鈦-鋼復合板制壓力容器設(shè)計概述

李 桓 羅永智 王治剛 王芳鈺

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鈦材的生產(chǎn)和應用快速增長，鈦材能夠在高溫和低溫工況下，對海水、濕氯氣、二氧化氯、硝酸、醋酸、濃度低于4%的硫酸、氯化鐵、氯化烴類及尿素等中性、氧化性、弱還原性介質(zhì)具有優(yōu)良的耐腐蝕性能［1］。 在化工設(shè)備上用鈦代替碳鋼、不銹鋼及銅等材料可以大幅提高設(shè)備的使用壽命，雖然造價投資大，但經(jīng)濟效益良好。 目前，我國鈦-鋼復合板生產(chǎn)經(jīng)驗成熟可靠，鈦-鋼復合板制壓力容器［2］已在石油化工、制鹽、制堿及制藥等行業(yè)中廣泛應用。

1 鈦-鋼復合板制壓力容器的特點

鈦-鋼復合板制壓力容器的特點如下：

a. 鈦-鋼復合板材料經(jīng)濟性好。 鈦材單位重量的價格約是一般普通鋼材的50 倍， 約是不銹鋼的6 倍。 若采用純鈦材結(jié)構(gòu)，不但價格昂貴，而且當鈦板厚度大于25mm 時，焊接困難，工藝復雜，焊接質(zhì)量無法保證。

b. 嚴格避免鋼、鈦互熔的焊接結(jié)構(gòu)［3］。 鈦的熔點高、無磁性，鐵在鈦中的溶解度僅為0.05%～0.10%，兩者焊接困難，不能熔焊。 除此之外，鐵等其他金屬熔于鈦焊縫金屬中會形成硬而脆的金屬間化合物，極大地降低焊接接頭塑性，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接焊在鋼上。

c. 焊接部位要用惰性氣體保護。 鈦的化學性能極為活潑，會迅速與空氣中的氧、氮及氫等氣體進行化合作用，形成脆性化合物。 氧和氮會使鈦材塑性下降而強度和硬度增高，其中氮的危害程度更大；而氫會使焊接接頭的沖擊吸收能量值急劇下降，塑性變化小，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

d. 外殼設(shè)置一定數(shù)量的檢漏孔。在正常運行時，檢漏孔可以檢查鈦-鋼復合層是否泄漏，還可以作為設(shè)備溫度升高時殼體和襯層間遺留氣體的出口； 在制造和檢修時由此通入保護氣體，對焊縫背面進行保護。

e. 設(shè)備操作溫度不超過350℃。 鈦的膨脹系數(shù)約為碳鋼的三分之二， 鈦-鋼復層在高溫工況時，熱膨脹會引起較大的熱應力，會使復層在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處、應力大的區(qū)域發(fā)生變形，甚至開裂。

2 鈦-鋼復合板制壓力容器的復層連接結(jié)構(gòu)

2.1 筒體縱、環(huán)向焊接接頭處復層的連接結(jié)構(gòu)

為避免基層焊接時的熱量和熔融金屬對復層鈦材產(chǎn)生影響，筒體A、B 類焊接接頭的坡口邊緣處采用機加工方法去除， 組裝時要求嚴格找正，焊接接頭的錯邊量要盡可能小，常用的復層連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示［4］。

a 結(jié)構(gòu)（圖1a）采用銀釬焊，焊后打磨至與復層齊平，然后貼緊安裝蓋板，采用連續(xù)焊焊接。 b結(jié)構(gòu)（圖1b）采用墊板，墊板與復層的焊接為不全焊透對接焊，然后貼緊安裝蓋板，采用連續(xù)焊焊接。 c 結(jié)構(gòu)（圖1c）采用半圓管代替蓋板來實現(xiàn)復層的連續(xù)性。 從焊縫性能、制造成本綜合分析：b結(jié)構(gòu)較好，工程設(shè)計時最常用；c 結(jié)構(gòu)雖然焊縫受力情況好，但加工安裝比較難，影響設(shè)備內(nèi)件安裝，并且僅適用于低壓工況。

圖1 筒體縱、環(huán)向焊接接頭處復層的連接結(jié)構(gòu)

2.2 接管襯里與殼體復層的連接結(jié)構(gòu)

設(shè)計時，應考慮兩種材料不同的膨脹以及在運行和水壓試驗過程中產(chǎn)生的彈性扭曲和局部塑性變形，這些因素將引起殼體與接管襯里之間的相對移動。 在運行工況苛刻的場合，應保證連接處的撓性，避免結(jié)構(gòu)突變，不讓焊縫處于高應力集中狀態(tài)。

