不銹鋼復(fù)合板在井礦鹽蒸發(fā)設(shè)備上的應(yīng)用

程京山，夏德富

(天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450)

1 前言

現(xiàn)代井礦鹽生產(chǎn)主要采用MEE、MVR及TVR蒸發(fā)設(shè)備, 單套裝置整體向大型化、規(guī)模化的方向發(fā)展，單線的產(chǎn)能不斷擴(kuò)大。由于蒸發(fā)設(shè)備工作介質(zhì)為高溫鹽鹵，具有非常強(qiáng)的腐蝕性，普通碳鋼設(shè)備根本無法長周期運(yùn)行。經(jīng)過幾十年的探索，我國在井礦鹽蒸發(fā)裝置的防腐蝕技術(shù)方面已經(jīng)取得了非常成熟的經(jīng)驗(yàn)。目前，加熱室換熱管選用鈦材已成為我國業(yè)內(nèi)共識，為了降低工程造價(jià)，大型設(shè)備之蒸發(fā)室選用不銹鋼復(fù)合板制造也是國內(nèi)通用做法。

各企業(yè)鹽鹵成分不盡相同，蒸發(fā)工藝各有千秋，選用的不銹鋼型號也不完全一樣，設(shè)備的耐腐蝕效果相差較大，有的企業(yè)設(shè)備運(yùn)行比較穩(wěn)定，但有部分企業(yè)設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，不能正常生產(chǎn)，造成了很大浪費(fèi)。

2 不銹鋼型號選擇

我國井礦鹽資源廣泛分布于18個(gè)省市，主要分硫酸鈉型(簡稱硝型)鹵水和硫酸鈣型(簡稱鈣型)鹵水，蒸發(fā)制鹽工藝流程因所用原料而不同，硝型鹵水一般是鹽硝聯(lián)產(chǎn)工藝，原料鹵水均需凈化除去鈣、鎂離子后進(jìn)罐蒸發(fā)，鈣型鹵水分為鹵水凈化與非凈化工藝。各種蒸發(fā)工藝的設(shè)備型式與結(jié)構(gòu)大體一樣。

目前，國內(nèi)大型真空蒸發(fā)制鹽蒸發(fā)設(shè)備之蒸發(fā)室大部分選用316L復(fù)合板加工，少部分廠家使用2205復(fù)合板制造，2205是雙相不銹鋼材質(zhì)，在抗氯離子腐蝕能力、耐磨性等方面優(yōu)于316L材質(zhì)，但價(jià)格較高，過去需要進(jìn)口，目前，國內(nèi)有幾家鋼企能夠生產(chǎn)，因此，在井礦鹽行業(yè)已經(jīng)逐步推廣使用。

實(shí)踐證明，在高壓、高溫、高濃度氯離子介質(zhì)中，316L和2205不銹鋼復(fù)合板均有一定的腐蝕，希望能引起業(yè)內(nèi)注意。表1中列出了一些企業(yè)選用的不銹鋼的型號及使用情況。

表1 國內(nèi)企業(yè)選用不銹鋼型號情況Tab.1 Selection of stainless steel models by domestic enterprises

3 不銹鋼復(fù)合板制造工藝及特點(diǎn)

不銹鋼復(fù)合板是將不銹鋼薄板采用熱扎或爆炸法牢固地“焊接”在基層較厚碳鋼板之上，不銹鋼的厚度占總厚度比例不超過20%，因其兼有不銹鋼的耐蝕性和普通碳鋼的低價(jià)格，并具有較高的強(qiáng)度、剛度，在井礦鹽蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計(jì)制造中優(yōu)勢特別明顯。

不銹鋼復(fù)合板都是由具有許可資質(zhì)的專業(yè)廠家按合同進(jìn)行生產(chǎn)。不銹鋼板和碳鋼板分別訂貨，采用熱軋或爆炸工藝將二者在結(jié)合面形成冶金結(jié)合，基層與復(fù)層之間具有很高的結(jié)合強(qiáng)度。

