大型鈦－鋼復(fù)合板塔器制造工藝研究

武曉偉 肖昌輝 張恩遠(yuǎn)

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司）

大型鈦－鋼復(fù)合板塔器制造工藝研究

武曉偉*1，2肖昌輝1，2張恩遠(yuǎn)1，2

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司）

介紹了鈦－鋼復(fù)合板塔器的制造工藝，包括關(guān)鍵零部件的制造、鈦－鋼復(fù)合板的焊接、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)、熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)和陽極化處理等，對(duì)鈦－鋼復(fù)合板類似設(shè)備的制造、檢驗(yàn)具有一定的參考意義。

鈦－鋼復(fù)合板 塔器 熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn) 陽極化處理 焊接 安裝

鈦和鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料有許多特點(diǎn)，包括密度小，抗拉強(qiáng)度高，比強(qiáng)度大，在氧化性、中性及有氯離子的介質(zhì)中耐腐蝕性能均優(yōu)于不銹鋼。鈦和鈦合金還具有塑性、韌性好，線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率較小，焊接性良好，易于成形等優(yōu)點(diǎn)，近年來已在石油化工、冶金、造紙、海洋工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。

鈦－鋼復(fù)合板容器是用鈦?zhàn)饕r里的耐蝕壓力容器。由于鈦材本身的焊接有一定的難度，再加上鈦材與鋼材線膨脹系數(shù)不同，因此鈦－鋼復(fù)合板的焊接具有很強(qiáng)的特殊性，對(duì)焊接的要求更為復(fù)雜和嚴(yán)格。此外，鈦－鋼復(fù)合板塔器組裝完成之后，還要進(jìn)行陽極化處理和熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，這些技術(shù)目前在國內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)具備相關(guān)的制造經(jīng)驗(yàn)和成熟的工藝。

1 塔器制造工藝

該鈦－鋼復(fù)合板塔器的主體材料為TA2+Q345R復(fù)合板，塔體直徑為DN3400 mm，設(shè)計(jì)高度為50 m，設(shè)計(jì)質(zhì)量約為90 t。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及運(yùn)輸條件限制，塔體分兩段制造和發(fā)貨運(yùn)輸，到現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行組裝。本文重點(diǎn)介紹塔體的焊接、探傷、熱處理、陽極化處理和熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)等制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1 鈦－鋼復(fù)合板的焊接

鈦及鈦合金具有良好的可焊性，但是鈦及鈦合金設(shè)備在整個(gè)裝配、焊接過程中極易受到污染[2]，因此在塔的整個(gè)制造過程中必須嚴(yán)格按照以下要求進(jìn)行焊接。

1.1.1 清潔度的要求

（1）場(chǎng)地的要求

鈦材放置場(chǎng)地和鈦材焊接場(chǎng)地最好安排在單獨(dú)劃分的區(qū)域，非專業(yè)人員不得進(jìn)入，每天按時(shí)拖地以保證地面清潔；所有放置鈦材的地面應(yīng)鋪墊膠皮，防止鈦材表面劃傷；鈦材表面罩上塑料布，每次材料取用完畢應(yīng)用塑料布蓋好，防止污染。

（2）鉚焊工要求

所有鉚焊工在塔器制造過程中應(yīng)穿干凈的工作服，戴干凈的棉手套或焊工牛皮手套，手套被油污污染后，馬上更換。所有進(jìn)入施工場(chǎng)地的人員，必須穿干凈的鞋套。班組至少備3套鞋套，確保每次施工時(shí)鞋套干凈。

（3）鈦材吊裝工具要求

若鈦材需要吊裝，應(yīng)對(duì)卡具接觸鈦材的表面采用膠皮保護(hù)，使卡具不直接接觸鈦表面，同時(shí)還要保證吊裝的安全性。

（4）裝配焊接前要求

所有鈦填條（墊板）組對(duì)焊接之前，應(yīng)對(duì)鈦覆層表面焊縫兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)用氧化鋁百葉輪拋光，并用丙酮擦洗干凈，確保在裝配墊板及蓋板前焊縫兩側(cè)表面清潔。清理過的焊縫超過0.5 h未焊完的，需重新拋光后再焊接。注意必須用氧化鋁百葉輪，嚴(yán)禁用不銹鋼拋光輪，尤其不能使用拋光過碳鋼的拋光輪進(jìn)行操作。所有鈦材包括填條（墊板）、蓋板、復(fù)蓋板、焊材等裝配焊接之前，必須用丙酮將表面的油污雜質(zhì)清洗干凈，并晾干后使用[2]。

