鈦制壓力容器制造監(jiān)檢要點(diǎn)

田小丹*

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院昆山分院）

某石化公司新建的燃料氣轉(zhuǎn)化裝置中需要1 臺氨汽緩沖罐，其物料包含NH3和水，還有微量H2S 和CO2，由于鈦合金具有優(yōu)良的抗腐蝕能力、耐高溫性能，并且強(qiáng)度高，其比強(qiáng)度是不銹鋼的3 倍。所以業(yè)主選用鈦材制造該設(shè)備，其制造應(yīng)滿足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)備的主要受壓元件材料為TA3，設(shè)計壓力為0.6 MPa，設(shè)計溫度為140 ℃，使用地的月平均最低氣溫為-16.1℃（鈦材許用溫度下限為-269 ℃，上限為300 ℃，完全滿足使用溫度要求）。

1 板材、管材要求

該容器要求板材和管材都使用TA3 牌號鈦材，設(shè)計規(guī)定鈦及鈦合金板標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》；鈦及鈦合金管制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3624—2010《鈦及鈦合金無縫管》。材料供貨狀態(tài)要求退火（并不得采用俄羅斯鈦代用）以及無縫管應(yīng)符合JB/T 4745—2002 建造標(biāo)準(zhǔn)要求。由于JB/T 4745—2002 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時間較早，監(jiān)檢人員可以建議設(shè)計單位增加一份使用材料標(biāo)準(zhǔn)最新版本的說明。

鈦板在材料入庫前，應(yīng)根據(jù)GB/T 3621—2007 標(biāo)準(zhǔn)要求按批次進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能和工藝性能檢驗(yàn)[1]。逐張對板材進(jìn)行外觀質(zhì)量和尺寸偏差檢驗(yàn)，當(dāng)其尺寸和外觀質(zhì)量不合格時，該張板材不合格；當(dāng)其化學(xué)成分不合格時，該批次產(chǎn)品不合格。從每批板材中任取2 張，每張各取2 個橫向試樣，分別對4 個試樣（如果只有1 張板材，則取2 個試樣）進(jìn)行力學(xué)性能和工藝性能檢驗(yàn)。若有1 個試樣不合格，則取雙倍數(shù)量試樣重復(fù)試驗(yàn)該不合格項(xiàng)目，重復(fù)試驗(yàn)若仍有1個試樣不合格，則該批次板材不合格。此時允許供方逐張重復(fù)檢驗(yàn)不合格項(xiàng)目，合格的重新組批入庫。管材應(yīng)按GB/T 3624—2010 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行類似檢驗(yàn)[2]，合格后方可編號入庫。

2 加工要點(diǎn)

受壓元件須有材料標(biāo)記，鈦材的耐腐蝕面不應(yīng)用硬印作材料確認(rèn)標(biāo)記[3]，若其非耐蝕面用硬印打標(biāo)識，工具應(yīng)使用鈦合金或不銹鋼材質(zhì)，同時該標(biāo)識應(yīng)由圓滑的點(diǎn)線構(gòu)成，使其殘余應(yīng)力盡可能小。鈦材容器制造場地應(yīng)鋪設(shè)軟質(zhì)地墊，避免損傷材料表面。無論是制造現(xiàn)場，還是切割、加工成型場地，都應(yīng)經(jīng)常清理氧化鐵皮或鐵屑等雜物，以免鈦材被鐵污染。

在鈦材上劃線時應(yīng)盡量采用金屬鉛筆，一般不允許打沖眼。該設(shè)備板材和管材均選用TA3 牌號鈦材，但為了兼顧經(jīng)濟(jì)性有些設(shè)備會選用復(fù)合板材料，此時鈦鋼復(fù)合板加工劃線應(yīng)在基層鋼板上進(jìn)行，以免污染鈦金屬，切割時為了防止分層，應(yīng)注意將鋼基層朝下，從而避免鈦復(fù)合層變形過大。

封頭在壓制時應(yīng)盡量采用熱成形，且應(yīng)關(guān)注熱處理曲線溫度或是封頭合格證標(biāo)示的始壓溫度，為了防止鈦材表面氧化，加熱溫度不應(yīng)超過800 ℃。如果采用冷成形，在成形后應(yīng)盡量采用100～350 ℃熱校形。

3 焊接要求

該設(shè)備要求使用鈰鎢電極的鎢極氬弧焊，坡口表面不得有裂紋、分層、夾雜等缺陷。施焊過程中鎢極碰到焊縫金屬應(yīng)立即停焊，去除污染層，必要時可以修磨鎢極尖端后再焊。鈦的導(dǎo)熱性較差，其熔點(diǎn)為1 668 ℃，比鋼和許多其他金屬高，熔融狀態(tài)下會形成金屬中間化合物，導(dǎo)致焊接接頭脆化，所以鈦和鋼不僅不能熔焊，在鈦熔焊過程中嚴(yán)禁混入鋼鐵和其他金屬。同時鈦在高溫熔化情況下還原性極強(qiáng)，可與多種元素和化合物發(fā)生反應(yīng)，所以施焊時所有焊縫正面和A 縫的背面應(yīng)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)。

焊接作業(yè)人員需滿足鋁及鋁合金或鈦及鈦合金中某類別任一牌號材料鎢極氣體保護(hù)焊考試合格。焊接環(huán)境對焊接質(zhì)量和接頭性能影響較大[4]，施焊時應(yīng)處于無煙無塵的獨(dú)立環(huán)境。如果同車間里有鋼制設(shè)備作業(yè)，應(yīng)采取隔斷措施保證鈦材施焊時不被鐵污染。

