武曉偉 肖昌輝 張恩遠

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司）

大型鈦－鋼復合板塔器制造工藝研究

武曉偉*1，2肖昌輝1，2張恩遠1，2

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司）

介紹了鈦－鋼復合板塔器的制造工藝，包括關(guān)鍵零部件的制造、鈦－鋼復合板的焊接、焊縫質(zhì)量檢驗、熱態(tài)循環(huán)試驗和陽極化處理等，對鈦－鋼復合板類似設備的制造、檢驗具有一定的參考意義。

鈦－鋼復合板 塔器 熱態(tài)循環(huán)試驗 陽極化處理 焊接 安裝

鈦和鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料有許多特點，包括密度小，抗拉強度高，比強度大，在氧化性、中性及有氯離子的介質(zhì)中耐腐蝕性能均優(yōu)于不銹鋼。鈦和鈦合金還具有塑性、韌性好，線膨脹系數(shù)和熱導率較小，焊接性良好，易于成形等優(yōu)點，近年來已在石油化工、冶金、造紙、海洋工程等領(lǐng)域廣泛應用[1]。

鈦－鋼復合板容器是用鈦作襯里的耐蝕壓力容器。由于鈦材本身的焊接有一定的難度，再加上鈦材與鋼材線膨脹系數(shù)不同，因此鈦－鋼復合板的焊接具有很強的特殊性，對焊接的要求更為復雜和嚴格。此外，鈦－鋼復合板塔器組裝完成之后，還要進行陽極化處理和熱態(tài)循環(huán)試驗，這些技術(shù)目前在國內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)具備相關(guān)的制造經(jīng)驗和成熟的工藝。

1 塔器制造工藝

該鈦－鋼復合板塔器的主體材料為TA2+Q345R復合板，塔體直徑為DN3400 mm，設計高度為50 m，設計質(zhì)量約為90 t。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及運輸條件限制，塔體分兩段制造和發(fā)貨運輸，到現(xiàn)場再進行組裝。本文重點介紹塔體的焊接、探傷、熱處理、陽極化處理和熱態(tài)循環(huán)試驗等制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1 鈦－鋼復合板的焊接

鈦及鈦合金具有良好的可焊性，但是鈦及鈦合金設備在整個裝配、焊接過程中極易受到污染[2]，因此在塔的整個制造過程中必須嚴格按照以下要求進行焊接。

1.1.1 清潔度的要求

（1）場地的要求

鈦材放置場地和鈦材焊接場地最好安排在單獨劃分的區(qū)域，非專業(yè)人員不得進入，每天按時拖地以保證地面清潔；所有放置鈦材的地面應鋪墊膠皮，防止鈦材表面劃傷；鈦材表面罩上塑料布，每次材料取用完畢應用塑料布蓋好，防止污染。

（2）鉚焊工要求

所有鉚焊工在塔器制造過程中應穿干凈的工作服，戴干凈的棉手套或焊工牛皮手套，手套被油污污染后，馬上更換。所有進入施工場地的人員，必須穿干凈的鞋套。班組至少備3套鞋套，確保每次施工時鞋套干凈。

（3）鈦材吊裝工具要求

若鈦材需要吊裝，應對卡具接觸鈦材的表面采用膠皮保護，使卡具不直接接觸鈦表面，同時還要保證吊裝的安全性。

（4）裝配焊接前要求

所有鈦填條（墊板）組對焊接之前，應對鈦覆層表面焊縫兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)用氧化鋁百葉輪拋光，并用丙酮擦洗干凈，確保在裝配墊板及蓋板前焊縫兩側(cè)表面清潔。清理過的焊縫超過0.5 h未焊完的，需重新拋光后再焊接。注意必須用氧化鋁百葉輪，嚴禁用不銹鋼拋光輪，尤其不能使用拋光過碳鋼的拋光輪進行操作。所有鈦材包括填條（墊板）、蓋板、復蓋板、焊材等裝配焊接之前，必須用丙酮將表面的油污雜質(zhì)清洗干凈，并晾干后使用[2]。