我國井礦鹽業(yè)普遍采用爆炸不銹鋼復(fù)合板，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是NB/T 47002.1，按復(fù)層與基層的貼合率的高低，分為3個(gè)等級B1、B2、B3，蒸發(fā)室用復(fù)合鋼板要求達(dá)到B3級板以上，復(fù)層與基層貼合率不低于95%。

在基層與復(fù)層進(jìn)行爆炸復(fù)合加工前，必須分別對不銹鋼和碳鋼結(jié)合面進(jìn)行機(jī)械清潔與拋光處理，小幅面復(fù)層材料還需要先焊接拼接后再與基層板整體復(fù)合，除銹、拋光和拼接均在工廠車間內(nèi)完成，再集中運(yùn)至爆炸現(xiàn)場，爆炸作業(yè)都是在山中野外平整土地上進(jìn)行的，在爆炸場地上，加工好的基層與復(fù)層加工面相對，基層板在下，復(fù)層板在上，兩兩組合，復(fù)層板與基層板中間用鋁質(zhì)墊子預(yù)置出間隙，炸藥均勻平敷在不銹鋼上面，引爆雷管置于中心特定位置，炸藥爆炸的能量使不銹鋼板高速撞擊碳鋼基板，復(fù)層結(jié)合面產(chǎn)生瞬間高溫高壓，從而使兩種材料的界面實(shí)現(xiàn)冶金固相結(jié)合。爆炸后的復(fù)合板嚴(yán)重翹曲變形，需運(yùn)回工廠后進(jìn)行退火處理，消除應(yīng)力，然后在大型油壓機(jī)上進(jìn)行校平，校平后的復(fù)合板進(jìn)行拋光、檢測、修復(fù)、切邊、酸洗等加工，檢測到的未復(fù)合部位，需要挖補(bǔ)焊接處理，產(chǎn)品合格后噴碼包裝。

不銹鋼復(fù)合板的制造工藝使其和單層不銹鋼板的耐蝕性能具有很大的不同，整體耐蝕性能大大下降，不同廠家的工藝不同，復(fù)合板的質(zhì)量差異明顯，耐蝕性能相差很大。因?yàn)椋讳P鋼之所以具有耐蝕性能在于其表面具有一層牢固致密的氧化膜，在復(fù)合板加工過程中，這層膜的完整性被破壞了，拼接焊縫和爆炸缺陷補(bǔ)焊，增加了使用隱患，至于爆炸后的高溫退火，如果熱處理溫度和保溫時(shí)間控制不好，容易引起不銹鋼發(fā)生敏化反應(yīng)，從而在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生晶間腐蝕；如用戶要求進(jìn)行酸洗鈍化，如果沒有成熟的工藝技術(shù)及嚴(yán)格的操作，反而可能造成對不銹鋼耐蝕層的破壞。如此多的隱性缺陷，從表面根本不能發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閺?fù)合板出廠時(shí)，所有的焊縫及修補(bǔ)全部磨平了，甚至是復(fù)層拼接焊縫及修補(bǔ)點(diǎn)都看不到。因此，不銹鋼復(fù)合板設(shè)備制造要特別注意復(fù)合板的加工質(zhì)量，不僅要保證不銹鋼復(fù)層材料的來源及品質(zhì)，還要關(guān)注廠家復(fù)合板爆炸復(fù)合加工工藝及現(xiàn)場執(zhí)行，這一點(diǎn)應(yīng)引起業(yè)內(nèi)同行重視。

4 不銹鋼復(fù)合板設(shè)備加工要求

不銹鋼復(fù)合板是由兩種不同材料組合在一起，由于材料復(fù)合性質(zhì)和耐腐蝕性能要求，在制造中應(yīng)充分考慮保護(hù)復(fù)層不銹鋼，避免不銹鋼滲碳和鐵離子污染，而要保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行全工序工藝試驗(yàn)與評定，根據(jù)復(fù)合板的特點(diǎn)采取特殊的措施，并保證嚴(yán)格執(zhí)行。

