鋯復(fù)合板換熱器制造工藝技術(shù)

鋯復(fù)合板換熱器制造工藝技術(shù)
                                              朱平勇
                     上海吳涇化工有限公司（上海200241）
    摘要：介紹了鋯復(fù)合板換熱器制造特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，在實(shí)際制造中，通過詳細(xì)的試驗(yàn)對(duì)比，制定了合理的加工技術(shù)參數(shù)，為下一步大型鋯復(fù)合板容器的制造提供了依據(jù)。
    關(guān)鍵詞：鋯復(fù)合板；焊接；熱處理；氦檢漏
    中圖分類號(hào)：TF 066.2+2
    鋯屬于鈍化型活性金屬，能在表面生成緊密的惰性防腐氧化膜，且氧化膜的穩(wěn)定性和受損后自身修復(fù)能力強(qiáng)，是核工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中的一種重要結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)純鋯能耐大多數(shù)有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、強(qiáng)堿、熔融鹽的腐蝕，在55%，132℃的硫酸中，鋯的腐蝕率＜0.002 5 mm/a，而鎳基合金C-276在此介質(zhì)中腐蝕率達(dá)到5.44 mm/a。鋯具有比鐵基Cr-Ni-Mo不銹鋼、鎳基合金及鈦更優(yōu)異的耐腐蝕性能，其力學(xué)性能和工藝性能也很適合制造容器和換熱器，且蒸汽在鋯表面為滴狀冷凝，尤其適合制造冷凝器，正逐漸被越來(lái)越多的化工企業(yè)采用。
    目前國(guó)內(nèi)制造鋯設(shè)備的材料需要進(jìn)口，且價(jià)格十分昂貴，每噸價(jià)格在50萬(wàn)~60萬(wàn)元人民幣，因此通常在耐腐蝕設(shè)備中，用鋯與碳鋼板經(jīng)爆炸復(fù)合成復(fù)合板來(lái)作為設(shè)備主材。復(fù)合板設(shè)備的殼體,靠基層來(lái)保證設(shè)備的強(qiáng)度,復(fù)層來(lái)抵抗介質(zhì)的腐蝕,從而達(dá)到減少鋯板的使用量，節(jié)省設(shè)備制作成本的目的。
    鋯和鋯合金的容器規(guī)范，我國(guó)目前還正在制訂中，美國(guó)制訂了非核用鋯和鋯合金材料標(biāo)準(zhǔn)，ASME推薦了兩個(gè)非核用鋯和鋯合金材料牌號(hào)：R60702用于化工壓力容器制造；R60705用于制造緊固件。
    本文介紹的鋯復(fù)合板換熱器屬固定管板式換熱器，其管板和管箱均為鋯復(fù)合板，換熱管為鋯管，換熱器于2006年開始研制，解決了鋯復(fù)合板焊接接頭的結(jié)構(gòu)型式、焊接、熱處理、鋯復(fù)合板成型、封頭壓制、熱循環(huán)試驗(yàn)、無(wú)損檢驗(yàn)及氦檢漏試驗(yàn)等技術(shù)難題。
    1·設(shè)備簡(jiǎn)介及制造難點(diǎn)
    1.1設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)
    設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。
               
    1.2制造難點(diǎn)
    1.2.1焊接
    為避免復(fù)合板基層焊接時(shí)的熱量和熔融金屬對(duì)復(fù)層的影響，復(fù)合板對(duì)接接頭形式的選擇至關(guān)重要。金屬鋯屬活性金屬，鋯在高溫下與H、N、O有極強(qiáng)的親和力，碳鋼焊接時(shí)若有鋯的滲入會(huì)使碳鋼焊縫硬度增加甚至焊縫開裂；反之，鋯材焊縫的焊接絕不能有鐵的污染，否則會(huì)使鋯焊縫耐腐蝕性下降；碳鋼焊接時(shí)熱輸入量不宜過大，否則會(huì)影響鋯層與碳鋼之間的剪切強(qiáng)度。
    1.2.2復(fù)合板筒體及封頭的成型
    由于基層和復(fù)層材料的熱膨脹系數(shù)不同,復(fù)合板筒體、封頭成型時(shí),材料會(huì)發(fā)生較大的彎曲變形,且鋯的加工硬化傾向較大,缺口敏感，封頭鋯襯里成形過程中容易產(chǎn)生裂紋，因此溫度的確定十分關(guān)鍵。
    1.2.3熱處理工藝及熱循環(huán)試驗(yàn)
    合適的熱處理工藝既要有效去除復(fù)合板成形、焊接的殘余應(yīng)力,又要盡量避免加熱對(duì)復(fù)層鋯板與碳鋼結(jié)合力下降的影響。熱循環(huán)試驗(yàn)的主要目的是考核該設(shè)備在設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行的可靠性。
    2·焊接
    2.1材料
    本冷凝器管箱筒體、封頭材質(zhì)為鋯復(fù)合板。
    基層材質(zhì)：SA-516Gr55，名義厚度28 mm，美國(guó)合金鋼鐵公司（AMERICAN ALLOY STEEL）提供。
    復(fù)層材料：鋯板R60702，厚度4.77 mm,美國(guó)華昌公司（Wah Chang）提供。
    焊絲：牌號(hào)ERZr2。
    基層SA-516Gr55的化學(xué)成分見表2。
              
