鋯—鋼復合板制壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙斌　張成

摘 要：21世紀以來，我國壓力容器設(shè)計和制作取得了突破性進展，出于經(jīng)濟和資源效益兩方面的考慮，并在綜合了鋯和鋼雙方面的優(yōu)點，我國提出鋯-鋼復合板制壓力容器的理念。從鋯的性質(zhì)到對鋯-鋼復合板的制作以及對鋯-鋼復合板制壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計做出了較為詳細的思考和分析。希望能夠為鋯-鋼復合板制壓力容器的使用提供一些建設(shè)性的意見和參考。

關(guān)鍵詞：鋯；鋯-鋼復合板；壓力容器；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號： TQ053.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-176-2

0 引言

鋯作為21世紀以來發(fā)展較晚的金屬，并不為許多人所熟知。但是，隨著人們對鋯的認知不斷加深，鋯的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。不同于碳鋼、不銹鋼、鈦 、鎳合金，鋯具有強耐腐蝕性。但是，作為稀缺金屬，若單純的只使用鋯作為原料，資源的消耗太大，而且，經(jīng)濟效益并不明顯。另外，碳鋼屬于成本較低的金屬，但是耐腐蝕性較差，并不適合制造耐蝕要求較高的壓力容器。但是，通過爆炸復合技術(shù)將鋯板和鋼板復合而成，結(jié)合雙方的優(yōu)點，不僅能達到壓力容器特殊的強耐腐蝕性，而且大大降低了制造成本。平均成本能夠省去百分之九十以上，大概為純鋯的百分之五。使用鋯-鋼復合板制壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能為節(jié)約鋯資源做出貢獻。鋯-鋼復合板制壓力容器作為鋯和鋼的復合材料，它在具備鋯的耐腐蝕性外，它還具有鋼的高彈性和高強度模量等優(yōu)點。

1 鋯-鋼復合板鋯-鋼復合板的性質(zhì)

鋯-鋼復合板爆炸的成型結(jié)合區(qū)一般是在基板和復板之間，存在于組織、成分和性能的過渡地帶。它具有金屬的塑性變形、擴散、融化和波形等顯著特征。過渡地帶一般在0.01～1.00毫米的范圍區(qū)間，它的組織和性能與復合工藝有關(guān)，也直接影響到基板和復板之間的結(jié)合程度和實用性。

1.1 鋯的特點和應(yīng)用

鋯作為一種比較活潑的金屬很容易與其他的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，尤其是氫、氮和氧氣，對氧氣的親和力很強，1000°C氧氣溶于鋯中能使鋯的體積發(fā)生顯著的變化，在鋯的表面會形成一層氧化膜，其外觀具有與鋼相似的光澤。鋯具有耐腐蝕性，在高溫時可以和很多金屬或非金屬發(fā)生反應(yīng)，成為固溶體。另外，鋯的可塑性優(yōu)于其他金屬，它可以被加工成板、絲等。在加熱時，鋯能吸收大量的氫、氧、氮等氣體，可用來制作貯氫材料。鋯的耐腐蝕性優(yōu)于鈦，接近鉭和鈮。

鋯作為一種稀有金屬，具有驚人的抗腐蝕性。而且，它熔點和硬度極高。因為這種特性它被廣泛地應(yīng)用于航空航天以及軍工、原子能等領(lǐng)域。可以說，他是21世紀最有發(fā)展前途的金屬。1.2 鋯-鋼復合板的應(yīng)用

目前，爆炸復合技術(shù)是當代生產(chǎn)鋯-鋼復合板的唯一可靠技術(shù)。基于鋯-鋼復合板是在綜合了鋯和鋼雙方面的優(yōu)點綜合利用起來的，平均價格僅為純鋯材料的百分之五到百分之六之間，因此，它被作為一種較為經(jīng)濟實用的復合材料。對于專業(yè)制造廠而言，制造一臺純鋯容器，其估價的百分之七十是出自鋯材料的使用。剩下的百分百之三十才是加工費。如果容器的材料選用由純鋯改為鋯-鋼復合板，那么，大概可以省去一半以上的費用，容器的制造也能夠更突顯經(jīng)濟效益和資源效益。