(1)板材切割應(yīng)采用等離子切割法和機(jī)械加工法，為了避免切割電弧污染不銹鋼復(fù)層，等離子切割方向由復(fù)層向基層切割；采用剪板機(jī)切割時(shí)，也應(yīng)由復(fù)層切向基層，以避免界面分離和切口毛刺出現(xiàn)在復(fù)層表面上。

(2)不銹鋼復(fù)合板的硬度、強(qiáng)度明顯高于基材和復(fù)材，塑性低于基材和復(fù)材，筒體卷制成型下料時(shí)考慮復(fù)合界面影響，中性層是向復(fù)合界面方向偏移，中性層比按中徑計(jì)算小，下料時(shí)要先進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

(3)封頭等部件采用熱壓成形時(shí)，沖壓前后的溫度及時(shí)間要嚴(yán)格控制，保證材料的耐蝕性能和機(jī)械性能。按經(jīng)驗(yàn)，熱壓加工后溫度應(yīng)高于850 ℃，且不超過950 ℃，復(fù)層不銹鋼不得在550 ℃～850 ℃較長時(shí)間加熱。

(4)為了保證復(fù)合板復(fù)層耐腐蝕要求，筒節(jié)組對時(shí)必須嚴(yán)格控制相鄰?fù)补?jié)周長偏差，控制錯邊量不大于2 mm；對筒節(jié)的棱角度嚴(yán)格要求。

(5)不銹鋼復(fù)合板的焊縫由過渡層、基層和復(fù)層三部分組成。過渡層選用焊材的鉻鎳含量應(yīng)高于復(fù)層中含量；基層和復(fù)層焊材選用與基層碳鋼和復(fù)層不銹鋼單獨(dú)焊接時(shí)的焊接材料相同，并以同樣的焊接工藝進(jìn)行施焊。焊接時(shí)，先焊接碳鋼層，合格后焊接界面碳鋼側(cè)的的過渡層，焊接過渡層時(shí), 在保證熔合良好的前提下, 要盡量減少基材金屬的熔入量，過渡層厚度不得小于2 mm。組裝時(shí)的點(diǎn)焊應(yīng)在碳鋼側(cè)進(jìn)行。

不銹鋼復(fù)合板厚度較厚，基層焊接采用埋弧自動焊，復(fù)層焊接建議采用手工氬弧焊，焊接工藝采用小直徑焊絲及較小的焊接線能量。

根據(jù)同行及制造業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)，不銹鋼復(fù)合板焊縫坡口推薦采用圖1所示的外坡口型式，能夠保證基層、過渡層、復(fù)層的焊接質(zhì)量。當(dāng)然，根據(jù)焊接接頭位置，也可以開成內(nèi)坡口；對于大厚度不銹鋼復(fù)合板要開成X形坡口，使內(nèi)外焊縫金屬體積基本相當(dāng)，減少設(shè)備的焊接變形。焊縫坡口形式的選擇必須進(jìn)行工藝評定，包括耐腐蝕性試驗(yàn)。

圖1 不銹鋼復(fù)合板焊縫坡口Fig.1 Weld groove of stainless steel composite plate

(6)由于復(fù)合板設(shè)備基層一般都采用普通碳鋼或低合金鋼，在筒體外部焊接碳鋼或低合金鋼結(jié)構(gòu)件(例如裙座筒體、加強(qiáng)圈等)時(shí)，要注意控制焊接線能量，避免焊接電流過大，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)復(fù)層不銹鋼材料長時(shí)間處于敏化范圍，從而使其在腐蝕介質(zhì)中引起晶間腐蝕傾向。

