鈦－不銹鋼復(fù)合板低溫反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)與制造

呂書(shū)明

（鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江 寧波 315000）

鈦?zhàn)鳛榉磻?yīng)釜類(lèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的備選材料，與304、316、316L 等容器用不銹鋼一樣，具有強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)、焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且還不具備鐵素體鋼低溫使用時(shí)脆性強(qiáng)等頑疾，因而在低溫狀態(tài)下，鈦的綜合物理性能更優(yōu)。由于鈦與氧的親和力較強(qiáng)，易形成致密鈍化層，對(duì)中性、氧化性、弱還原性介質(zhì)如氯化鐵、醋酸、次氯酸鈉、苯二甲酸等都具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力[1]，因而對(duì)于延長(zhǎng)低溫反應(yīng)設(shè)備的使用壽命，減少能耗，降低該類(lèi)設(shè)備的檢修維護(hù)成本均具有顯著優(yōu)勢(shì)。

本文所涉反應(yīng)釜，釜內(nèi)最終產(chǎn)物為某醫(yī)藥中間體，本身對(duì)于304 等常用不銹鋼就有較強(qiáng)的腐蝕性，經(jīng)掛片實(shí)驗(yàn)初步判斷，若采用304 不銹鋼作為反應(yīng)釜主材，每?jī)赡甓即笮抟淮危曳磻?yīng)原料中既有弱酸性物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)，使該醫(yī)藥中間體生成，又有弱堿性物質(zhì)用于中和化學(xué)反應(yīng)后溶液的酸度，使該醫(yī)藥中間體結(jié)晶析出，因而304 等常用不銹鋼，很難滿足上述工藝條件。雖搪玻璃設(shè)備可滿足上述耐腐蝕要求，但由于反應(yīng)釜內(nèi)的工作溫度需保持在-80 ℃，夾套內(nèi)液氮的溫度為-192 ℃，搪玻璃設(shè)備在使用時(shí)需嚴(yán)禁驟冷、驟熱，故經(jīng)綜合技術(shù)對(duì)比后，擬以鈦?zhàn)鳛樵摲磻?yīng)釜復(fù)材。

1 某醫(yī)藥中間體反應(yīng)釜設(shè)計(jì)參數(shù)及選材

見(jiàn)表1。

表1 反應(yīng)釜設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of reactor

從經(jīng)濟(jì)上考慮：全鈦反應(yīng)釜的價(jià)格較貴，按重量計(jì)約為不銹鋼7～9倍，但因鈦的比重為不銹鋼0.57，實(shí)際上全鈦反應(yīng)釜的價(jià)格為普通不銹鋼的5～6 倍[2]，故全鈦反應(yīng)釜的制造成本過(guò)大，并不經(jīng)濟(jì)?？紤]到該反應(yīng)釜僅需保持與反應(yīng)物的密切接觸面不受腐蝕影響，即可滿足反應(yīng)釜的使用要求，故從制造成本、制造難度等角度進(jìn)行分析對(duì)比，最終確定反應(yīng)釜內(nèi)筒采用基材為304 不銹鋼的鈦－不銹鋼復(fù)合板；反應(yīng)釜夾套內(nèi)充入的液氮腐蝕性相對(duì)較弱，選用304 不銹鋼；夾套外的保溫材料為固態(tài)珠光砂，無(wú)腐蝕性，可重復(fù)多次使用，因而選用價(jià)格便宜的Q235B 作為主材。附某醫(yī)藥中間體用鈦－不銹鋼復(fù)合板低溫反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of reactor

2 反應(yīng)釜部件的強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)筒、夾套殼體等壁厚的計(jì)算應(yīng)按照GB/T 150《壓力容器》進(jìn)行，需注意鈦－不銹鋼復(fù)合板僅需將基層材料計(jì)入強(qiáng)度校核，而鈦?zhàn)鳛槟臀g層，可不參與計(jì)算[3]。因各項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容較多，本文不再細(xì)述。

