鈦-鋼復合板制壓力容器設計概述

李 桓 羅永智 王治剛 王芳鈺

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司）

隨著我國經濟的發展，鈦材的生產和應用快速增長，鈦材能夠在高溫和低溫工況下，對海水、濕氯氣、二氧化氯、硝酸、醋酸、濃度低于4%的硫酸、氯化鐵、氯化烴類及尿素等中性、氧化性、弱還原性介質具有優良的耐腐蝕性能［1］。 在化工設備上用鈦代替碳鋼、不銹鋼及銅等材料可以大幅提高設備的使用壽命，雖然造價投資大，但經濟效益良好。 目前，我國鈦-鋼復合板生產經驗成熟可靠，鈦-鋼復合板制壓力容器［2］已在石油化工、制鹽、制堿及制藥等行業中廣泛應用。

1 鈦-鋼復合板制壓力容器的特點

鈦-鋼復合板制壓力容器的特點如下：

a. 鈦-鋼復合板材料經濟性好。 鈦材單位重量的價格約是一般普通鋼材的50 倍， 約是不銹鋼的6 倍。 若采用純鈦材結構，不但價格昂貴，而且當鈦板厚度大于25mm 時，焊接困難，工藝復雜，焊接質量無法保證。

b. 嚴格避免鋼、鈦互熔的焊接結構［3］。 鈦的熔點高、無磁性，鐵在鈦中的溶解度僅為0.05%～0.10%，兩者焊接困難，不能熔焊。 除此之外，鐵等其他金屬熔于鈦焊縫金屬中會形成硬而脆的金屬間化合物，極大地降低焊接接頭塑性，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接焊在鋼上。

c. 焊接部位要用惰性氣體保護。 鈦的化學性能極為活潑，會迅速與空氣中的氧、氮及氫等氣體進行化合作用，形成脆性化合物。 氧和氮會使鈦材塑性下降而強度和硬度增高，其中氮的危害程度更大；而氫會使焊接接頭的沖擊吸收能量值急劇下降，塑性變化小，產生氫脆現象。

d. 外殼設置一定數量的檢漏孔。在正常運行時，檢漏孔可以檢查鈦-鋼復合層是否泄漏，還可以作為設備溫度升高時殼體和襯層間遺留氣體的出口； 在制造和檢修時由此通入保護氣體，對焊縫背面進行保護。

e. 設備操作溫度不超過350℃。 鈦的膨脹系數約為碳鋼的三分之二， 鈦-鋼復層在高溫工況時，熱膨脹會引起較大的熱應力，會使復層在結構不連續處、應力大的區域發生變形，甚至開裂。

2 鈦-鋼復合板制壓力容器的復層連接結構

2.1 筒體縱、環向焊接接頭處復層的連接結構

為避免基層焊接時的熱量和熔融金屬對復層鈦材產生影響，筒體A、B 類焊接接頭的坡口邊緣處采用機加工方法去除， 組裝時要求嚴格找正，焊接接頭的錯邊量要盡可能小，常用的復層連接結構如圖1 所示［4］。

a 結構（圖1a）采用銀釬焊，焊后打磨至與復層齊平，然后貼緊安裝蓋板，采用連續焊焊接。 b結構（圖1b）采用墊板，墊板與復層的焊接為不全焊透對接焊，然后貼緊安裝蓋板，采用連續焊焊接。 c 結構（圖1c）采用半圓管代替蓋板來實現復層的連續性。 從焊縫性能、制造成本綜合分析：b結構較好，工程設計時最常用；c 結構雖然焊縫受力情況好，但加工安裝比較難，影響設備內件安裝，并且僅適用于低壓工況。

圖1 筒體縱、環向焊接接頭處復層的連接結構

2.2 接管襯里與殼體復層的連接結構

設計時，應考慮兩種材料不同的膨脹以及在運行和水壓試驗過程中產生的彈性扭曲和局部塑性變形，這些因素將引起殼體與接管襯里之間的相對移動。 在運行工況苛刻的場合，應保證連接處的撓性，避免結構突變，不讓焊縫處于高應力集中狀態。