常用的連接結(jié)構(gòu)如圖2 所示［5］。

a 結(jié)構(gòu)（圖2a），在殼體上開孔，機加工去除開孔邊緣范圍內(nèi)的復層鈦材，接管與殼體焊接完畢檢查合格后，安裝鈦接管（冷套或熱套），手工翻邊10～15mm， 完成接管襯里與殼體復層的焊接；該結(jié)構(gòu)不易操作，成本高，常用于壓力不高、耐腐蝕性好、應力集中小的場合。

b 結(jié)構(gòu)（圖2b），前序與a 結(jié)構(gòu)基本相同，取消了鈦接管的手工翻邊， 在鈦接管外面套入寬度50mm 左右、厚度與復層相同的環(huán)形板，然后完成鈦環(huán)與鈦接管、殼體復層之間的焊接；該結(jié)構(gòu)制作簡單， 經(jīng)常用于壓力和溫度要求不高的場合。

c 和d 結(jié)構(gòu)（圖2c、d），在a、b 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了改進，將開孔邊緣機加工去除的復層鈦材的寬度增大，在缺口處放置了墊板，與復層不全焊透焊接連接，其余工序與a、b 結(jié)構(gòu)相同。 該結(jié)構(gòu)更加便于焊縫和焊接接頭質(zhì)量檢查，改善了鈦管襯里的受力狀態(tài)。

2.3 接管襯里與法蘭襯里的連接結(jié)構(gòu)

接管襯里與法蘭的連接形式與設(shè)備的操作壓力、溫度、墊片種類和密封要求有關(guān)，設(shè)計時常用的4 種形式如圖3 所示［6］。

a 結(jié)構(gòu)（圖3a）適用于工作壓力較低、密封要求不高的情況，通常采用非金屬墊片。

b 結(jié)構(gòu)（圖3b）適用于中等壓力工況，且要求密封面有一定的精度；鈦材密封環(huán)除四周與法蘭連續(xù)銀釬焊密封外， 還需用鈦制埋頭螺釘固定，螺釘頭部用氬弧焊密封，最后加工密封面；螺釘直徑要求大于6mm，數(shù)量根據(jù)密封環(huán)大小確定。

c 和d 結(jié)構(gòu)（圖3c、d）加工制作相對簡單，適用于中低壓、密封性要求不苛刻的場合，在工程設(shè)計中被普遍采用。

3 注意事項

鈦-鋼復合板制壓力容器基層的焊接、 檢驗可借鑒不銹鋼復合板制壓力容器的相關(guān)技術(shù)；殼體鈦-鋼復層和襯里的加工、 焊接及組裝過程要嚴格按照制造工藝規(guī)程進行，避免焊接時保護氣體純度不夠；加熱爐氣氛控制不合理會導致鈦吸收氣體變脆；使用的工具、場地不合適會導致鈦表面被鐵污染［7］。

鈦的彈性模量約為低碳鋼和不銹鋼的一半，變形范圍窄，彎曲變形時彈性回彈量大，很難得到尺寸精確的形狀。 若零件的壁薄，變形量小，彎曲半徑大，成形后尺寸要求不嚴，則可以采用冷成型；若工件形狀復雜，變形量大，則采用熱成型。 例如，厚復合板經(jīng)一次或多次熱沖壓成形制作封頭，沖壓時，為防止鈦材被污染，要求在鈦表面涂熱保護層，同時合理控制加熱溫度，避免鈦和鋼的內(nèi)擴散，進而形成易脆的金屬層，導致結(jié)合強度降低。 若一次沖壓加熱溫度高、變形量大，則容易生成脆性相，復層容易剝離或起皺，這時可以采用多次熱沖壓工藝。

鈦的表面缺陷敏感性大，應避免表面缺陷。

鈦-鋼復層、襯里焊接時焊材的鐵、氫含量應控制在較低水平，焊接接頭表面需進行滲透無損檢測；還需進行氣密性檢測或者氦檢漏，以保證鈦-鋼復層焊接的密封性。

鈦-鋼復合板制壓力容器應避免過快、 過大的升降壓和升降溫（介質(zhì)與殼體金屬溫差不大于50℃），以避免局部熱應力過大，引起鈦材開裂。

設(shè)備上鈦襯里與鋼板的連接形式有爆炸復合、銀釬焊、機械固定等方法。

4 結(jié)束語

鈦-鋼復合板以其良好的經(jīng)濟性， 被大量地應用于壓力容器， 但是與鋼制化工設(shè)備相比，在技術(shù)上還是存在很多難點， 經(jīng)驗積累不夠豐富。鈦材具有獨特的物理性能和化學性能，技術(shù)人員對鈦材制壓力容器的設(shè)計要足夠重視，應全面掌握設(shè)計、制造和使用方面的關(guān)鍵技術(shù)，做到設(shè)備設(shè)計安全、合理、經(jīng)濟。