厚壁鈦塔的制造技術(shù)研究及應(yīng)用

賀學(xué)志 杜珊珊 吳 磊 周 挺 徐鵬程

（1.合肥通用機(jī)械研究院 2.合肥通用特種材料設(shè)備有限公司)

厚壁鈦塔的制造技術(shù)研究及應(yīng)用

賀學(xué)志*1,2杜珊珊1,2吳 磊1,2周 挺1,2徐鵬程1,2

（1.合肥通用機(jī)械研究院 2.合肥通用特種材料設(shè)備有限公司)

結(jié)合厚壁鈦制塔器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從塔體、內(nèi)件的排版和下料，封頭成形，塔體組裝以及焊接和保護(hù)等方面，進(jìn)行了較全面的闡述，可為同類設(shè)備的制造提供借鑒和參考。

塔器 等離子弧焊接 鈦合金 厚壁 機(jī)械加工 熱成形 氬弧焊

0 前言

鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。特別是在化工生產(chǎn)中，用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。鈦及其合金已作為一種優(yōu)異的耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料在化工生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，從最初的 “純堿與燒堿工業(yè)”擴(kuò)展到了氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機(jī)合成、染料、無(wú)機(jī)鹽、農(nóng)藥、合成纖維、化肥和精細(xì)化工等諸多行業(yè)。

近年來(lái)，精對(duì)苯二甲酸（PTA）、醋酸行業(yè)對(duì)鈦質(zhì)化工設(shè)備需求持續(xù)增加。厚壁鈦制塔器是烯烴/醋酸加成合成醋酸仲丁酯裝置中的關(guān)鍵核心設(shè)備，裝置中精餾塔、脫輕塔均為鈦材 （TA2）制設(shè)備。為提高裝置投資效率，裝置大型化要求設(shè)備向更大尺寸、更高參數(shù)發(fā)展。以一套產(chǎn)能為4萬(wàn)t/a醋酸仲丁酯裝置為例，其中精餾塔直徑為2.4 m，高約63 m，含塔盤(pán)在內(nèi)需要鈦材約40 t，單臺(tái)設(shè)備總價(jià)約500萬(wàn)元。設(shè)備制造過(guò)程中，需要攻克厚壁鈦合金成形、加工和焊接等技術(shù)難題。這種鈦設(shè)備價(jià)值高、技術(shù)含量高、附加值高，市場(chǎng)需求穩(wěn)定。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)山東、湖南、陜西等地先后投資建設(shè)醋酸仲丁酯裝置；同時(shí)，鹽化工、PTA等行業(yè)對(duì)鈦設(shè)備的需求量也持續(xù)擴(kuò)大。2012年以來(lái)，合肥通用特種材料設(shè)備有限公司已成功設(shè)計(jì)并制造了8臺(tái)套鈦反應(yīng)器——酯化反應(yīng)器；2014年新簽訂了2臺(tái)厚壁鈦制塔器制造合同。為順利完成該型厚壁鈦塔的制造，進(jìn)一步搶占市場(chǎng)，經(jīng)該公司研究，決定開(kāi)展厚壁鈦制塔器的制造技術(shù)研究，以形成關(guān)鍵技術(shù)自有的產(chǎn)品。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

該設(shè)備為板式精餾塔，由上下橢圓封頭、筒體、裙座、接管、法蘭、120層塔盤(pán)等組焊而成。設(shè)備內(nèi)徑為2400 mm，主體材料為T(mén)A2，其中筒節(jié)厚度分別為 22、18、14、12 mm。設(shè)備總長(zhǎng)約61 878 mm，凈質(zhì)量為38 095 kg。該塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 板式精餾塔結(jié)構(gòu)

表1 板式精餾塔相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 鈦材設(shè)備制造環(huán)境及加工的特殊要求

2.1 鈦材設(shè)備制造環(huán)境要求

（1）鈦材表面應(yīng)采用紙質(zhì)貼膜進(jìn)行保護(hù)，以避免灰塵、油污、鐵離子等其它污物的污染，同時(shí)也可以避免搬運(yùn)或加工過(guò)程中劃傷鈦材表面。

