劃傷。

4.5 換熱管與管板的焊接：用丙酮擦洗管板與換熱管施焊處，按焊接工藝要求點焊換熱管與管板；用削平器削管頭保證換熱管伸出長度；用丙酮擦洗管板與換熱管施焊處；按焊接工藝要求焊接換熱管與管板接頭。對換熱管與管板焊接接頭進行100% PT檢測，焊接接頭質(zhì)量不低于I級為合格。

5、鈦材的焊接

工業(yè)純鈦的焊接主要解決焊縫和熱影響區(qū)的表面保護和焊縫中產(chǎn)生氣孔問題。由于鈦在高溫下（大于300℃）對氧氫氮有極大的親和力，所以鈦材在焊接時應在空氣潔凈無塵無煙的專用場地進行，場地鋪設橡膠等軟墊。此外還要采取以下措施：

（1）對母材、焊材表面進行處理，用酒精或丙酮仔細清洗。焊接時所用的輔助裝置也應注意清潔。

（2）保護氣體氬氣選用純度為高于99.99%。

（3）控制保護氣流量，氣流量過小保護不好，過大易形成渦流。焊鈦時噴嘴的氣流量為15-18L/min左右，背面氣流量為15L/min左右，拖罩的氣流量為20L/min左右。

焊接TA2縱環(huán)焊縫及角焊縫采用的是脈沖氬弧焊機，是Φ2.0的STA2R焊絲；而焊接換熱管與管板使用的是管頭氬弧自動焊機，是Φ0.8的STA2R焊絲。正式生產(chǎn)前我公司按照JB4745-2002附錄B對鈦材進行了焊接工藝評定，其焊縫經(jīng)過外觀及射線檢測合格，其拉伸、彎曲結果表明，強度、韌性等機械性能均達到標準要求。

按焊接工藝評定確定的焊接規(guī)范焊接此臺鈦材鹽水冷卻器，焊后對鈦焊縫的進行外觀檢查，要求不應有咬邊、未焊透、未熔合，并按標準規(guī)定判斷其顏色是否合格。顏色檢查合格后再進行100%射線檢測，結果其主體A、B類焊縫一次合格率達到96%，焊接質(zhì)量非常好。

6、結束語

（1）鈦制鹽水冷卻器的制造，關鍵是要控制好鈦材焊接接頭的質(zhì)量。選擇適當?shù)暮附硬牧虾秃侠淼暮附右?guī)范參數(shù)，正確地進行氬氣保護，防止鈦焊縫表面氧化。

（2）對脹接的換熱管與管板結構，最主要是控制好換熱管與管孔間的間隙，除了要控制好管板孔的直徑的加工精度，還應選用高精度尺寸的鈦管以保證間隙的基本一致。這樣才能保證貼脹的脹接質(zhì)量。