米豐，王莎莎，馮亦楠，李聰曉

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

隨著石油、化工等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的耐腐蝕性能提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)許多強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，尤其是強(qiáng)還原性酸而言，鋯具有比不銹鋼、鎳基合金、鈦等更優(yōu)異的耐腐蝕性能，還具有良好的力學(xué)及熱傳導(dǎo)性能，因此許多強(qiáng)腐蝕設(shè)備開(kāi)始越來(lái)越多地采用鋯材，大大提高了設(shè)備的壽命和可靠性，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

鋯被譽(yù)為“21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的材料之一”[2]，但由于其價(jià)格非常昂貴，且不能與鋼材直接焊接，因此，鋯設(shè)備無(wú)論是在設(shè)計(jì)，還是在制造、檢驗(yàn)過(guò)程中，都有較多區(qū)別于鋼制壓力容器的地方。NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，在2010 年以前，我國(guó)并沒(méi)有關(guān)于鋯制壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)，只能采用ASME、ASTM 等國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，所需材料也只能依靠進(jìn)口。從另一個(gè)角度來(lái)講，鋯制壓力容器在我國(guó)的使用經(jīng)驗(yàn)并不豐富，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋯設(shè)備設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)成熟的單位也比較少。本文根據(jù)某項(xiàng)目中的一臺(tái)鋯材塔器為例，對(duì)鋯制塔器的在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行闡述，以期為以后鋯制設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)及主要選材

該項(xiàng)目中鋯材塔器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)備簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of equipment

項(xiàng)目地區(qū)的基本風(fēng)壓為q0=550 N/m2；抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類(lèi)型為I1類(lèi)，地面粗糙度為B 類(lèi)。

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，與介質(zhì)接觸的殼體采用鋯材，NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》中給出了三種工業(yè)級(jí)鋯材牌號(hào)，分別為Zr-1、Zr-3、Zr-5，其中Zr-1主要用作復(fù)合板的復(fù)層，并不檢驗(yàn)強(qiáng)度下限值，不參與設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算，而Zr-5 為Zr-2.5Nb 合金，耐蝕性與成形性能均低于Zr-3 工業(yè)純鋯，并且Zr-5 要求焊后必須熱處理，導(dǎo)致其較少用于壓力容器的殼體，而是主要利用其強(qiáng)度較高而用于螺栓等非焊構(gòu)件。因此，本設(shè)備殼體采用Zr-3。而不與介質(zhì)直接接觸的裙座筒體采用碳鋼或低合金鋼，裙座與下封頭過(guò)渡段采用Zr-3。另外，鋯構(gòu)件若被鐵污染，在某些情況下容易形成電化學(xué)腐蝕，鐵作為陽(yáng)極被溶解，鋯作為陰極吸氫，使得鋯的脆性提高，因此，為避免碳鋼或低合金鋼產(chǎn)生的鐵銹污染鋯材，設(shè)備外部與殼體接觸的連接件（不與殼體焊接）采用不銹鋼。

2 設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算

該設(shè)備高度約為42 m，高徑比較大，經(jīng)計(jì)算，在不采取一定措施的情況下，決定其強(qiáng)度或控制塔頂撓度的因素是風(fēng)壓和地震作用產(chǎn)生的彎矩而不是內(nèi)壓，設(shè)備下端部分必須通過(guò)增加壁厚來(lái)提高截面的抗彎性能，從而使該截面的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，考慮到鋯材是一種非常昂貴的金屬，為了節(jié)約成本，在塔的合適位置增設(shè)塔箍，改變塔的受力情況，如圖2 所示，可以降低塔體裙座和殼體的厚度，同時(shí)滿(mǎn)足工藝操作的要求。

圖2 塔器受力示意圖Fig.2 Sketch of the forces on the tower

2.1 塔殼體的強(qiáng)度計(jì)算

采用GB 150.3—2011《壓力容器》中的容器內(nèi)壓計(jì)算公式，計(jì)算并圓整，殼體Zr-3 板材名義厚度取10 mm，裙座筒體名義厚度也取10 mm，設(shè)定以上厚度后，開(kāi)始校核在風(fēng)壓和地震載荷下各截面的組合應(yīng)力。