    2.2復(fù)合板焊接接頭型式
    由于鋯與碳鋼不能直接焊接,給鋯-鋼復(fù)合板的焊接帶來(lái)很大困難。目前國(guó)內(nèi)外都采用間接式焊接接頭，如圖1。
                         
    焊接順序：
    （1）焊前先將復(fù)層邊緣用機(jī)加工方法切除,加工好基層坡口。
    （2）坡口不留間隙，先焊接基層。
    （3）基層焊完后，將焊縫背面磨平并清洗后，墊上墊板（鋯板），進(jìn)而復(fù)層焊接，墊板與復(fù)層鋯板采用不焊透密封焊。
    2.3焊接工藝
    鋯與常用金屬一樣具有良好的可焊性。但值得重視的是在焊接過程中焊縫的污染和熱影響問題。焊縫只要受到少量有害雜質(zhì)的污染，就會(huì)嚴(yán)重影響焊縫的質(zhì)量。所以復(fù)層鋯板在焊接前必須在焊縫兩側(cè)嚴(yán)格打磨清洗，清洗液選用丙酮等有機(jī)溶劑。
    鋯的熱導(dǎo)率小，熔點(diǎn)高，焊接時(shí)易出現(xiàn)熱量集中、高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致融合區(qū)晶粒粗大，降低焊接接頭的綜合機(jī)械性能。
    2.3.1焊接方法及保護(hù)措施
    管箱碳鋼基層焊接:采用氬弧焊打底,埋弧自動(dòng)焊蓋面?；鶎雍附訒r(shí)，用氬氣可靠保護(hù)復(fù)層表面，同時(shí)采取措施防止復(fù)層表面的焊接飛濺。
    復(fù)層鋯板焊接：采用TIG焊，在250~300℃以上區(qū)域的焊接熔池和冷卻中的焊縫必須嚴(yán)密地置于氬氣的保護(hù)之下。
    2.3.2焊接工藝參數(shù)確定
    （1）焊接工藝評(píng)定
    基層：鎢極氬弧焊打底，鎢極直徑覫2.4 mm，焊機(jī)直流正接，背面氬氣保護(hù)，氣體流量：主噴嘴15L/min，背面10 L/min，打底焊共兩道，焊接電流初定為105/120 A；蓋面采用埋弧自動(dòng)焊，焊絲直徑覫4.0mm，共5道焊縫，焊接電流500 A，如圖2。
             
    鋯復(fù)層：采用鎢極氬弧焊，鎢極直徑覫1.6/覫2.4mm,焊機(jī)直流正接，焊機(jī)具有高頻起弧和保護(hù)氣提前及延時(shí)供給功能。氣體流量：主噴嘴15 L/min,背面19 L/min。鋯材角焊縫的焊接不少于2個(gè)焊道，打底使用覫1.6 mm焊絲，以保證角焊縫根部焊接質(zhì)量。
    （2）評(píng)定結(jié)論
    a、外觀檢驗(yàn)：碳鋼基層未發(fā)現(xiàn)焊縫表面有氣孔、夾渣、咬邊、裂紋等表面缺陷；焊縫表面顏色呈銀白色，表明焊縫氣保護(hù)效果好。
    b、無(wú)損檢測(cè)：按JB4730-94對(duì)基層焊縫進(jìn)行100%射線探傷，Ⅱ級(jí)合格。
    c、力學(xué)性能試驗(yàn)：焊接試板按管箱熱處理溫度550℃進(jìn)行熱處理，保溫1 h。
    拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。
              
    2.3.3復(fù)層焊接結(jié)構(gòu)的可靠性試驗(yàn)
    由于鋯R60702的熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/℃，碳鋼的熱膨脹系數(shù)為11.2×10-6/℃，兩者幾乎相差一倍，換熱器實(shí)際操作溫度200余攝氏度，因此鋯復(fù)層焊縫在工作溫度下承受較大的拉伸應(yīng)力，鋯板焊縫容易產(chǎn)生裂紋，最終可能造成內(nèi)襯的泄漏及碳鋼殼體的腐蝕，直至容器失效。
    為驗(yàn)證鋯墊板和蓋板焊接接頭的可靠性，按照實(shí)際焊接接頭尺寸，制作一塊試板，焊接后做了從常溫加熱到設(shè)計(jì)溫度再冷卻至常溫的多次熱循環(huán)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋯層蓋板未發(fā)現(xiàn)裂紋等異?，F(xiàn)象。
    3·管箱筒體、封頭及接管鞍形襯里的成型
    在865℃以下鋯的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格的α相，865℃以上為體心立方晶格的β相，865℃為其相變溫度。確定合理的加熱溫度及采取有效的保護(hù)措施，既能保證筒體和封頭順利成型，又能確保鋯的優(yōu)良耐蝕性。
    3.1管箱筒體
    筒體材料復(fù)合板名義厚度為28+4 mm，筒體直徑為覫1 400 mm，由于彎曲曲率不是很大，彎曲成型不會(huì)改變復(fù)合板的貼合質(zhì)量，考慮采用冷彎曲成型，成型后通過局部的UT復(fù)驗(yàn)抽查復(fù)合板的貼合率。
    3.2封頭
    封頭采用整體沖壓成型，材料變形量大，鋯板的加工硬化傾向大，采用熱沖壓工藝。沖壓時(shí)封頭復(fù)層一面涂耐高溫涂料。
    3.3接管鞍形鋯襯里
    管箱復(fù)合板筒體的接管是采用鞍形鋯襯里結(jié)構(gòu)，該鋯襯里由陽(yáng)模沖壓而成，要求尺寸準(zhǔn)確，彎曲變形過渡圓滑，如圖3。
            