（5）裝配過程中的要求

鉚工在所有鈦墊板裝配之前，一定要用壓縮空氣將焊接坡口吹干凈才能進行安裝；所有焊工必須持有鈦焊接焊工證進行操作，鉚工不得私自點焊；點焊的焊接工藝應與評定合格的正式焊接工藝相同，而且最后應使定位焊縫熔入永久焊縫中；鉚工在裝配蓋板時，要求蓋板與覆層內(nèi)表面貼合嚴實，要保證間隙≤0.3 mm；貼合檢驗合格后，使用紙膠帶將每條焊縫全部密封黏合，后續(xù)焊接時邊焊邊揭；在焊接過程中，如果發(fā)現(xiàn)蓋板和覆層的間隙變大，則應用銅錘（或鋁錘、或包橡膠皮鐵錘）輕敲鈦蓋板，以保證蓋板和覆層的緊密貼合。

1.1.2 裝配間隙的要求

鈦填條（墊板）下料時一定要根據(jù)縱縫內(nèi)側(cè)的坡口寬度進行下料，避免墊板與覆層之間熔焊時熔到基層焊縫中；填條裝配之前一定要用砂輪機對所有殼體內(nèi)側(cè)基層焊縫進行打磨，直至與基層內(nèi)表面齊平。裝配蓋板時，要求蓋板與覆層內(nèi)表面貼合嚴實，要求間隙≤0.3 mm。

鈦襯管、鈦襯環(huán)以及鈦蓋板與接管、法蘭點裝時應緊密貼合，要求間隙≤0.3 mm，并按零件圖中的先后順序進行焊接、熱處理等過程。

1.1.3 焊接過程的要求

（1）鈦－鋼復合板縱縫、環(huán)縫組焊流程應嚴格按照作業(yè)標準書執(zhí)行。

（2）每道焊縫實行責任制，焊工須經(jīng)培訓驗證合格后上崗，對驗證不符合要求的絕不允許施焊。

（3）制作合適的縱縫、環(huán)縫以及角縫的正面保護工裝，同時還需在背面檢漏孔通氬氣進行保護。

（4）施焊前先確認焊縫是否已打磨，是否露出金屬光澤，若發(fā)現(xiàn)存在氧化后的發(fā)烏情況，應用氧化鋁拋光輪先行打磨待焊接區(qū)。同時檢查施焊位置是否存在灰塵等污物，如有污物則需用壓縮空氣吹掃后再施焊。對本次未焊完的焊接區(qū)域，應確保紙膠帶繼續(xù)覆蓋完好。

（5）氬弧焊焊接時盡量不要左右擺動，并且鎢極不能碰到焊縫金屬，如碰到則應去除焊縫中夾鎢點，并修磨鎢極尖端后再繼續(xù)焊接。

（6）所有角縫焊接時分兩遍施焊，第一遍加絲快速焊，第二遍再焊滿坡口。所有角焊縫要飽滿，如圖1（c）所示，或至少要焊接到圖1（b）所示的狀態(tài)，不能像圖1（a）。

圖1 角焊縫飽滿度

（7）在保證充分熔合的情況下，選用最低的線能量進行焊接。由于鈦熔點高，導熱性差（只有鐵的1/4），且比熱容小，因此過熱區(qū)高溫停留時間長（比碳鋼長2.5～3倍），冷卻緩慢，致使過熱區(qū)會出現(xiàn)顯著的粗大晶粒以及過燒現(xiàn)象，這種粗大晶粒的存在會導致過熱區(qū)的塑性下降。但是線能量也不能太小，否則也會使塑性降低。

（8）為保證銀釬焊部位焊接完成之后的強度及密封性能，需要在銀釬焊完成之后用專用膠將該部位再黏合一遍。

1.2 焊縫質(zhì)量檢驗

為了保證焊縫質(zhì)量，筒體的基層焊完之后按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測——第2部分：射線檢測》要求對基層焊縫進行100%射線檢測（RT），Ⅱ級為合格。

覆層焊完之后，首先進行外觀檢查。通過外觀檢查可發(fā)現(xiàn)的缺陷有：表面氣孔、夾渣、焊穿、咬邊、裂紋及其類似的表面缺陷。檢查時配強光手電，沿焊縫兩面進行檢查。外觀不合格的必須立即用電磨頭將該部位修磨好，然后再用氬弧焊焊滿。每焊一道焊縫，都需要進行焊接接頭的表面顏色檢查。根據(jù)焊接部位的表面顏色，可以判斷焊接的質(zhì)量，尤其是惰性氣體的保護效果。如有焊縫呈藍色，必須用電磨頭將其去除再補焊。