反應(yīng)釜內(nèi)筒、夾套殼體等壁厚的計(jì)算，還應(yīng)考慮材料兩側(cè)介質(zhì)傳熱引起鈦－不銹鋼復(fù)合板、304 不銹鋼、Q235B 的溫差形變，故需采用Ansys 有限元模擬，以確定反應(yīng)釜內(nèi)筒、夾套殼體等的最終材料厚度。

（1）放料管連接件過(guò)盈量計(jì)算

由于放料管也是與反應(yīng)物密切接觸的部件，故放料管需選用全鈦管，其與反應(yīng)釜的連接需依靠閥座接頭連接件（鈦材）與閥座接頭（304 不銹鋼），才能避免鈦與不銹鋼直接相焊，其連接方式如圖2所示：

圖2 放料管連接方式Fig.2 Connection mode for feeding pipe

a.在放料管的制造過(guò)程中，閥座接頭與鈦－不銹鋼復(fù)合板的304 不銹鋼基材焊接，閥座接頭連接件通過(guò)環(huán)形鈦復(fù)合蓋板與鈦－不銹鋼復(fù)合板的鈦層焊接，由于焊接溫升，溫差為100 ℃時(shí)不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)為16.84×10-6/ ℃，鈦的平均線膨脹系數(shù)為8.2×10-6/ ℃，兩種材料因溫差而引起的變形，有可能導(dǎo)致閥座接頭連接件與閥座接頭脫開(kāi)，形成間隙，因而需要根據(jù)以下公式核算閥座接頭連接件與閥座接頭的過(guò)盈量。

式中c——過(guò)盈量；

Δa——不銹鋼與鈦熱膨脹系數(shù)差（按100 ℃膨脹系數(shù)計(jì)算）；

Δt——制造時(shí)的溫度差（此處按100 ℃考慮）；

d——閥座接頭直徑（設(shè)計(jì)尺寸為135 mm）。

將各參數(shù)代入式（1），計(jì)算得到閥座接頭連接件與閥座接頭的過(guò)盈量為0.117 mm。

b.在反應(yīng)釜工作狀態(tài)下，反應(yīng)釜內(nèi)筒的工作溫度為-80 ℃，溫差為80 ℃時(shí)不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)為15.67×10-6/ ℃，鈦的平均線膨脹系數(shù)為8.2×10-6/ ℃，不銹鋼比鈦更易收縮，則閥座接頭連接件與閥座接頭之間不會(huì)發(fā)生脫落。

3 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到鈦與304 不銹鋼不能直接熔焊，經(jīng)常需采用蓋板搭接的角接焊接形式（如圖3所示）；在反應(yīng)釜制造時(shí)，還需用刨床或銑床將焊縫附近的表面鈦層進(jìn)行去除，除鈦時(shí)難免有部分304 不銹鋼被切削掉，使不銹鋼基材的壁厚變薄，故設(shè)計(jì)時(shí)需考慮留有足夠的基材切削量（該反應(yīng)釜的加工減薄量為0.5 mm）。

圖3 鈦－不銹鋼復(fù)合板角接焊接形式Fig.3 Titanium clad plate angle-joint welding form

（1）反應(yīng)釜內(nèi)筒縱、環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)

反應(yīng)釜內(nèi)筒外側(cè)304 不銹鋼對(duì)接焊縫和內(nèi)側(cè)鈦層角接焊縫均需根據(jù)焊接工藝評(píng)定要求施焊。在施焊前，按設(shè)計(jì)要求鈦－不銹鋼復(fù)合板304 基材的一側(cè)需加工出坡口，另一側(cè)焊縫坡口邊緣10 mm 處的鈦層需完全除去，以避免基材焊接時(shí)，鈦熔入焊縫，形成硬而脆的金屬間化合物，從而影響焊縫的塑性和耐腐蝕性。同時(shí)為保證焊縫處鈦材面的連續(xù)性，在焊縫的未融合區(qū)用鈦填板填充，并將其與鈦－不銹鋼復(fù)合板的鈦層焊接，然后將全鈦蓋板覆蓋其上，將其與鈦層實(shí)施角焊接，注意內(nèi)筒所有縱、環(huán)焊縫處需增設(shè)信號(hào)檢測(cè)孔，以檢測(cè)焊縫的密封性能。反應(yīng)釜內(nèi)筒縱、環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 反應(yīng)釜內(nèi)筒縱、環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)Fig.4 Vertical and circular welding structure for inner cylinder of reactor