(7)在卷筒、壓弧時(shí), 要注意保護(hù)復(fù)層，應(yīng)采用不銹鋼輥筒或采取其它隔離防護(hù)措施，不得用鐵錘錘擊復(fù)材表面,不得在復(fù)材表面隨意引弧、焊接卡具、吊環(huán)及臨時(shí)支架等。為防止焊接飛濺物損傷復(fù)板表面,焊接前應(yīng)在坡口兩側(cè)200 mm范圍內(nèi)均勻噴灑防飛濺涂料, 同時(shí)在焊接過程中用厚2 mm紫銅片覆蓋焊縫兩側(cè)，加快復(fù)層焊接的冷卻速度，避免復(fù)層在600 ℃～1 000 ℃停留時(shí)間過長，而影響其耐蝕性能。

(8)復(fù)層不銹鋼焊接完成后，必須進(jìn)行酸洗和鈍化處理。

5 不銹鋼復(fù)合板設(shè)備設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，由于不銹鋼復(fù)層只用來抗腐蝕，故復(fù)層厚度一般不計(jì)入強(qiáng)度計(jì)算，僅當(dāng)作腐蝕裕量。內(nèi)壓設(shè)備計(jì)算厚度同一般的碳素鋼或低合金鋼制容器一樣。由于復(fù)合板的生產(chǎn)過程中會額外增加基層和復(fù)層的負(fù)偏差，其中基層厚度負(fù)偏差增加了0.5 mm，這一負(fù)偏差在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須要給與考慮，在選取設(shè)備名義厚度時(shí)留有足夠的余量；當(dāng)不銹鋼復(fù)合板容器為外壓容器時(shí)，復(fù)層應(yīng)計(jì)人有效厚度，但復(fù)合板的負(fù)偏差應(yīng)相應(yīng)減去。

(2)設(shè)備接管當(dāng)接管公稱直徑小于DN300 mm時(shí)，一般采用不銹鋼管。

(3)設(shè)計(jì)文件應(yīng)根據(jù)容器的操作條件、所用材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)等因素明確提出無損檢測的方法與監(jiān)測比例。

(4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要防止不必要的縫隙、死角等，盡量消除縫隙和滯流區(qū)的存在，以減輕或避免孔蝕和縫隙腐蝕。

(5)不銹鋼設(shè)備應(yīng)避免焊后熱處理，如果當(dāng)基層厚度達(dá)到一定程度，按照規(guī)范要求要進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)制定正確的熱處理工藝，控制熱處理溫度和保溫時(shí)間，應(yīng)避免復(fù)層母材和焊接接頭中高鉻碳化物析出和形成σ相，降低不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。設(shè)備是否進(jìn)行熱處理必須在圖紙上注明，如需進(jìn)行焊后熱處理，圖紙應(yīng)提出詳細(xì)要求。

(6)施工圖必須注明不銹鋼材料和焊接接頭(包括復(fù)層不銹鋼材料及其焊接接頭)應(yīng)按GB/T4334.5進(jìn)行晶間腐蝕傾向試驗(yàn)，材料應(yīng)經(jīng)敏化后進(jìn)行試驗(yàn)，焊接接頭在焊態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，還應(yīng)確定試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)。

(7)圖紙必須注明復(fù)層焊接接頭表面按JB/T4730.5-2005進(jìn)行滲透檢測，符合Ⅰ級要求為合格。

6 結(jié)束語

不銹鋼復(fù)合板的加工制造工藝，導(dǎo)致其在耐腐蝕性能方面有較大的下降。在井礦鹽蒸發(fā)設(shè)備中，介質(zhì)的腐蝕性特別強(qiáng)，因此，容器的設(shè)計(jì)與制造都應(yīng)具有較高的技術(shù)水準(zhǔn)。

設(shè)備的設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)，針對復(fù)合板可能存在的各種隱患，詳細(xì)制定出保證質(zhì)量的技術(shù)要求；作為設(shè)備制造者，要嚴(yán)格按照不銹鋼設(shè)備制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定、規(guī)程和工藝進(jìn)行加工操作。只有設(shè)計(jì)與制造各個(gè)過程的嚴(yán)格質(zhì)量保證，才能使井礦鹽不銹鋼復(fù)合板設(shè)備長周期安全運(yùn)行，達(dá)到節(jié)省投資成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。