鋯復合板壓力容器的結構設計、制造與應用

□劉小峰

上海電氣核電設備有限公司上海201306

鋯復合板壓力容器的結構設計、制造與應用

□劉小峰

上海電氣核電設備有限公司上海201306

概述了鋯材的性能與特點，介紹了鋯復合板壓力容器的結構設計與制造，并給出了鋯復合板在應用中的注意事項。

隨著我國裝備制造能力的不斷進步，近年來國產制造的鋯制壓力容器設備越來越多，國家能源局于2010年發布并實施了NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》行業標準[1]。鋯制壓力容器廣泛應用于醋酸、醋酐、對苯二甲酸及核電設備裝置中。筆者結合鋯材性能及近年來公司承制過的鋯制壓力容器設計與制造實踐，簡要介紹鋯復合板壓力容器的結構設計、制造、檢驗及應用時的注意事項。

1 鋯材性能

（1）組織及物理性能。鋯在常溫下為密集六方晶格，表1為鋯與碳鋼、奧氏體不銹鋼、鈦在室溫下的物理性能比較。

表1 鋯與其它材料室溫物理性能比較

由表1可以看出，鋯的熔點最高，屬于難熔金屬；鋯的彈性模量與鈦接近，約為碳鋼的一半；鋯的熱膨脹系數小，約為碳鋼的一半；鋯的比熱容低，在吸熱、放熱過程中，溫度的變化明顯；鋯比碳鋼、不銹鋼密度低，比鈦的密度高。

（2）在常用金屬中熔解度低。鋯屬元素周期表中ⅣB族，與鈦、鉭、鈮之間可以相互無限互熔，不產生金屬間化合物，可以相互進行熔化焊，但與鐵、鉻、鉬、銅等常用金屬的互相熔解度很小，不能直接熔焊。

（3）活性高。鋯屬活性金屬，在較高溫度時極易被氧化，在空氣中加熱到1 000℃左右時會燃燒。

（4）耐腐蝕性能好[2]。在多數腐蝕性介質中，鋯比其它壓力容器用材的耐腐蝕性好，尤其是在含鹽酸、氫碘酸等強還原性酸中。

（5）塑性低。鋯在室溫下的斷后伸長率低，塑性也低。鋯在862℃相變溫度以下為密集六方晶格，是塑性低的根本原因。此外，鋯材還具有各向異性、缺口敏感性強等特性。因此，壓力容器用鋯材在使用前應進行熱處理，以獲得較高的塑性。

（6）價格昂貴。鋯系活性金屬，從鋯礦石中還原出金屬鋯需要消耗較多的能量，鋯材的加工成本較高，且國內鋯材基本上為進口。單位質量鋯材的價格約為普通鋼材的100～200倍，較為昂貴。

2 結構設計

由于鋯材價格昂貴，所以用鋯復合板制容器更經濟。通常情況下，鋯復合板反應器的主體材料（封頭、筒體等）均采用鋯-碳鋼復合板結構，復合板的質量檢驗或驗收可參照ASTMB898-05《活性難熔金屬復合板技術規范》進行[3-4]。因接管尺寸較小，多采用襯里結構。

主體對接焊縫接頭型式如圖1所示，結構中，墊板與蓋板均需要與覆層焊接，同時，將其中一部分檢漏孔改成貫穿墊板的鋯檢漏嘴，目的是增加密封可靠性，降低泄漏風險。有了此檢漏孔，在焊接蓋板與覆層的焊縫時，可在檢漏孔內充入保護氣體，起到背面保護作用。同時，即使墊板與覆層的焊縫開裂，介質泄漏至墊板處，由于墊板與覆層已經進行了密封焊接，介質也不會對基層造成腐蝕。此時，可以通過檢漏孔檢測介質泄漏情況，采取相應返修措施，避免操作中更大的問題發生。如果墊板不與覆層焊接，一旦蓋板與覆層的角焊縫開裂，介質就會沿著墊板與覆層的間隙直接侵蝕到基層鋼板[5]。

管口結構型式如圖2所示。結構中，翻邊蓋板具有圓滑過渡，減小了峰值應力，所以通常管口優先采用這種接管，接管公稱直徑小于50 mm。襯環與襯管環縫的背面設置鋯墊板，便于焊縫的焊接[6]。

圖1 主體對接焊縫接頭型式

圖2 管口結構型式

為增加襯環與法蘭的連接強度，也可以選用鋯復合板制作襯環，法蘭與襯環基層為同種材料，有利于焊接，可增強管口密封可靠性。但這種結構的成本較高，可以視情況而定。

3 下料

下料過程中，薄板盡量使用機械切割或水刀切割等冷切割方法。機械切割或水刀切割具有切割面美觀、凹坑少、金屬燒損少、表面氧化少等優點。如確需采用熱切割,則切割邊緣和坡口應采用機械方法加工并去除污染層。