以下計(jì)算過(guò)程公式中符號(hào)含義均與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中含義相同，本文不再贅述。

2.2 計(jì)算設(shè)備各段的質(zhì)量

將塔沿高度方向分為三段，裙座、提餾段和精餾段分別記為A 段、B 段和C 段。經(jīng)計(jì)算，各段的操作質(zhì)量分別為mA0= 5 000 kg，mB0= 40 000 kg，mC0= 40 000 kg。

2.3 設(shè)備的基本自振周期計(jì)算

從式（2）可以看出，一個(gè)單自由體系的自振周期大小，取決于質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和體系的柔度，質(zhì)量愈大或柔度愈大，自振周期也愈大，多自由度體系亦是如 此。

回到本文提到的塔器中，和不加塔箍相比，增設(shè)塔箍后，塔的質(zhì)量并沒(méi)有改變，但柔度明顯會(huì)變小，因此自振周期會(huì)變小，該結(jié)論也與相關(guān)文獻(xiàn) [4]計(jì)算結(jié)果吻合。在風(fēng)載和地震載荷的計(jì)算過(guò)程中，均需用到自振周期，對(duì)于風(fēng)載而言，自振周期減小，脈動(dòng)增大系數(shù)ξ也減小，計(jì)算段的水平風(fēng)力也就減?。欢鴮?duì)于地震載荷的影響比較復(fù)雜，準(zhǔn)確來(lái)講，自振周期的變化，影響地震影響系數(shù)α的取值，如圖3 所示，也就影響到了水平地震力的大小，然而，仔細(xì)觀(guān)察會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于該項(xiàng)目地區(qū)場(chǎng)地土特征周期值Tg= 0.25，該塔的自振周期值已大于圖3 中的橫坐標(biāo)5Tg=1.25，從圖3 中可以看出，此時(shí)自振周期對(duì)于地震影響系數(shù)的影響并不大。

圖3 地震影響系數(shù)曲線(xiàn)Fig.3 Curve of seismic impact coefficient

綜上所述，若后續(xù)計(jì)算仍取T1= 2.03 s，計(jì)算風(fēng)載比實(shí)際值偏大，而計(jì)算地震載荷比實(shí)際值略小，因此本文認(rèn)為取增設(shè)塔箍后取塔的自振周期T1= 2.03 s實(shí)際上對(duì)計(jì)算結(jié)果是偏保守的。

2.4 地震載荷及地震彎矩的計(jì)算

根據(jù)2.2 節(jié)中的分段，視每段高度的質(zhì)量為作用在該段高度1/2 處的集中質(zhì)量，可求得各段集中質(zhì)量所引起的地震力見(jiàn)表2，計(jì)算方法根據(jù)NB/T 47041—2014《塔式容器》，計(jì)算過(guò)程從略，表2 只列出計(jì)算結(jié)果。其中，αmax為地震影響系數(shù)的最大值，αmax= 0.12，Tg為場(chǎng)地土的特征周期值，Tg= 0.25。

表2 各段集中質(zhì)量所引起的地震力Table 2 The seismic force caused by the concentration of weight in each segment

將塔器等效為一端固支一端簡(jiǎn)支的梁，如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化梁受力圖Fig.4 Sketch of the forces on the simplified beam

根據(jù)材料力學(xué)公式[6]，并參考文獻(xiàn) [7]，可求得由FA、FB、FC引起的固定端和簡(jiǎn)支端產(chǎn)生的彎矩（M0-0）和 反 力（F0-0、F1-1），即：M0-0= 11 886 000 N·mm，F(xiàn)0-0= -71 718 N，F(xiàn)1-1= 18 984 N，并繪制任意截面的彎矩圖，如圖5 所示。

圖5 地震載荷引起的各截面彎矩圖Fig.5 Sketch of bending moment on each section caused by seismic load