（5）裝配過程中的要求

鉚工在所有鈦墊板裝配之前，一定要用壓縮空氣將焊接坡口吹干凈才能進(jìn)行安裝；所有焊工必須持有鈦焊接焊工證進(jìn)行操作，鉚工不得私自點(diǎn)焊；點(diǎn)焊的焊接工藝應(yīng)與評(píng)定合格的正式焊接工藝相同，而且最后應(yīng)使定位焊縫熔入永久焊縫中；鉚工在裝配蓋板時(shí)，要求蓋板與覆層內(nèi)表面貼合嚴(yán)實(shí)，要保證間隙≤0.3 mm；貼合檢驗(yàn)合格后，使用紙膠帶將每條焊縫全部密封黏合，后續(xù)焊接時(shí)邊焊邊揭；在焊接過程中，如果發(fā)現(xiàn)蓋板和覆層的間隙變大，則應(yīng)用銅錘（或鋁錘、或包橡膠皮鐵錘）輕敲鈦蓋板，以保證蓋板和覆層的緊密貼合。

1.1.2 裝配間隙的要求

鈦填條（墊板）下料時(shí)一定要根據(jù)縱縫內(nèi)側(cè)的坡口寬度進(jìn)行下料，避免墊板與覆層之間熔焊時(shí)熔到基層焊縫中；填條裝配之前一定要用砂輪機(jī)對(duì)所有殼體內(nèi)側(cè)基層焊縫進(jìn)行打磨，直至與基層內(nèi)表面齊平。裝配蓋板時(shí)，要求蓋板與覆層內(nèi)表面貼合嚴(yán)實(shí)，要求間隙≤0.3 mm。

鈦襯管、鈦襯環(huán)以及鈦蓋板與接管、法蘭點(diǎn)裝時(shí)應(yīng)緊密貼合，要求間隙≤0.3 mm，并按零件圖中的先后順序進(jìn)行焊接、熱處理等過程。

1.1.3 焊接過程的要求

（1）鈦－鋼復(fù)合板縱縫、環(huán)縫組焊流程應(yīng)嚴(yán)格按照作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書執(zhí)行。

（2）每道焊縫實(shí)行責(zé)任制，焊工須經(jīng)培訓(xùn)驗(yàn)證合格后上崗，對(duì)驗(yàn)證不符合要求的絕不允許施焊。

（3）制作合適的縱縫、環(huán)縫以及角縫的正面保護(hù)工裝，同時(shí)還需在背面檢漏孔通氬氣進(jìn)行保護(hù)。

（4）施焊前先確認(rèn)焊縫是否已打磨，是否露出金屬光澤，若發(fā)現(xiàn)存在氧化后的發(fā)烏情況，應(yīng)用氧化鋁拋光輪先行打磨待焊接區(qū)。同時(shí)檢查施焊位置是否存在灰塵等污物，如有污物則需用壓縮空氣吹掃后再施焊。對(duì)本次未焊完的焊接區(qū)域，應(yīng)確保紙膠帶繼續(xù)覆蓋完好。

（5）氬弧焊焊接時(shí)盡量不要左右擺動(dòng)，并且鎢極不能碰到焊縫金屬，如碰到則應(yīng)去除焊縫中夾鎢點(diǎn)，并修磨鎢極尖端后再繼續(xù)焊接。

（6）所有角縫焊接時(shí)分兩遍施焊，第一遍加絲快速焊，第二遍再焊滿坡口。所有角焊縫要飽滿，如圖1（c）所示，或至少要焊接到圖1（b）所示的狀態(tài)，不能像圖1（a）。

圖1 角焊縫飽滿度

（7）在保證充分熔合的情況下，選用最低的線能量進(jìn)行焊接。由于鈦熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱性差（只有鐵的1/4），且比熱容小，因此過熱區(qū)高溫停留時(shí)間長（比碳鋼長2.5～3倍），冷卻緩慢，致使過熱區(qū)會(huì)出現(xiàn)顯著的粗大晶粒以及過燒現(xiàn)象，這種粗大晶粒的存在會(huì)導(dǎo)致過熱區(qū)的塑性下降。但是線能量也不能太小，否則也會(huì)使塑性降低。

（8）為保證銀釬焊部位焊接完成之后的強(qiáng)度及密封性能，需要在銀釬焊完成之后用專用膠將該部位再黏合一遍。

1.2 焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

為了保證焊縫質(zhì)量，筒體的基層焊完之后按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)——第2部分：射線檢測(cè)》要求對(duì)基層焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)（RT），Ⅱ級(jí)為合格。

覆層焊完之后，首先進(jìn)行外觀檢查。通過外觀檢查可發(fā)現(xiàn)的缺陷有：表面氣孔、夾渣、焊穿、咬邊、裂紋及其類似的表面缺陷。檢查時(shí)配強(qiáng)光手電，沿焊縫兩面進(jìn)行檢查。外觀不合格的必須立即用電磨頭將該部位修磨好，然后再用氬弧焊焊滿。每焊一道焊縫，都需要進(jìn)行焊接接頭的表面顏色檢查。根據(jù)焊接部位的表面顏色，可以判斷焊接的質(zhì)量，尤其是惰性氣體的保護(hù)效果。如有焊縫呈藍(lán)色，必須用電磨頭將其去除再補(bǔ)焊。

