大型鈦-鋼復(fù)合材料濃縮塔現(xiàn)場分段組裝技術(shù)

劉吉坡* 李芳俠 張立峰

（西部寶德科技股份有限公司 國家地方聯(lián)合過濾分離工程研究中心 陜西省過濾分離工程研究中心）

0 引言

表1 濃縮塔技術(shù)參數(shù)

圖1 濃縮塔主要結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖（單位：mm）

1 整體方案

設(shè)備部件、材料、人員和現(xiàn)場施工條件具備后，先進行三段塔體鋼層的組對、焊接井作業(yè)，為了保證三段塔體相互間的角度、塔體的直線度等因素滿足施工要求，應(yīng)對塔體進行角度、尺寸檢測，組焊完畢后對焊縫進行外觀檢測和射線探傷；然后進行TA2復(fù)層組對、焊接作業(yè)，為了保證復(fù)層焊縫的可靠性，對復(fù)層進行氣密性檢測、滲透檢測及外焊縫外觀檢測，鉚焊工作全部完成后，對塔體進行整體壓力試驗和氣密性檢測；最后對設(shè)備進行整體除銹、涂漆等，再交付用戶，進入吊裝階段。

2 施工過程

2.1 準備工作

現(xiàn)場需要達到“三通一平”（即水通、電通、路通和場地平整），安裝時由于吊車的支撐要求，塔基周圍20 m 以內(nèi)地面必須硬化，塔體基礎(chǔ)需清理、打磨、找平、復(fù)驗，使其符合相關(guān)標準規(guī)定。塔體基礎(chǔ)驗收合格后，在基礎(chǔ)上找出塔體安裝的中心基準和標高基準線，放出十字中心線，并做好標記。

筒體吊裝前將原基礎(chǔ)中心點基準及十字線移植到底板上表面，作出明顯標識，按塔體直徑在底板放出塔體圓周線并沿內(nèi)外壁設(shè)置第一段筒體安裝靠柵，將第一段筒體吊起并插入靠柵內(nèi)，用經(jīng)緯儀或線錘測量該段筒壁的垂直度和中心偏差，并作必要的調(diào)整以滿足設(shè)計要求，然后將其與基礎(chǔ)用地腳螺栓緊固。沿塔體壁內(nèi)外塔設(shè)腳手架，再依次進行以上各段筒體的正裝（腳手架搭設(shè)隨筒體安裝同時進行）直至安裝完塔頂。

2.2 塔體組焊

塔體組對順序按照自下而上進行，分段塔體的組合依托現(xiàn)場臨時搭建的鋼平臺，分段組合進行前，在其上下端口以內(nèi)50 mm 處，每隔45°設(shè)置加固撐板，并幅向加設(shè)對稱支撐，為了防止吊裝時筒體變形，臨時吊耳焊于上口支撐板處。各段均須對上下口部母材坡口進行清理，在上下端口外側(cè)標明圓周0°、90°、180°、270°角度線，筒體環(huán)縫組對時以劃線為基準進行環(huán)向調(diào)整。

2 000 mm、 1 400 mm、 1 200 mm 三段塔體組對過程為：立式吊裝 2 000 mm 塔段，按照規(guī)定的角度將其座落于基礎(chǔ)上，緊固地腳螺栓、螺母，緊固時分120°同時進行，緊固次數(shù)應(yīng)至少達到3 遍；然后立式吊裝 1 400mm 塔段，使其座落于 2 000 mm 塔段上口部，依據(jù)上下端口外側(cè)標明圓周0°、90°、180°、270°線，以此為基準進行環(huán)向調(diào)整，點焊固定，要求錯邊量≤1 mm，按照焊接工藝對Q345R 基層焊縫施焊成型，TA2 復(fù)層組對、焊接工作暫不進行；重復(fù)以上步驟，吊裝 1 200 mm 塔段，座落于 2 000 mm 段塔體上口部，TA2 復(fù)層組對、焊接工作暫不進行。

3 焊接

由于鋼與鈦兩種材料不具有互熔性，因此，鈦-鋼復(fù)合板焊接時需將鋼焊接與鈦焊接分開進行，尤為重要的是，鋼材料焊接時熔池內(nèi)及其周圍不能存在鈦材料，同理，鈦材料焊接時熔池內(nèi)及其周圍也不能有鋼材料存在，如果鋼焊縫中混入鈦，則會出現(xiàn)焊縫夾渣等焊接缺陷，導致焊縫射線（RT）探傷不合格，需對焊縫進行返修。鈦焊縫中混入鋼，鈦焊縫的抗腐蝕性能會急劇下降，設(shè)備服役之后短時間內(nèi)會發(fā)生嚴重腐蝕，腐蝕性介質(zhì)會穿過鈦層直接腐蝕鋼層，造成重大安全隱患。該設(shè)備復(fù)合板對接采用結(jié)構(gòu)如圖2 所示，并將對接母材邊緣的復(fù)層剔除，避免鈦混入鋼的情況。

鈦復(fù)層的作用是將介質(zhì)與鋼層隔離，防止介質(zhì)與鋼層直接接觸，需在鋼焊縫背面設(shè)置一層蓋板，將蓋板與復(fù)合板復(fù)層焊接，因復(fù)層會直接承受介質(zhì)壓力，之前因鋼層焊接需要被剔除的復(fù)層部分不能空缺，否則蓋板會處于懸空狀態(tài)，介質(zhì)形成的壓力會將蓋板或蓋板與復(fù)層的焊縫壓裂，因此需要在蓋板下方設(shè)置墊板，如圖2 所示。