4 焊接及保護

鋯元素的活性很高，制造鋯容器應在清潔的環境中進行，焊接場地應為獨立的清潔環境，避免風擾動及鐵離子污染。

焊接前，鋯材坡口及其兩側應進行表面處理，去除表面的氧化物、水、油污及其它污染物，以免進入焊縫，引起脆化。焊絲也應去除表面的污染物。

鋯材在焊接過程中，為防止被氧化，焊縫及熱影響區的正面和背面都要處于惰性氣體的保護之中。熔池及溫度高于400℃的焊縫及熱影響區，均應置于惰性氣體保護之中，且惰性氣體的純度應高于99.999%。

鋯材焊縫在基本未遭氧化的情況下呈銀白色，稍有氧化呈金黃色，輕微氧化為藍色，嚴重氧化呈灰色。氧化會導致鋯材變脆。利用鋯材不同氧化程度可呈現不同顏色的特性，對所有鋯材焊縫和熱影響區在焊接后的原始狀態進行顏色檢驗，銀白色或金黃色為合格，否則應重新焊接。

5 部件制作

部件制作過程中，注意表面保護，防止表面被鐵離子等污染。鋯與鐵同時接觸腐蝕介質時會形成電偶腐蝕，此時鋯為陰極，產生氫離子，此氫離子很容易進入鋯材中。當鋯材中氫元素含量超過氫在鋯中的溶解度后，會析出氫化鋯而提高鋯材的脆性。因而在制造過程中，應進行鐵離子檢查。制造過程中鋯材表面原有的鈍化膜若被機械劃傷，會影響耐腐蝕性能，所以鋯材筒體卷制時，卷板機的卷筒要貼好保護膜。由于鋯材的塑性差，缺口敏感性強，所以鋯材部件在壓制過程中應注意避免產生尖銳部位，比如毛刺、尖角等。

在加工鋯材翻邊蓋板時，為防止其開裂，通常采用熱壓，溫度控制在550℃左右，按規定時間保溫后，在壓機上緩慢壓制成形[7]。

因為在350～400℃時鋯材表面可明顯吸附氫元素，所以在實際制作中，成形時溫度通常控制在550℃左右。鋯材表面附著的水、油、有機物等在高溫下均有可能產生氫元素進入鋯中，因此鋯制件的表面應保證清潔。

6 熱處理

鋯材部件成形后，當變形量超過3%時，需要對部件進行熱處理，以消除成形時的殘余應力。

當設備基層碳鋼厚度較厚時，依據GB150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收》中的要求進行熱處理。設備熱處理時，盡量選用較低溫度進行，若溫度過高，對鋯材表面防腐性能有影響，所以在熱處理前，鋯材表面需要涂合適的防氧化涂料。

7 水壓試驗

壓力容器制作完成后，需要進行壓力試驗，試驗要求及驗收標準按照GB150.4—2011執行[8]。試驗前，對內部所有鋯材焊縫進行滲透檢查，確保內部焊縫無泄漏。壓力試驗過程中及試驗后，對焊縫表面進行滲透檢查及氦檢漏。

8 熱氣循環試驗

由表1可知，鋯與碳鋼的熱膨脹系數相差較大，鋯為5.3×10-6K-1，碳鋼為11.12×10-6K-1。在溫度升高時，兩種材料間會產生較大的溫差應力。而容器的耐壓試驗只對容器的承壓能力和強度進行考核。當鋯復合板容器在使用過程中遇到溫度變化時，因兩種材料的熱膨脹系數不同，會產生較大的溫差應力。特別是鋯蓋板與覆層的角焊縫，同時受焊接應力及溫差應力作用，極易在應力作用下產生失效。所以，對重要的鋯復合板容器在耐壓試驗后還應按規定進行熱氣循環試驗[5-9]。

設備制造完畢后，模擬設備使用工況，進行升溫升壓，再保溫保壓一定時間后，進行降溫、降壓至常溫常壓，之后再次進行升溫升壓，然后保溫保壓，再降溫泄壓至常溫常壓。

熱氣循環后，對內部所有鋯材焊縫進行滲透檢查，之后對設備中所有鋯材焊縫再進行氦檢漏，確保所有焊縫沒有裂紋[10]。

試驗結果表明，模擬工作溫度和壓力進行熱氣循環試驗，可以驗證部件的襯里與覆層焊縫在熱應力下的有效性和致密性，可以有效檢測出設備焊縫的潛在問題，降低設備在正式使用后焊縫開裂的風險。