（2）鈦容器制造應(yīng)有專用的有色金屬清潔場(chǎng)地、相應(yīng)的材料保護(hù)措施，以防止在加工過(guò)程中鈦材與鋼材等混放而造成污染及損傷。如場(chǎng)地可鋪設(shè)橡膠或其他軟質(zhì)材料等。

（3）鈦容器制造時(shí)應(yīng)有專用的或進(jìn)行過(guò)防護(hù)措施的各種加工成形設(shè)備，包括切割、起吊、卷制、組裝、焊接等工序中所使用的各種設(shè)備，以防止鈦材在加工過(guò)程中受到污染及損傷。

（4）鈦材焊接應(yīng)有清潔的環(huán)境，最好在獨(dú)立的鈦加工車間進(jìn)行，并與其它作業(yè)區(qū)隔開(kāi)。另外，鈦材焊接應(yīng)遠(yuǎn)離通風(fēng)口和敞開(kāi)的門(mén)窗處。若在室外操作，如現(xiàn)場(chǎng)制作、維修或補(bǔ)焊，則焊接作業(yè)處的風(fēng)速要控制在小于6 m/s，相對(duì)濕度小于90%。若條件許可，在鈦材焊接場(chǎng)地可鋪設(shè)地板，以防止鐵污染。此外，搭防塵棚，配備去濕機(jī)，都對(duì)提高焊接質(zhì)量大有好處。

2.2 鈦材劃線、下料及坡口加工要求

（1）材料劃線時(shí)不應(yīng)損傷表面質(zhì)量。可采用鉛筆或記號(hào)筆劃線，在以后的加工中能夠消除的劃線允許打樣沖眼。

（2）鈦材可采用火焰切割、等離子切割、沖剪、水刀等機(jī)械加工或切割方法下料。采用火焰切割時(shí)必須留出寬10～15 mm的熱影響區(qū)加工余量，同時(shí)須將熔渣清理干凈。當(dāng)采用火焰或等離子切割時(shí)，不允許火花飛濺在鈦材表面，切割邊緣必須用打磨或機(jī)械加工方法去除污染層。

（3）筒體與零部件的下料：鈦材與不銹鋼、鋁材一樣， 表面不得有硬印標(biāo)記 （樣沖孔等）， 應(yīng)用鉛筆 （色筆）劃線。鈦薄板可以剪切下料；厚板可用氧乙炔焰或等離子弧切割， 切口要留足加工余量，并用機(jī)械方法去除表面污染層。為了防止在各道工序中鈦材表面受到損壞，其表面應(yīng)貼牛皮紙加以保護(hù)。鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍摻和氧化鋁的砂輪，絕不能用打磨過(guò)碳鋼的砂輪，打磨時(shí)鈦材表面不允許出現(xiàn)過(guò)熱的色澤。

（4）鈦制容器的焊接坡口應(yīng)采用機(jī)械方法加工（如刨邊機(jī)加工），坡口表面不得有裂紋、分層和夾渣等缺陷。

3 主要部件的工藝控制

3.1 塔體板材及內(nèi)件排版

設(shè)備塔體及內(nèi)件板材規(guī)格和數(shù)量頗多，且設(shè)備制造工期緊，為便于生產(chǎn)制造及按期完成任務(wù)，經(jīng)綜合考慮，決定塔器筒體均采購(gòu)定尺板（定長(zhǎng)定寬），塔內(nèi)件也按排版后的定尺板采購(gòu)，板材到廠后按照排版圖下料制造。部分零部件排版圖見(jiàn)圖2。

圖2 部分零部件排版圖

3.2 筒體冷卷成形

鈦制厚壁筒體冷卷成形前，應(yīng)先對(duì)筒體壓頭，以保證筒體縱縫對(duì)口棱角度，避免筒體卷圓時(shí)錯(cuò)邊。卷板機(jī)的輥?zhàn)颖砻鎽?yīng)保持干凈，最好在鈦板上墊一層不銹鋼薄板，或者在卷板機(jī)輥?zhàn)由侠p繞麻繩等，以保護(hù)鈦板表面不被污染及損傷。另外，由于鈦的彈性模量較低，回彈量大，可采用模壓法預(yù)彎或在三輥卷板機(jī)上用模板滾壓成形。要認(rèn)真對(duì)待和嚴(yán)控筒體縱縫棱角，防止產(chǎn)生較大的組對(duì)應(yīng)力。