圖2 復(fù)合板對接結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 鋼基層焊接

塔體鋼基層材料為Q345R，厚度分別為12 mm、14 mm 或16 mm，均采用單面V 型坡口。埋弧焊具有效率高、焊接缺陷少等優(yōu)點，因此可以優(yōu)先采用埋弧焊，但埋弧焊電大，熱輸入量大，第一道焊接時如果直接采用埋弧焊，V 型坡口的底邊薄，較大的熱輸入量會造成底邊較大范圍被熔化，而此時熔池下方?jīng)]有一定厚度的母材支撐，會造成熔池因重力作用下漏，不僅會造成焊接失效，還會使母材損壞，因此，本次焊接采用了氬弧焊打底+手工電弧焊填充+埋弧焊蓋面的方案，焊接參數(shù)可見表2。

表2 鋼基層焊接參數(shù)

3.2 鈦復(fù)層焊接

復(fù)合板設(shè)備復(fù)層主要作用是抵御介質(zhì)腐蝕，鈦是一種活潑材料，在無保護狀態(tài)下，300 ℃以上開始吸氧，700 ℃以上吸氮，尤其在高溫熔融狀態(tài)下，與氧、氮、氫發(fā)生化學反應(yīng)較快，從而降低了材料的耐蝕性、韌性和塑性，且對焊接時母材、填充材料、焊槍或焊接環(huán)境等清潔度要求較高，雜質(zhì)也會使材料的耐蝕性和韌性和塑性降低，鈦焊縫一旦發(fā)生氧化，其耐蝕性會迅速下降，介質(zhì)會在短時間內(nèi)腐蝕焊縫和熱影響區(qū)，因此鈦焊接對焊接保護和母材、填充材料、焊槍和焊接環(huán)境的清潔性要求很高。

該設(shè)備TA2 復(fù)層焊接采用了嚴格的焊接方案，首先，應(yīng)做好焊接前的清潔工作，對焊縫兩邊15 ～20 mm 范圍內(nèi)的母材用專用清潔布蘸無水乙醇進行擦拭，擦拭完畢后用20 mm 寬的焊接專用紙膠帶粘封，防止異物和灰塵進入，同時也應(yīng)采用無水乙醇對焊絲進行擦拭。焊接保護也是鈦材料焊接時重要的環(huán)節(jié)，槍氣和保護罩可以實現(xiàn)焊縫的正面保護，但無法對焊縫背面進行惰性氣體保護，背面保護可以采用從檢漏嘴通入氬氣的方法來實現(xiàn)，焊接過程中應(yīng)根據(jù)焊縫的保護效果及時進行調(diào)整，必要時應(yīng)增加保護罩。焊接方法采用GTAW，焊接電壓、電流、焊絲直徑、槍氣流量、焊接速度應(yīng)嚴格按照焊接工藝的參數(shù)要求，參數(shù)具體可見表3。焊接后應(yīng)對焊縫的原始顏色進行檢驗，銀白色、金黃色、藍色、灰色依次代表焊縫保護質(zhì)量的高低，且不允許出現(xiàn)藍色和灰色。

表3 鈦復(fù)層焊接參數(shù)

4 質(zhì)量控制

4.1 錯邊量、直線度

筒體的縱焊縫、筒節(jié)間環(huán)縫對接的錯邊量不應(yīng)大于1.5 mm，任意3 000 mm 長圓筒直線度不得大于3 mm，塔體總直線度公差不應(yīng)超過32 mm。

4.2 焊縫的NDE檢測

鋼基層A、B 類環(huán)縫應(yīng)進行100%RT 檢測，以NB/T 47013.2—2015 標準要求的Ⅱ級合格；TA2 復(fù)層貼條的角焊縫進行100%滲透（PT）檢測，以NB/T 47013.5—2015 標準要求的Ⅰ級為合格。TA2 復(fù)層貼條、蓋板的角焊縫經(jīng)PT 檢測合格后，從檢漏嘴通入0.1 MPa 壓縮氣體，對焊縫進行肥皂水檢漏，以保證焊縫的密封性。

4.3 壓力試驗及氣密性試驗

在塔體焊接和相關(guān)件安裝完成后進行壓力試驗，所有管口用臨時墊片、盲板封閉，試驗介質(zhì)為干凈自來水，由于施工季節(jié)為夏季，壓力試驗溫度應(yīng)滿足GB 150—2011《壓力容器》標準要求不低于5 ℃的規(guī)定。在升壓和保壓過程中，對所有焊接接頭進行檢查，確保容器無滲漏、無可見變形和無異響。壓力試驗結(jié)束后，用壓縮空氣將容器內(nèi)吹干，不得遺留水漬。為了保證濃縮塔整體密封的可靠性，水壓試驗合格后進行氣密性試驗，壓力為0.1 MPa，檢查所有焊接接頭及密封面是否泄漏。

4.4 涂漆

由于塔節(jié)制造完畢到現(xiàn)場安裝的時間較長，裸露的碳鋼表面會生銹，因此出廠前單段塔節(jié)已經(jīng)完成涂漆，由于吊裝、支撐、組對和焊接等原因，塔節(jié)對接處和其他劃傷部位需要涂漆，設(shè)備涂漆分為底漆、中間層、面漆三層，每層漆的品牌、顏色、漆膜厚度、表面質(zhì)量等執(zhí)行設(shè)備技術(shù)協(xié)議規(guī)定，與其他部位保持一致。

5 結(jié)論