（2）封頭法蘭結(jié)構(gòu)

該反應(yīng)釜的鈦－不銹鋼復(fù)合板封頭采用整板壓制而成，法蘭與封頭直接相焊，沒(méi)有縱環(huán)焊縫，結(jié)構(gòu)如圖5所示。為保證焊縫質(zhì)量，封頭與法蘭間內(nèi)附一個(gè)全鈦環(huán)形襯筒。此處結(jié)構(gòu)特殊，無(wú)法開(kāi)信號(hào)檢漏孔，只能通過(guò)100% 的滲透檢測(cè)評(píng)定焊縫質(zhì)量。

圖5 封頭法蘭結(jié)構(gòu)Fig.5 Head flange construction

（3）筒體法蘭結(jié)構(gòu)

反應(yīng)釜筒體法蘭和封頭法蘭的密封面都需通過(guò)全鈦沉頭螺釘將環(huán)形鈦蓋板附著其上，以保證該密封面的耐腐蝕性，由于反應(yīng)釜筒體縱焊縫的存在，該處形成的T 形區(qū)域需一全鈦環(huán)形襯筒過(guò)渡，再用鈦蓋板將原縱向鈦蓋板與全鈦環(huán)形襯筒覆蓋，以保證T形區(qū)焊縫的機(jī)械強(qiáng)度。該處的焊縫質(zhì)量由側(cè)面開(kāi)出的信號(hào)檢漏孔進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示。

圖6 筒體法蘭結(jié)構(gòu)Fig.6 Cylinder flange structure

（4）接管法蘭結(jié)構(gòu)

對(duì)于反應(yīng)釜筒體上的接管及法蘭，由于管口較小，宜采用鈦圓環(huán)將鈦襯管的底部與反應(yīng)釜接管開(kāi)孔處的鈦層相連，法蘭密封面處采用環(huán)形鈦蓋板，附以鈦制沉頭螺釘固定在不銹鋼法蘭表面，接管的側(cè)面需開(kāi)信號(hào)檢漏孔，以檢查接管及法蘭處相應(yīng)焊縫的密封性，如圖7所示。

圖7 接管法蘭結(jié)構(gòu)Fig.7 Pipe flange structure

（5）放料管與內(nèi)筒的連接結(jié)構(gòu)

根據(jù)本文3 反應(yīng)釜內(nèi)筒強(qiáng)度計(jì)算中有關(guān)放料閥連接件過(guò)盈量計(jì)算結(jié)果，保險(xiǎn)起見(jiàn)，反應(yīng)釜放料閥的閥座接頭連接件與閥座接頭之間的過(guò)盈量取0.15 mm，如圖8所示，在裝配時(shí)，可將閥座接頭連接件放入焊材保溫箱中預(yù)熱，將閥座接頭放入液氮冷卻，使兩者可以自由裝配，再與反應(yīng)釜相應(yīng)的連接件進(jìn)行焊接。

圖8 放料管與內(nèi)筒的連接結(jié)構(gòu)Fig.8 The connection structure of the outlet pipe and the inner cylinder

（6）放料管與保溫層的連接結(jié)構(gòu)

反應(yīng)釜保溫層內(nèi)珠光砂裝填完畢后，為避免珠光砂吸收大量水分，需對(duì)保溫層進(jìn)行抽真空處理，故保溫層需保持-0.1 MPa 的真空度需求，以保證其絕熱性能。即放料管通過(guò)角接焊接的環(huán)形鈦－不銹鋼復(fù)合板，與放料套管端部的Q235B 封板銀釬焊接就可滿足上述要求，如圖9所示意。