9 鋯復合板設備使用過程中注意事項

筆者曾參與維修某化工企業的醋酐反應釜設備。該反應釜主材采用SA-516 Gr.60N+R60700鋯復合板，管口蓋板采用4.77 mm的SB-551 R60702鋯板制造。設備的工作壓力為4.2 MPa，工作溫度為210～230℃。設備在現場使用一段時間后，發現有物料從檢漏孔泄漏。在對設備進行檢查中，發現SB-551 R60702鋯蓋板有多處裂紋，鋯蓋板裂紋分散地分布在鋯蓋板各處，裂紋由鋯板內壁產生，由內向外擴張，沿板厚度方向形成比較直的貫穿裂紋，裂紋形貌如圖3所示。

圖3 開裂裂紋形貌

經現場對裂紋進行宏觀檢查和微觀金相分析，并結合業主的操作工況和介質成分分析，判斷裂紋為應力腐蝕所致[11]。

因鋯材對一些介質具有應力腐蝕的傾向，通常而言，鋯在氧化性的氯化物介質（如氯化鐵、氯化銅等）及濃縮甲醇、碘蒸氣、含甲酸的甲醇、含鹽酸的乙醇中，易發生應力腐蝕。設備在檢修過程中，未清洗干凈的介質殘留在產品表面，隨著水分蒸發，開裂鋯材表面的氧化膜無法及時修復，致使殘留的碘化物直接與鋯材接觸。再加上鋯制設備升溫后，鋯材自身承受拉應力，以及在鋯制設備實際應用中，內部鋯材有發生應力腐蝕的可能性，因此，鋯制設備在實際使用時，內部工作介質應避免碘離子等成分。另外，鋯材部件在成形后，如果變形量較大，成形過程中也會產生較大殘余應力，所以成形后要進行消除應力熱處理。設備在投入使用前及過程中應做到以下幾點。

（1）反應介質中盡量避免以上容易引起應力腐蝕的成分，不隨意使用未經化驗的介質、催化劑等。

（2）變形量大的鋯材部件應進行熱處理，消除內部殘余應力。

（3）避免頻繁開停設備，減小應力。

（4）定期檢查，發現隱患及早處理。

（5）操作中對設備規范操作，升溫速度不宜太快。

（6）墊板背面清理干凈，避免有焊縫凸出等現象。

（7）內部不能超壓工作。

10 結束語

因鋯材價格昂貴，且制作經驗積累有限，因此有些結構及制作方法尚處于探索階段，如喇叭口的防治等。未來隨著現代制作技術的發展和化工行業的進步，節能環保等要求不斷提高，鋯制壓力容器將會得到更廣泛的應用。希望通過筆者的介紹，能對從事本行業的其他工程技術人員有所幫助和啟發。

[1]鋯制壓力容器：NB/T47011—2010[S].

[2]黃嘉琥.NB/T 47011—2010標準中鋯制壓力容器的特點[J].壓力容器,2010,27（12）:49-52，29.

[3]鄭世平.壓力容器用鋯及鋯復合板的特性與應用[J].江蘇化工,2004,32（5）:50-53.

[4]活性難熔金屬復合板技術規范：ASTMB898-05[S].

[5]鄭世平，萬建春，劉生海，等.鋯及其復合板壓力容器結構設計與制造實踐[C].第八屆全國壓力容器學術會議，合肥，2013.

[6]孫萬倉，賀旭明，孫勝奇.鋯鋼復合板設備結構設計分析[J].鈦工業進展，2012，29（1）：39-41.

[7]汪雪濤，高振宇.鋯鋼復合板反應器制作技術[J].壓力容器，2009,26（7）:53-57.

[8]壓力容器：GB150.1—2011[S].

[9]田志安.鋯鋼復合板醋酸反應器制造技術的研究[J].乙醛醋酸化工，2013（10）:17-19.

[10]萬建春，鄭世平，王建，等.鋯鋼復合板反應器的制造實踐[J].中國化工裝備，2010（4）：16-19，22.

[11]賈瑞婷，劉小峰.醋酐反應釜R60702鋯板開裂原因分析[J].理化試驗（物理分冊），2014，50（8）：610-612，615.

（編輯：平平）

The properties and characteristics ofzirconiumcomposites were summarized.The structural design and manufacture of zirconium composite plate pressure vessel were introduced,and the precautions of zirconium composite plate during application were given.

鋯；復合板；壓力容器

Zirconium；Composite Plate；Pressure Vessel

TH49

B

1672-0555（2017）02-037-04

2016年12月

劉小峰（1981—），男，本科，工程師，主要從事壓力容器設計及工藝研究工作。