著色探傷是檢查焊縫表面缺陷的有效手段，可用于顯示肉眼難以察覺的表面缺陷。每條焊縫焊完以后，按NB/T 47013.5—2015進行100%PT檢測，Ⅰ級為合格。

氣密試驗：著色探傷之后將0.03 MPa的空氣充入檢驗孔中，用肥皂水檢驗焊縫的密封性能。氨檢漏：每道焊縫焊接完成后（尤其是縱縫），逐條進行氨檢漏，確認是否存在泄漏點，同時對銀釬焊未封死的位置進行補焊處理。之后在每個獨立區(qū)域充入0.07 MPa氦氣，用質(zhì)譜儀檢測鈦焊縫是否泄漏。在檢驗期間，必須保證排氣良好，以防止氦氣積累。檢測儀器的靈敏度為10-7Pa·m3/s。如果發(fā)現(xiàn)泄漏或缺陷，立即進行修補，然后再進行氦檢漏。

通過上述多種檢測手段的配合，最終保證了產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量。

1.3 熱態(tài)循環(huán)試驗

鈦和鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，鈦－鋼復合板設備一旦處于某些極端工況，就會因為溫差變大導致鈦覆層處于受拉應力狀態(tài)，若鈦焊縫質(zhì)量存在問題，就會造成焊縫開裂，甚至發(fā)生滲漏。

熱態(tài)循環(huán)試驗就是在設備內(nèi)部通入蒸汽，模擬操作過程的溫度變化。其中模擬操作過程中可能出現(xiàn)的極端工況，可以充分檢測鈦焊縫的焊接質(zhì)量。該方法試驗周期短、成本較低，但試驗過程復雜、較危險。塔體由于其尺寸限制，只能在戶外進行熱態(tài)試驗。塔體外部敷設保溫層，考慮試驗時塔體對流和輻射傳熱兩部分的熱量損失，確定鍋爐的熱負荷。圖2是熱態(tài)循環(huán)試驗溫度和壓力循環(huán)過程圖。

圖2 熱態(tài)循環(huán)試驗溫度和壓力循環(huán)圖

熱態(tài)循環(huán)試驗完成后，按照上述氦檢漏的方案再次進行氦檢漏，同時內(nèi)部對焊縫表面進行PT檢測，若發(fā)現(xiàn)泄漏必須修補好之后重新進行氦檢漏。

1.4 陽極化處理

鈦－鋼復合板的陽極化處理是以鈦材作為陽極，鋼材作為陰極，在電解質(zhì)中通入直流電使鈦材預先鈍化，在表面形成附著力強的、致密的惰性氧化膜，從而使鈦覆層的耐腐蝕性能得到極大提高。

通過以往的制造檢驗經(jīng)驗，解決了電源選擇、電解質(zhì)溶液的制備、處理裝置的準備及絕緣等問題，最終順利完成整個鈦－鋼復合板塔器內(nèi)部所有鈦覆層的陽極化處理。最終效果：陽極氧化膜層呈深藍色，連續(xù)、均勻、緊密結(jié)合在鈦覆層上。

2 結(jié)論

（1）鈦－鋼復合板裝配、焊接的關(guān)鍵點，一是保證清潔度，二是過程保護。只有認真做好這兩方面的工作，再配合后期各種檢測手段，才能有效保證焊縫的質(zhì)量。

（2）鈦－鋼復合板塔器的制造要從材料質(zhì)量控制、板材下料、封頭和筒體的成形控制、裝配和焊接質(zhì)量控制、焊縫檢測和返修、酸洗和包裝控制等方面來聯(lián)合進行。

（3）熱態(tài)循環(huán)試驗是對鈦焊縫質(zhì)量的最終驗證，陽極化處理能夠提高鈦覆層的耐腐蝕性能。

[1] 任世宏，李巍，王迎君.鈦復合板容器設備的制造 [J].電焊機，2003，33（12）：39-43.

[2] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

Research on the Manufacturing Process of the Large Titanium-Steel Clad Plate Tower

Wu XiaoweiXiao ChanghuiZhang Enyuan

The whole manufacturing process of titanium-steel clad plate tower is introduced，including parts manufacturing,welding of titanium-steel clad plate,welding quality test,thermal cycle test,anodic treatment,and etc,which has a certain guiding significance for the manufacture and inspection of titaniumsteel clad plate tower.

Titanium-steel clad plate;Tower;Thermal cycle test;Anodic treatment;Welding;Install

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.016

2016-12-02）

*武曉偉，男，1988年生，碩士，工程師。洛陽市，471000。