圖9 放料管與保溫層的連接結(jié)構(gòu)Fig.9 The connection structure of the outlet pipe and the insulation layer

（7）凸緣結(jié)構(gòu)

反應(yīng)釜封頭上的凸緣，與攪拌槳密切接觸的部分為防止反應(yīng)物料飛濺其上，使攪拌槳與凸緣產(chǎn)生銹蝕卡死，此處需貼附一鈦接管，其底部通過(guò)鈦圓環(huán)與反應(yīng)釜封頭相連，頂部與環(huán)形鈦蓋板相連，而環(huán)形鈦蓋板通過(guò)全鈦沉頭螺釘固定在凸緣頂部。全鈦螺釘固定后，端部用氬弧焊塞焊，之后再加工攪拌接緣的密封面，以保證凸緣機(jī)械穩(wěn)定性，如圖10所示。

圖10 凸緣結(jié)構(gòu)Fig.10 Flange structure

6 制造

本文所述的鈦-不銹鋼復(fù)合板低溫反應(yīng)釜，釜內(nèi)物料的反應(yīng)溫度為-80 ℃，釜外夾套內(nèi)液氮的溫度為-192 ℃，對(duì)于本身由鈦和不銹鋼兩種不同金屬爆炸而成的復(fù)合型材料而言，由溫差而引起的材料形變無(wú)法避免，故低溫反應(yīng)釜內(nèi)筒選用的鈦－不銹鋼復(fù)合板，其表面鈦材需檢驗(yàn)-192 ℃下材料的伸長(zhǎng)率，要求不低于18%。在反應(yīng)釜的制造過(guò)程中，還應(yīng)注意鈦-不銹鋼復(fù)合板在采用蓋板搭接的角接焊接時(shí)，焊縫焊接后的焊接強(qiáng)度及延展性滿足上述溫差條件，焊縫坡口表面不應(yīng)有裂紋、分層、夾雜及影響焊縫質(zhì)量的其他物理缺陷，坡口表面需進(jìn)行滲透檢測(cè)，按NB/T 4730.5—2015 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，Ⅰ級(jí)合格。

而基于過(guò)盈量計(jì)算確定的放料管與內(nèi)筒連接結(jié)構(gòu)，除在放料管裝配過(guò)程時(shí)，通過(guò)加熱放料閥座接頭連接件（鈦），冷卻閥座接頭（304 不銹鋼），以使兩者自由裝配，還應(yīng)在閥座接頭連接件、閥座接頭焊接完畢后，做-192 ℃低溫冷沖實(shí)驗(yàn)，再對(duì)閥座接頭進(jìn)行表面滲透檢測(cè)，按NB/T 4730.5—2015 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，Ⅰ級(jí)合格，以確保放料管在反應(yīng)釜正常工作時(shí)不發(fā)生泄漏。

此外，按照J(rèn)B/T 4745—2002《鈦制焊接容器》制造的鈦－不銹鋼復(fù)合板低溫反應(yīng)釜，所有鈦蓋板與鈦填板的焊縫質(zhì)量需經(jīng)氣密性試驗(yàn)判定，試驗(yàn)壓力為0.1 MPa，無(wú)泄漏為合格。檢漏孔檢測(cè)完畢后，需塞焊，塞焊完成后按NB/T 47013.5—2015 進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)用于制備某醫(yī)藥中間體的鈦－不銹鋼復(fù)合板低溫反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)、制造進(jìn)行了闡述，尤其對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)筒、法蘭、各接管的設(shè)計(jì)作出了詳細(xì)說(shuō)明。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員有必要考慮不同材料在特定溫度下的形變，而對(duì)設(shè)備某關(guān)鍵部件的影響，從細(xì)枝末節(jié)處把握設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。