2.5 由風(fēng)壓引起的載荷及彎矩的計(jì)算

仍采用2.2 節(jié)中的分段方法，根據(jù)NB/T 47041—2014《塔式容器》，可求出由風(fēng)壓引起的每段塔體所受的均布載荷qi，見(jiàn)表3，qi=K1K2iq0fiDe0×10-6，單位為N/mm； 同2.4 節(jié)，可求得由A、B、C 段風(fēng)壓引起的固定端和簡(jiǎn)支端產(chǎn)生的彎矩（M0-0）和反力（F0-0、F1-1）， 即：M0-0= 28 020 000 N·mm，F(xiàn)0-0= 16 611 N，F(xiàn)1-1= 126 429 N，并繪制任意截面的彎矩圖，如圖6所示。

表3 各段風(fēng)壓形成的載荷Table 3 The load formed by each segment of wind pressure

2.6 各截面應(yīng)力校核

塔各截面應(yīng)力按照NB/T 47041—2014《塔式容器》進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表4～6。

圖6 風(fēng)載荷引起的各截面彎矩圖Fig.6 Sketch of bending moment on each section caused by wind load

表4 各截面最大彎矩Table 4 Maximum bending moment of each section N·mm

表5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of stress calculation MPa

表6 組合應(yīng)力校核結(jié)果Table 6 Check results of combined stress MPa

從該結(jié)果可以看出，各截面的最大彎矩是由風(fēng)載荷決定的。

經(jīng)校核，2.1 節(jié)所取的各段厚度已經(jīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。事實(shí)上，經(jīng)計(jì)算，若不加塔箍，只靠地腳螺栓對(duì)該設(shè)備的固定，裙座筒體厚度需要16 mm，設(shè)備下封頭及以上約13 m 的殼體部分壁厚需要16 mm，而增設(shè)塔箍后這些部分壁厚僅需10 mm?？梢?jiàn)，經(jīng)本文重新設(shè)計(jì)計(jì)算后，減少使用鋯材五t 多，節(jié)約成本數(shù)萬(wàn)元。

以上計(jì)算結(jié)果表明，在鋯塔的設(shè)計(jì)中，尤其是高徑比較大的低壓鋯塔，除特殊情況外，為節(jié)約成本，塔箍的設(shè)置幾乎是必須的。因此，在項(xiàng)目前期，設(shè)備專(zhuān)業(yè)就應(yīng)該與土建、管道等專(zhuān)業(yè)就鋯制塔器的布置進(jìn)行協(xié)商并達(dá)成共識(shí)，將鋯塔布置于框架內(nèi)。

3 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋯材非常昂貴，應(yīng)用鋯材的目的是利用鋯材優(yōu)良的耐蝕性，因此，支座、吊耳、塔箍等不與腐蝕介質(zhì)接觸的構(gòu)件應(yīng)盡量考慮采用鋼材?？紤]到鋯材與碳鋼或不銹鋼均不能直接熔焊[8]，鋯與鋼的連接處均須采用機(jī)械連接，因此，與普通的塔器設(shè)計(jì)不同，該設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要有以下幾方面需要重點(diǎn)考慮。

3.1 裙座筒體與過(guò)渡段的連接

塔器的裙座筒體不與介質(zhì)接觸，一般均采用碳鋼制造，本設(shè)備中，碳鋼與設(shè)備的下封頭明顯不能直接相焊，因此參考JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》中鈦設(shè)備與裙座的連接結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)了如圖7的支撐結(jié)構(gòu)。

圖7 設(shè)備裙座筒體與下封頭的連接結(jié)構(gòu)Fig.7 Sketch of skirt and head connection

該截面處的風(fēng)彎矩和地震彎矩根據(jù)前文均可計(jì)算得到，因此該結(jié)構(gòu)中的螺栓座及螺栓大小可根據(jù)NB/T 47041—2014《塔式容器》中7.13 的方法設(shè)計(jì)校核即可，這里不再贅述。

3.2 管法蘭結(jié)構(gòu)

參照HG/T 20615—2009《鋼管制法蘭（Class 系列）》及NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》附錄D，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]，接管法蘭采用焊接活套襯環(huán)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8，翻邊環(huán)材質(zhì)為Zr，法蘭材質(zhì)為不銹鋼。

圖8 接管法蘭的襯環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.8 Ring structure of pipe flange