著色探傷是檢查焊縫表面缺陷的有效手段，可用于顯示肉眼難以察覺的表面缺陷。每條焊縫焊完以后，按NB/T 47013.5—2015進(jìn)行100%PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)為合格。

氣密試驗(yàn)：著色探傷之后將0.03 MPa的空氣充入檢驗(yàn)孔中，用肥皂水檢驗(yàn)焊縫的密封性能。氨檢漏：每道焊縫焊接完成后（尤其是縱縫），逐條進(jìn)行氨檢漏，確認(rèn)是否存在泄漏點(diǎn)，同時(shí)對(duì)銀釬焊未封死的位置進(jìn)行補(bǔ)焊處理。之后在每個(gè)獨(dú)立區(qū)域充入0.07 MPa氦氣，用質(zhì)譜儀檢測(cè)鈦焊縫是否泄漏。在檢驗(yàn)期間，必須保證排氣良好，以防止氦氣積累。檢測(cè)儀器的靈敏度為10-7Pa·m3/s。如果發(fā)現(xiàn)泄漏或缺陷，立即進(jìn)行修補(bǔ)，然后再進(jìn)行氦檢漏。

通過上述多種檢測(cè)手段的配合，最終保證了產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量。

1.3 熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)

鈦和鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，鈦－鋼復(fù)合板設(shè)備一旦處于某些極端工況，就會(huì)因?yàn)闇夭钭兇髮?dǎo)致鈦覆層處于受拉應(yīng)力狀態(tài)，若鈦焊縫質(zhì)量存在問題，就會(huì)造成焊縫開裂，甚至發(fā)生滲漏。

熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)就是在設(shè)備內(nèi)部通入蒸汽，模擬操作過程的溫度變化。其中模擬操作過程中可能出現(xiàn)的極端工況，可以充分檢測(cè)鈦焊縫的焊接質(zhì)量。該方法試驗(yàn)周期短、成本較低，但試驗(yàn)過程復(fù)雜、較危險(xiǎn)。塔體由于其尺寸限制，只能在戶外進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)。塔體外部敷設(shè)保溫層，考慮試驗(yàn)時(shí)塔體對(duì)流和輻射傳熱兩部分的熱量損失，確定鍋爐的熱負(fù)荷。圖2是熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)溫度和壓力循環(huán)過程圖。

圖2 熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)溫度和壓力循環(huán)圖

熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)完成后，按照上述氦檢漏的方案再次進(jìn)行氦檢漏，同時(shí)內(nèi)部對(duì)焊縫表面進(jìn)行PT檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)泄漏必須修補(bǔ)好之后重新進(jìn)行氦檢漏。

1.4 陽極化處理

鈦－鋼復(fù)合板的陽極化處理是以鈦材作為陽極，鋼材作為陰極，在電解質(zhì)中通入直流電使鈦材預(yù)先鈍化，在表面形成附著力強(qiáng)的、致密的惰性氧化膜，從而使鈦覆層的耐腐蝕性能得到極大提高。

通過以往的制造檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，解決了電源選擇、電解質(zhì)溶液的制備、處理裝置的準(zhǔn)備及絕緣等問題，最終順利完成整個(gè)鈦－鋼復(fù)合板塔器內(nèi)部所有鈦覆層的陽極化處理。最終效果：陽極氧化膜層呈深藍(lán)色，連續(xù)、均勻、緊密結(jié)合在鈦覆層上。

2 結(jié)論

（1）鈦－鋼復(fù)合板裝配、焊接的關(guān)鍵點(diǎn)，一是保證清潔度，二是過程保護(hù)。只有認(rèn)真做好這兩方面的工作，再配合后期各種檢測(cè)手段，才能有效保證焊縫的質(zhì)量。

（2）鈦－鋼復(fù)合板塔器的制造要從材料質(zhì)量控制、板材下料、封頭和筒體的成形控制、裝配和焊接質(zhì)量控制、焊縫檢測(cè)和返修、酸洗和包裝控制等方面來聯(lián)合進(jìn)行。

（3）熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)是對(duì)鈦焊縫質(zhì)量的最終驗(yàn)證，陽極化處理能夠提高鈦覆層的耐腐蝕性能。

[1] 任世宏，李巍，王迎君.鈦復(fù)合板容器設(shè)備的制造 [J].電焊機(jī)，2003，33（12）：39-43.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Research on the Manufacturing Process of the Large Titanium-Steel Clad Plate Tower

Wu XiaoweiXiao ChanghuiZhang Enyuan

The whole manufacturing process of titanium-steel clad plate tower is introduced，including parts manufacturing,welding of titanium-steel clad plate,welding quality test,thermal cycle test,anodic treatment,and etc,which has a certain guiding significance for the manufacture and inspection of titaniumsteel clad plate tower.

Titanium-steel clad plate;Tower;Thermal cycle test;Anodic treatment;Welding;Install

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.016

2016-12-02）

*武曉偉，男，1988年生，碩士，工程師。洛陽市，471000。