3.3 機(jī)械加工

鈦設(shè)備制造時(shí)有大量的零部件需要機(jī)械加工，如法蘭、盲板及焊接坡口的加工等。鈦的機(jī)械加工應(yīng)采用較大的進(jìn)刀量和較低的切削速度。在切削過(guò)程中不可停止走刀，同時(shí)需要使用足夠的切削潤(rùn)滑液來(lái)進(jìn)行冷卻[3]。當(dāng)采用砂輪進(jìn)行局部修整時(shí)，只能采用橡膠或尼龍摻和氧化鋁的砂輪，不能使用碳化硅砂輪 (防止磨粒脫落而使鈦材增碳)，也不能使用打磨過(guò)碳鋼的砂輪，以防止鐵污染，同時(shí)要掌握力度，防止鈦材過(guò)熱。

3.4 封頭熱成形

封頭沖壓盡量采用熱成形或冷成形后熱矯形的方法。工業(yè)純鈦低溫?zé)岢尚魏蜔岢C形的加熱溫度為177～325℃；鈦合金為427±15℃。工業(yè)純鈦高溫?zé)岢尚蔚募訜釡囟葹?50～750℃，但最高溫度不得高于β相的轉(zhuǎn)變溫度882℃ (β相鈦合金除外)。

由于鈦的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，在高溫狀態(tài)下更易氧化，因此封頭熱加工時(shí)必須注意下列事項(xiàng)：

（1）加熱前應(yīng)將工件表面的油污和其它附著物全部清除干凈。若工件高溫 (350℃以上)熱加工后不再需要進(jìn)行機(jī)械加工，其表面可涂以耐高溫涂料，以防止表面被氧化、污染。

（2）加熱一般應(yīng)采用電爐，加熱要均勻。

為防止工件在沖壓過(guò)程中被劃傷或粘模，鈦材表面所涂潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)應(yīng)是比較高的。

4 塔體組裝

該板式精餾塔內(nèi)件及接管較多，為了方便運(yùn)輸，最終確定塔器分兩段進(jìn)行制作，在現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)合攏。結(jié)合實(shí)際采購(gòu)的鈦板材板幅，以設(shè)備的接管及內(nèi)件安裝盡量避開(kāi)設(shè)備縱、環(huán)焊縫為原則，確定塔體筒節(jié)布置及分段位置，具體見(jiàn)圖3。

5 焊接 [2 ]

鈦的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，600℃以上會(huì)和氧、氮發(fā)生急劇的化合反應(yīng)，1000℃以上就會(huì)與碳形成大量脆性化合物，熔融狀態(tài)下幾乎能和任何元素起化合作用，因此不能采用手工電弧焊和氣焊等，而必須采用惰性氣體雙面保護(hù)電弧焊等方法焊接。

5.1 等離子弧焊

圖3 塔體筒節(jié)布置及分段位置

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過(guò)水冷噴嘴時(shí)受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。它的穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和周圍保護(hù)氣體一般用氬。根據(jù)不同工件的材料性質(zhì)，也有使用氦或氬氦、氬氫等混合氣體的。

等離子弧焊焊接時(shí)，由于其電弧挺直、能量密度大，因而電弧穿透能力強(qiáng)，10～12 mm厚度鋼材可不開(kāi)坡口，一次焊透雙面成形，焊接速度快、生產(chǎn)率高、應(yīng)力變形小。等離子弧焊焊接時(shí)產(chǎn)生的小孔效應(yīng)，對(duì)于一定厚度范圍內(nèi)的大多數(shù)金屬可以不開(kāi)坡口進(jìn)行對(duì)接，并能保證熔透和焊縫均勻一致。因此，等離子弧焊的生產(chǎn)率高、焊縫質(zhì)量好。但等離子弧焊設(shè)備 （包括噴嘴）比較復(fù)雜，對(duì)焊接工藝參數(shù)的控制要求較高。鎢極氣體保護(hù)電弧焊可焊接的絕大多數(shù)金屬，均可采用等離子弧焊焊接。與之相比，對(duì)于1 mm以下的極薄的金屬的焊接，用等離子弧焊可較易進(jìn)行。