根據(jù)NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，TA3 母材類別號為Ti-2。NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選用厚度為6 mm 母材焊制對接焊縫試件就可以覆蓋母材厚度≥1.5 mm 的不等厚對接焊縫焊件，同時材料標(biāo)準(zhǔn)無沖擊試驗(yàn)要求，所以6 mm 對接焊縫焊評可覆蓋母材厚度1.5～12 mm 的對接焊縫焊件。該設(shè)備最大筒體厚度為10 mm，最薄接管厚度為3.5 mm，而且所有焊接接頭都要求使用鎢極氬弧焊，所以本著用最少焊接工藝評定數(shù)量覆蓋最多焊接產(chǎn)品的原則，只要進(jìn)行1 次母材厚度為6 mm 的對接焊縫焊接工藝評定，即可滿足此設(shè)備的所有焊接生產(chǎn)[5]。

設(shè)備主體焊接接頭均采用常規(guī)對接焊縫形式，焊接時需根據(jù)合格的焊接工藝評定報告編制的焊接工藝規(guī)程。人孔蓋和接管法蘭蓋用16Mn Ⅱ鍛件加TA3襯板進(jìn)行制造，一般采用螺釘固定，再在螺釘表面堆焊鈦層熔敷金屬。因?yàn)殁伜弯摬荒苋酆福荒艽嬖谶^渡層，所以螺釘也采用TA3 材質(zhì)，不需要耐蝕堆焊工藝評定支撐，只要母材厚度為6 mm 的對接焊縫焊接工藝評定就可以滿足該堆焊接頭工藝要求。密封面須在襯板與法蘭蓋焊好后加工，焊接接頭見圖1。

圖1 人孔蓋、法蘭蓋焊接示意圖

人孔及接管選用活套法蘭，在接管上增加擋塊，規(guī)格為20 mm×20 mm×6 mm，材質(zhì)為TA3,DN ≤80 mm的接管用2塊擋塊，DN＞100 mm的接管用4塊擋塊。焊接接頭如圖2所示。接管與材質(zhì)同為TA3的焊環(huán)焊接完成后，再對密封面精加工進(jìn)行。

圖2 接管活套法蘭焊接示意圖

JB/T 4745—2002 標(biāo)準(zhǔn)要求毒性程度為極度或高度危害的容器，或者設(shè)計壓力≥1.6 MPa 的中高壓容器需要按臺制備產(chǎn)品焊接試板，因此該設(shè)備可以免做產(chǎn)品試板。

4 檢驗(yàn)注意要點(diǎn)

焊接時因?yàn)楹缸焖鶐鍤庵荒鼙Ｗo(hù)焊接熔池，而凝固的焊縫及其熱影響區(qū)無保護(hù)氣體作用，但這部分金屬仍處于較高溫度，當(dāng)鈦金屬高于400 ℃時開始吸收氧，高于600 ℃時開始吸收氮。隨著氧化程度增加，焊縫的顏色會發(fā)生變化，焊縫的力學(xué)性能也逐漸劣化。焊縫為銀白色說明無氧化，金黃色說明輕微氧化，藍(lán)色說明氧化稍嚴(yán)重，灰色則說明氧化嚴(yán)重[6]。對所有焊縫及熱影響區(qū)表面進(jìn)行顏色檢查:表面是銀白色和金黃色時可不用處理；藍(lán)色的焊接接頭在除藍(lán)處理后可用于非重要部位；其他顏色的焊接接頭則要進(jìn)行返修，返修的次數(shù)也要注意。所以，該設(shè)備在焊接過程中必須注意線能量，控制焊接速度，嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。

設(shè)計規(guī)定焊縫和熱影響區(qū)用10 倍放大鏡100%檢查表面，不得有咬邊，對A、B 類焊縫要求100%射線無損檢測，Ⅱ級為合格。如果發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，應(yīng)先清除缺陷后再補(bǔ)焊，并用射線重新檢測，直至合格。所有焊縫（對接及角接）表面在水壓試驗(yàn)前后均應(yīng)進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)不允許缺陷可以進(jìn)行修磨，必要時應(yīng)補(bǔ)焊，再用滲透方法重新檢測，直至合格。該設(shè)備對焊縫的無損檢測要求明顯高于建造標(biāo)準(zhǔn)，在制造過程中應(yīng)加以注意。

設(shè)備制造完畢后應(yīng)檢查設(shè)備內(nèi)表面是否有機(jī)械損傷，對可能影響耐腐蝕性能的損傷進(jìn)行修磨。修磨可采用尼龍摻合氧化鋁的專用砂輪，不可和打磨過鋼材的砂輪混用，以免鐵污染設(shè)備。氨汽提氣/冷凝液介質(zhì)為易爆介質(zhì)，毒性危害程度為中度，規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均未強(qiáng)制要求進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，但設(shè)計文件中應(yīng)另加空氣氣密性試驗(yàn)要求，制造過程監(jiān)檢中也應(yīng)注意該項(xiàng)檢測。

最后對設(shè)備進(jìn)行清污、去油處理，其內(nèi)表面還需要酸洗并做鐵污染試驗(yàn)。如果忽略容器表面處理導(dǎo)致鐵污染殘留，設(shè)備投用不久就會出現(xiàn)規(guī)律分布的黃銹斑。其臺反應(yīng)器定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面不到1 m2區(qū)域的內(nèi)有數(shù)百個銹斑，斑點(diǎn)大小均一，其直徑約為1 mm，用鐵指示劑檢測顯藍(lán)色，推測在容器制造過程中噴濺的鐵水污染了設(shè)備。酸洗時要選取合適的酸洗鈍化液，條件允許時可入加緩蝕劑，酸洗時溫度不宜過高，結(jié)束后用潔凈水沖洗干凈，防止酸洗造成鈦材的吸氫脆化[7]。鐵污染試驗(yàn)合格后，設(shè)備應(yīng)及時包裝保護(hù)，防止被再次污染。