2 鋯-鋼復合板制壓力容器的設(shè)計

結(jié)合設(shè)計純鋯材料制壓力容器的實例，用來轉(zhuǎn)化說明鋯-鋼復合板制容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前，最為普遍的是選取R60702制造化工類抗腐蝕設(shè)計，這樣才能最有效的保證復合板符合標準，這種將鋼和鋯復合在一起的技術(shù)被稱為三層復備。采用R60702制造鋯-鋼復合板的時候需要通過鈦過渡，因為鈦和鋯屬同族元素。在使用不同鋼板為材料時會有不同的情況出現(xiàn)。例如：采用中強度的鋼板為材料時，可以獲得較為優(yōu)質(zhì)的金性能相似，兩者在通過爆炸復合時也不會產(chǎn)生金屬化合物，復合的質(zhì)量也相對較高。但是，當鋼板的強度增加時，或者厚度增加，那么，相對應(yīng)的，在純鈦和鋼的復合工藝盡管已經(jīng)相對成熟，甚至可以保證超過10mm，復合難度也會隨之增大。另外，鋯-鋼復合板的質(zhì)量也不能得到保證。因此，高質(zhì)量的鋯-鋼復合板通常采用在鋼板之間增加一層2.60mm的鈦層作為過渡層。與R60702相比，R60700具有更低的強度和更好的塑性。它可以直接與鋼復合，在不需要過渡層的情況下制成復合板。

2.1 鋯-鋼復合板制壓力容器的設(shè)計標準

目前，通常情況下鋯-鋼復合板制壓力容器的制造與檢驗不僅要符合相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計圖紙，技術(shù)文件要求和一般技術(shù)規(guī)定外還需要遵循一定的法規(guī)、規(guī)定、標準。至于相關(guān)的工程標準，如果存在，見于設(shè)備總裝配圖技術(shù)要求欄的說明。對于厚度的定義，應(yīng)在圖紙上表示的基層壁的最小厚度。

2.2 釜體對焊結(jié)構(gòu)

如圖2所示，是比較常見的兩種對接接頭結(jié)構(gòu)，圖1 a是在本例中使用的結(jié)構(gòu)，也是本文比較推崇的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，可供使用的壓力和溫度范圍廣，并且結(jié)構(gòu)簡單易于制作。對于它的使用，它正在基板對接焊縫處采用X型坡口，另外，在與鋼板對接焊縫時，需要先將在距離焊口邊沿15毫米位置的鋯層完全去除掉。在完成焊接后，應(yīng)采用鋯材料制作的墊條進行空缺部分的填充。并且，采用銀釬焊將鋯層與墊條焊接在一起，然后封上封條，與復層的鋯焊縫在一起。其中，墊條的作用是提高貼條后的機械支撐，從而抵擋來自內(nèi)部介質(zhì)的壓力。有時候，墊條也可以考慮使用鈦板或者銅板，這樣可以節(jié)省部分成本。圖1 b則是一些制作單位選用的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，并且能夠大幅度減輕工作量，但是，因為貼條需要彎曲，產(chǎn)生應(yīng)力。溫度高時還可能出現(xiàn)膨脹、產(chǎn)生裂紋的情況。從而導致容器被腐蝕。因此，這種結(jié)構(gòu)通常在壓力和溫度不高的時候使用。

2.3 T型焊接接頭

釜體縱、環(huán)焊接接頭的接頭處采用圓弧狀轉(zhuǎn)角的蓋板。為了預防蓋板的焊接接頭出現(xiàn)紕漏和在進行焊接接頭時，便于背面通氬氣保護，每一條縱向的對接接頭的墊板或者釬焊層都必須鉆兩個以上6毫米的檢漏孔。另外，檢漏口的位置應(yīng)盡量接近其兩端的環(huán)向焊接接口處。釜體縱、環(huán)焊接接頭連接的T型焊接接頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 結(jié)束語

鋯作為優(yōu)質(zhì)的金屬材料，相對其他金屬材料而言，價格昂貴。但是，采用可以避免純鋯當材料的大成本制作的鋯-鋼復合板制壓力容器，可以有效地降低制造成本，大大節(jié)約鋯資源。并且可以充分地利用鋯和鋼雙方的優(yōu)點。可以說，采用鋯-鋼復合板制造壓力容器具備明顯的經(jīng)濟效益和資源優(yōu)勢。由于鋯和鋼特殊的金屬特性，它們不能直接進行熔化、焊接，而這也就決定了鋯-鋼復合板的制作設(shè)備的結(jié)構(gòu)完全不同于不銹鋼或鎳合金復合板的制作設(shè)備。筆者通過一些實踐和例子就鋯-鋼復合板制壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計作了分析和說明。

參 考 文 獻

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