該結(jié)構(gòu)基本采用了“插入式襯環(huán)”形式，其中將接管與襯環(huán)的角焊縫內(nèi)側(cè)（C 類(lèi)焊縫）設(shè)計(jì)為圓角過(guò)渡，改善了焊縫區(qū)的受力情況。

3.3 塔箍與筒體的連接結(jié)構(gòu)

塔箍與筒體不直接相焊，由于碳鋼的鐵銹對(duì)鋯材會(huì)形成一定污染，不僅有礙美觀(guān)，而且很容易影響鋯材本身的性能。因此與筒體直接接觸的塔箍滾輪采用不銹鋼。前文已經(jīng)校核過(guò)塔箍截面與筒體的組合應(yīng)力，但考慮到塔箍與筒體的接觸面較小，而承受的載荷較大，還應(yīng)當(dāng)校核該處筒體所受的局部應(yīng)力，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

4 設(shè)備的制造及檢驗(yàn)

鋯容器的制造對(duì)環(huán)境有較高的要求，一般需要在潔凈的廠(chǎng)房?jī)?nèi)或棚內(nèi)進(jìn)行，且場(chǎng)地上應(yīng)鋪墊軟質(zhì)材料，以免破壞鋯表面，且同一制造場(chǎng)地中不應(yīng)進(jìn)行影響鋯材制造質(zhì)量的其他作業(yè)[8]。

4.1 冷熱加工成形

鋯材成形可分為熱成形和冷成形，由于鋯材的塑性較低，變形會(huì)明顯提高強(qiáng)度和降低塑性，冷成形時(shí)如果一次成形量較大，易造成材料開(kāi)裂，隨著成形溫度的提高，材料熱塑性與成形性能也得到提高，在200～300 ℃時(shí)成形，其成形性能就比冷成形性能好得多。然而，鋯在高溫下化學(xué)活性大，極易與大氣發(fā)生反應(yīng)，200 ℃開(kāi)始吸氧，300 ℃開(kāi)始吸氫，400 ℃開(kāi)始吸氮，溫度越高反應(yīng)越劇烈[8]，真空退火亦較難去除已經(jīng)吸入的這些元素。

由于封頭成形過(guò)程中變形量較大，本設(shè)備建議采用了熱成形，成形溫度在300～400 ℃，且在成形過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)措施避免吸氧等現(xiàn)象，并應(yīng)在成形后進(jìn)行真空退火處理；對(duì)于筒體，由于該設(shè)備直徑較大，成形過(guò)程中變形量較小，可采用冷成形。

4.2 焊接

鋯材的焊接對(duì)施焊環(huán)境要求也較為嚴(yán)格，應(yīng)在空氣潔凈、無(wú)塵、無(wú)煙的獨(dú)立封閉環(huán)境下進(jìn)行，焊工衣著鞋帽應(yīng)清潔、鞋底無(wú)釘。

前文提到，鋯在高溫下極易與空氣中的氧、氫和氮等發(fā)生反應(yīng)，這些元素存在焊縫中，會(huì)造成焊縫金屬中脆性的針狀組織的增加[10]，因此，鋯材的焊接應(yīng)采用鎢極氬弧焊等可保證焊接質(zhì)量的焊接方法，焊前應(yīng)根據(jù)焊件與焊接接頭型式預(yù)先制作好惰性氣體保護(hù)拖罩，保護(hù)用氬氣純度應(yīng)不低于99.999%。

除了保證焊接環(huán)境的影響，直接參與焊接的母材、焊絲和填充絲均須保證不受污染，鋯材坡口表面應(yīng)去除氧化物、水、油及其他污染臟物，以免進(jìn)入焊縫引起脆化，焊絲也需清洗去除氧化物與水汽、油污等，填充絲再次使用前應(yīng)去除上次使用時(shí)在填充絲端部形成的氧化物等[8]。

對(duì)于焊絲的選擇，工業(yè)純鋯ERZr-2 由于其焊縫金屬具有良好的強(qiáng)度和塑性，且耐蝕性比其他焊絲高，因而一般采用焊絲ERZr-2 用于鋯材Zr-3 的焊接。

4.3 無(wú)損檢測(cè)