5.2 手工氬弧焊

氬弧焊是使用氬氣作為保護(hù)氣體的一種焊接技術(shù)，又稱氬氣體保護(hù)焊。氬弧焊就是在電弧焊的周圍通上氬氣保護(hù)氣體，將空氣隔離在焊區(qū)之外，以防止焊區(qū)被氧化。氬弧焊技術(shù)是在普通電弧焊原理的基礎(chǔ)上，利用氬氣對(duì)金屬焊材進(jìn)行保護(hù)。氬弧焊通過(guò)大電流使焊材在被焊基材上融化形成熔池，從而使被焊金屬和焊材達(dá)到冶金結(jié)合。由于在高溫熔融焊接中不斷通入氬氣，使焊材不能和空氣中的氧氣接觸，從而防止了焊材的氧化，因此氬弧焊可以焊接不銹鋼、鈦類等金屬。

5.3 焊接保護(hù)

焊接的保護(hù)氣可用氬氣、氮?dú)?、氦氣或其中二者之混合氣。一般采用氬氣，并且純度不?yīng)低于99.99%。焊接時(shí)也可采用水冷卻保護(hù)方式。

5.4 選擇合理的焊接結(jié)構(gòu)

結(jié)合該公司現(xiàn)有設(shè)備的加工能力，確定厚壁筒體焊接結(jié)構(gòu)采用階梯坡口形式。采用等離子弧焊與手工氬弧焊或機(jī)械氬弧焊相結(jié)合的方式進(jìn)行焊接，以等離子弧焊打底，手工氬弧焊或機(jī)械氬弧焊填充和蓋面。焊接坡口具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

6 設(shè)備成型及檢驗(yàn)

該鈦制塔器按TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 150—2011《壓力容器》、JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》以及圖樣要求等進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。設(shè)備成型圖見(jiàn)圖5。

圖4 厚壁鈦板坡口形式

圖5 設(shè)備成型圖

設(shè)備經(jīng)檢驗(yàn)合格后對(duì)其進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)塔器的整體強(qiáng)度、剛度，檢查焊接接頭的致密性，驗(yàn)證密封結(jié)構(gòu)的密封性能以及消除或降低焊接殘余應(yīng)力、局部不連續(xù)區(qū)的峰值應(yīng)力等。

7 總結(jié)

本文針對(duì)厚壁鈦制塔器設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從鈦塔主材及內(nèi)件排版和下料、封頭成形、厚壁鈦筒體焊接及保護(hù)、鈦塔內(nèi)件焊接及保護(hù)等方面進(jìn)行了較全面的闡述，可為同類設(shè)備制造提供借鑒和參考。

厚壁鈦筒體焊接結(jié)構(gòu)采用階梯坡口形式，使用等離子弧焊與手工氬弧焊或機(jī)械氬弧焊相結(jié)合的方式進(jìn)行焊接，以等離子弧焊打底，手工氬弧焊或機(jī)械氬弧焊填充和蓋面。這種焊接方式可以很好地保證焊接質(zhì)量以及提高焊接效率。

[1]李德華，陳志勇.鈦合金切削中刀具材料選用與加工工藝介紹 [J].湖北航天科技，2002，40（449）：17-19.

[2]孫景榮.實(shí)用焊工手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]鋼制塔式容器:JB/T 4710-2005 [S].北京：新華出版社，2005.

[4]鈦制焊接容器:JB/T 4745-2002 [S].昆明：云南科技出版社，2003.

Research and Application of Manufacturing Technology for Thick-walled Titanium Tower

He XuezhiDu Shanshan Wu LeiZhou Ting Xu Pengcheng

Combining with the structural characteristics of thick-walled titanium tower,the paper gives a comprehensive description of the layout and blanking of tower body and internals,the forming of tower head,the assembly of tower body,the welding and protection of tower body and internals,which can provide a reference for manufacturing similar equipment.

Tower;Plasma-arc welding;Titanium alloy;Thick wall;Machining;Thermal forming;Argon-arc welding

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.013

2016-08-29)

*賀學(xué)志，男，1986年生，助理工程師。合肥市，230031。