    其中沖壓前坯料內(nèi)孔直徑覫可按下式來(lái)確定：
            
    3.4熱成型壓制工藝
    經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確定熱成型的壓制工藝：
    （1）入爐加熱前，工件涂耐高溫涂料；   
    （2）模具與工件共同加熱不超過550℃；
    （3）出爐壓制時(shí)間不超過12 min；
    （4）終壓溫度不低于400℃。
    4·鋯復(fù)合板管箱的熱處理
    按照GB151及“容規(guī)”的規(guī)定，換熱器管箱須做消除焊接應(yīng)力的熱處理。由于鋯的彈性模量（9.93X104 MPa）比碳鋼（2.1X105 MPa）低，焊接殘余應(yīng)力較小，因此復(fù)合板管箱的熱處理是在碳鋼基層焊接、無(wú)損檢測(cè)100%射線探傷合格后進(jìn)行，熱處理后再進(jìn)行復(fù)層鋯板的墊板及蓋板的焊接。
    鋯R60702與碳鋼爆炸復(fù)合后，鋯與碳鋼結(jié)合面的剪切強(qiáng)度較低，要避免熱處理過程中，由于溫度的升高，Zr、Fe、Ni之間相互擴(kuò)散，形成脆性中間體，造成剪切強(qiáng)度下降。因此熱處理的工藝，既要滿足基層碳鋼的熱處理要求，又要確保熱處理后鋯與碳鋼基層之間的剪切強(qiáng)度大于137.9 MPa。
    熱處理前，復(fù)層鋯表面涂刷耐高溫涂料進(jìn)行保護(hù)。熱處理爐采用電爐，避免火焰直接與鋯材接觸，減少鋯的吸氫現(xiàn)象，爐內(nèi)氣氛控制為中性。管箱在熱處理溫度下保溫時(shí)間不小于1.5 h。
    5·熱循環(huán)試驗(yàn)
    （1）熱循環(huán)試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)管箱復(fù)合板復(fù)層焊縫在設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力下的工作可靠性。
    （2）將兩個(gè)管箱組裝在一起，進(jìn)行壓力為4.3MPa，設(shè)計(jì)溫度下的熱模擬試驗(yàn)兩個(gè)循環(huán)。考慮到加熱爐爐膛氣氛，熱循環(huán)試驗(yàn)在電爐中進(jìn)行，以氮?dú)鉃閴毫橘|(zhì)。
    （3）熱循環(huán)試驗(yàn)后，管箱檢漏孔先通以0.1 MPa干燥、清潔的氮?dú)鈾z漏，合格后再以0.05 MPa干燥、清潔的氦氣檢漏，合格指標(biāo)為≤1×10-5 Pa·m3/s。
    從焊接試板入手,確定合適的制造工藝,鋯復(fù)合板換熱器經(jīng)過強(qiáng)度試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、氦檢漏試驗(yàn)均順利通過，符合產(chǎn)品技術(shù)條件及ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了制造工藝的正確性。
    本鋯復(fù)合板換熱器自2006年制造，2007年投入使用至今，設(shè)備運(yùn)行正常。
    6·結(jié)論
    （1）鋯復(fù)合板換熱器的研制成功，解決了鋯復(fù)合板筒體成型和封頭壓制成型的溫度控制問題，為大型鋯復(fù)合板反應(yīng)容器的制造積累了經(jīng)驗(yàn)；
    （2）鋯復(fù)合板復(fù)層的焊接結(jié)構(gòu)及焊接工藝的確定，對(duì)其可靠性的驗(yàn)證，對(duì)鋯復(fù)合板壓力容器工藝有了較大的突破；
    （3）鋯復(fù)合板容器的熱處理和復(fù)層焊接后熱循環(huán)試驗(yàn)的成功，證明了制造的相關(guān)工藝的正確性；
    （4）鋯復(fù)合板壓力容器的制造，成功地借鑒了ASME規(guī)范，表明國(guó)內(nèi)完全有能力制造鋯復(fù)合板壓力容器，對(duì)活性金屬?gòu)?fù)合板壓力容器在國(guó)內(nèi)的推廣具有積極意義。
    參考文獻(xiàn)：（略）