鋯制容器焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)需注意，應(yīng)盡量采用射線(xiàn)檢測(cè)；對(duì)接接頭在可能的條件下，均應(yīng)100%檢測(cè)，這樣雖然增加了檢測(cè)費(fèi)用，但可提高焊接接頭系數(shù)，既節(jié)省了昂貴的鋯材，從經(jīng)濟(jì)性上考慮是合理的，焊接質(zhì)量也進(jìn)一步得到了保證。但是，與其他材料都不同的是，標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有明確地給出焊接接頭系數(shù)值，而是規(guī)定焊接接頭系數(shù)值小于或等于1，這也是標(biāo)準(zhǔn)編制者希望設(shè)計(jì)者在綜合考慮制造廠(chǎng)焊接能力、經(jīng)濟(jì)性等因素下自行制定合理的數(shù)值，本設(shè)計(jì)中綜合考慮各方因素，并參考鈦材標(biāo)準(zhǔn)，最終焊接接頭系數(shù)取0.95。

前文提到，鋯材在焊接過(guò)程中須用惰性氣體保護(hù)，以免被氧化，鋯在基本未被氧化的情況下呈銀白色，稍氧化呈金黃色，輕微氧化呈藍(lán)色，嚴(yán)重氧化呈灰色[8]，因此，參考鈦容器的經(jīng)驗(yàn)，同樣可利用鋯在不同氧化程度下呈現(xiàn)不同顏色的特性，對(duì)所有鋯焊縫和熱影響區(qū)，必須在焊接后的原始狀態(tài)對(duì)表面顏色進(jìn)行檢驗(yàn)，按規(guī)定合格后才能進(jìn)行后面的工序。

鋯材為密集六方晶格，無(wú)磁性，表面檢測(cè)不能用磁性法，應(yīng)采用滲透法。鋯容器的所有對(duì)接接頭都應(yīng)進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)，所有焊接接頭（包括對(duì)接、角接等接頭）表面都應(yīng)進(jìn)行滲透檢測(cè)。NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)所檢測(cè)》中并沒(méi)有提及鋯焊接接頭檢測(cè)的內(nèi)容，由于鋯材與鈦材性能相似，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鋯焊接接頭可參照標(biāo)準(zhǔn)中鈦焊接接頭的檢測(cè)規(guī) 定。

4.4 水壓試驗(yàn)

鋯容器的水壓試驗(yàn)壓力、形式等與一般鋼制容器較為類(lèi)似，但由于鋯對(duì)含氯離子的水耐蝕性很好，不像奧氏體不銹鋼那樣易受到含氯離子水的應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕，因此鋯容器的水壓試驗(yàn)用水只要求清水即可，未對(duì)氯離子含量提過(guò)多要求。

5 結(jié)論

鋯設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)有較多區(qū)別于普通鋼材設(shè)備的地方，本文以鋯塔為例，闡述了設(shè)計(jì)中遇到的一些問(wèn)題及解決方法，總結(jié)如下：

（1）在鋯塔的設(shè)計(jì)中，尤其是高徑比較大的低壓鋯塔，除特殊情況外，為節(jié)約成本，塔箍的設(shè)置幾乎是必須的，這就需要設(shè)備專(zhuān)業(yè)在項(xiàng)目前期，就應(yīng)該與土建、管道等專(zhuān)業(yè)就鋯制塔器的布置進(jìn)行協(xié)商并達(dá)成共識(shí)，將鋯塔布置于框架內(nèi)。

（2）鋯設(shè)備的支座、法蘭、塔箍等不與腐蝕介質(zhì)接觸的構(gòu)件應(yīng)盡量考慮采用鋼材。但由于鋯材與碳鋼或不銹鋼均不能直接熔焊，鋯與鋼的連接處均須采用機(jī)械連接。

（3）鋯容器不僅對(duì)制造環(huán)境有較高的要求，在零件成形、焊接、無(wú)損檢測(cè)等方面均有區(qū)別于鋼制容器的地方，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要多加關(guān)注。

本文旨在希望給鋯設(shè)備的設(shè)計(jì)人員提供一定的參考，同時(shí)，筆者也相信鋯設(shè)備會(huì)以其優(yōu)異的耐蝕性在石油、化工等行業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。