常用的連接結構如圖2 所示［5］。

a 結構（圖2a），在殼體上開孔，機加工去除開孔邊緣范圍內的復層鈦材，接管與殼體焊接完畢檢查合格后，安裝鈦接管（冷套或熱套），手工翻邊10～15mm， 完成接管襯里與殼體復層的焊接；該結構不易操作，成本高，常用于壓力不高、耐腐蝕性好、應力集中小的場合。

b 結構（圖2b），前序與a 結構基本相同，取消了鈦接管的手工翻邊， 在鈦接管外面套入寬度50mm 左右、厚度與復層相同的環形板，然后完成鈦環與鈦接管、殼體復層之間的焊接；該結構制作簡單， 經常用于壓力和溫度要求不高的場合。

c 和d 結構（圖2c、d），在a、b 結構的基礎上進行了改進，將開孔邊緣機加工去除的復層鈦材的寬度增大，在缺口處放置了墊板，與復層不全焊透焊接連接，其余工序與a、b 結構相同。 該結構更加便于焊縫和焊接接頭質量檢查，改善了鈦管襯里的受力狀態。

2.3 接管襯里與法蘭襯里的連接結構

接管襯里與法蘭的連接形式與設備的操作壓力、溫度、墊片種類和密封要求有關，設計時常用的4 種形式如圖3 所示［6］。

a 結構（圖3a）適用于工作壓力較低、密封要求不高的情況，通常采用非金屬墊片。

b 結構（圖3b）適用于中等壓力工況，且要求密封面有一定的精度；鈦材密封環除四周與法蘭連續銀釬焊密封外， 還需用鈦制埋頭螺釘固定，螺釘頭部用氬弧焊密封，最后加工密封面；螺釘直徑要求大于6mm，數量根據密封環大小確定。

c 和d 結構（圖3c、d）加工制作相對簡單，適用于中低壓、密封性要求不苛刻的場合，在工程設計中被普遍采用。

3 注意事項

鈦-鋼復合板制壓力容器基層的焊接、 檢驗可借鑒不銹鋼復合板制壓力容器的相關技術；殼體鈦-鋼復層和襯里的加工、 焊接及組裝過程要嚴格按照制造工藝規程進行，避免焊接時保護氣體純度不夠；加熱爐氣氛控制不合理會導致鈦吸收氣體變脆；使用的工具、場地不合適會導致鈦表面被鐵污染［7］。

鈦的彈性模量約為低碳鋼和不銹鋼的一半，變形范圍窄，彎曲變形時彈性回彈量大，很難得到尺寸精確的形狀。 若零件的壁薄，變形量小，彎曲半徑大，成形后尺寸要求不嚴，則可以采用冷成型；若工件形狀復雜，變形量大，則采用熱成型。 例如，厚復合板經一次或多次熱沖壓成形制作封頭，沖壓時，為防止鈦材被污染，要求在鈦表面涂熱保護層，同時合理控制加熱溫度，避免鈦和鋼的內擴散，進而形成易脆的金屬層，導致結合強度降低。 若一次沖壓加熱溫度高、變形量大，則容易生成脆性相，復層容易剝離或起皺，這時可以采用多次熱沖壓工藝。

鈦的表面缺陷敏感性大，應避免表面缺陷。

鈦-鋼復層、襯里焊接時焊材的鐵、氫含量應控制在較低水平，焊接接頭表面需進行滲透無損檢測；還需進行氣密性檢測或者氦檢漏，以保證鈦-鋼復層焊接的密封性。

鈦-鋼復合板制壓力容器應避免過快、 過大的升降壓和升降溫（介質與殼體金屬溫差不大于50℃），以避免局部熱應力過大，引起鈦材開裂。

設備上鈦襯里與鋼板的連接形式有爆炸復合、銀釬焊、機械固定等方法。

4 結束語

鈦-鋼復合板以其良好的經濟性， 被大量地應用于壓力容器， 但是與鋼制化工設備相比，在技術上還是存在很多難點， 經驗積累不夠豐富。鈦材具有獨特的物理性能和化學性能，技術人員對鈦材制壓力容器的設計要足夠重視，應全面掌握設計、制造和使用方面的關鍵技術，做到設備設計安全、合理、經濟。