鈦- 鋼復(fù)合板壓力容器改造工藝

張麗麗

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

某化工廠精間苯二甲酸（PIA）裝置原氧化反應(yīng)器（HR- 301）為鈦- 鋼復(fù)合板壓力容器，2019 年因生產(chǎn)工藝變動(dòng)需要對(duì)其進(jìn)行改造，改造的難點(diǎn)為新增兩個(gè)管口及改造后的氦檢測(cè)。改造后設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)5 萬t PIA。原氧化反應(yīng)器至2019 年已運(yùn)行約30 年，改造后用作第一結(jié)晶器（HD- 401）。

原氧化反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度為 300℃，工作溫度為（189±4）℃，設(shè)計(jì)壓力為3.5MPa，工作壓力為1.05M～1.25 MPa；改造后的第一結(jié)晶器設(shè)計(jì)溫度為215℃，工作溫度為177℃，設(shè)計(jì)壓力為1.65 MPa，工作壓力為0.7MPa。其使用壓力和溫度均有所降低。

原氧化反應(yīng)器高9004mm，內(nèi)徑2825mm，設(shè)備筒體壁厚（29＋2.1）mm。設(shè)備改造主要內(nèi)容為將原設(shè)備管口PC 和PD 的內(nèi)伸管C、D 接管去除，新增管口C1、D1，改造部分總質(zhì)量為150kg。新增管口分別作為主物料的進(jìn)口和出口，設(shè)備新增管口為改造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 改造工藝

1.1 設(shè)備基本情況

改造設(shè)備筒體為鈦－鋼復(fù)合板，其復(fù)合方法為爆炸法，新增接管和法蘭的基層和襯里層是分離的，只是達(dá)到了緊密貼合的程度。設(shè)備筒體和新增接管法蘭的基層材料均為Q345R，筒體復(fù)層和接管襯里層材質(zhì)為TA2（符合標(biāo)準(zhǔn)ASME SB265 Gr2 要求），Q345R 與TA2 的物理特性及焊接特性差別較大。

1.2 材料焊接性能

Q345R 為低合金熱軋鋼，其焊接性較好[1]，焊接過程中不易出現(xiàn)焊接裂紋等焊接缺陷，對(duì)各種焊接方法適應(yīng)性較好。焊條電弧焊和鎢極氣體保護(hù)焊的焊接工藝參數(shù)見表1。但由于新增接管的基層部分厚度達(dá)到70mm，所以必須采用焊前預(yù)熱的方法和焊后的后熱緩冷措施，避免出現(xiàn)焊接應(yīng)力裂紋。

表1 Q345R焊接工藝參數(shù)

工業(yè)純鈦的性能受雜質(zhì)影響很大，雜質(zhì)含量高則強(qiáng)度提高，而塑性急劇降低。鈦具有很高的活性，在高溫下與氧、氮、碳、氫等親合力很強(qiáng)，在300℃以上開始吸氫，在600℃以上大量吸收氧和氮。同時(shí)，F(xiàn)e 離子對(duì)工業(yè)純鈦的性能影響也非常大，這些雜質(zhì)元素主要來源于周圍環(huán)境及焊件、焊材表面雜質(zhì)[2]。所以，在設(shè)備開孔過程中，必須采取有效措施防止鈦復(fù)層被污染。

工業(yè)純鈦焊接時(shí)，加熱溫度過高會(huì)造成晶粒尺寸較大；冷卻速度過快，高溫β 相又易轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定的α 相，使塑性下降而變脆。為了使焊接接頭有良好的力學(xué)性能，還必須選擇合適的焊接規(guī)范，以使過熱傾向和淬硬傾向都相對(duì)小。綜合考慮，工業(yè)純鈦焊接選用鎢極氣體保護(hù)焊的焊接方法，工藝參數(shù)見表2。

表2 鈦管鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

2 改造施工

2.1 施工防護(hù)措施

改造設(shè)備材質(zhì)為鈦- 鋼復(fù)合板，鈦材易受污染而失去耐腐蝕特性，因此設(shè)備改造過程中需做好必要的防護(hù)。進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部施工時(shí)，確保人孔下方（設(shè)備外面）的區(qū)域潔凈，潔凈區(qū)域通過鋪設(shè)5m2橡膠板來實(shí)現(xiàn)；設(shè)備人孔采用橡膠板加以保護(hù)，防止損壞人孔和人孔法蘭表面；設(shè)備內(nèi)部搭設(shè)鋁合金腳手架，端部加橡膠套以避免腳手架和容器表面直接接觸；施工人員進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部需穿軟底鞋或套鞋，以避免夾帶其他金屬進(jìn)入容器，出來后必須馬上脫掉專用軟底鞋或套鞋；設(shè)備改造的管口以上1m 及以下部分鋪設(shè)橡膠板，橡膠板上層鋪設(shè)防火布，防止施工過程對(duì)鈦復(fù)合層產(chǎn)生損傷和切割或焊接飛濺污染復(fù)層[3]。

2.2 筒體開孔及坡口制備

首先在新增管口C1、D1 的位置進(jìn)行定位、劃線，檢查無誤后采用等離子切割的方法從鈦側(cè)進(jìn)行開孔。為了保證切割尺寸，為去除熱影響物質(zhì)預(yù)留足夠的裕量（不小于5mm）。切割完成后，采用砂輪片打磨的方法對(duì)基層進(jìn)行沿口打磨和坡口加工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的開孔尺寸和坡口形狀。為了減少基層Q345R 焊縫對(duì)鈦復(fù)層的影響，基層焊縫背面加一鈦墊環(huán)，所以需將原有的鈦復(fù)層剔除，剔除寬度32mm，復(fù)層剝離采用砂輪切割定位與硬質(zhì)合金工具剔除相結(jié)合的方法。

覆層表面機(jī)加工后，被加工覆層應(yīng)該進(jìn)行滲透檢測(cè)，并用同一探頭在成直角的兩個(gè)方向上100%超聲波檢測(cè)以確保沒有分離和表面缺陷；坡口打磨后要進(jìn)行100%PT 檢測(cè)，確認(rèn)坡口表面沒有缺陷。

2.3 焊接

2.3.1 基層焊縫焊接

首先進(jìn)行基層焊縫焊接。根據(jù)工藝分析，基層焊縫焊接前對(duì)基層坡口邊緣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱方法為火焰加熱，溫度為100℃。加熱時(shí)嚴(yán)格控制加熱區(qū)域和加熱溫度，防止鈦復(fù)合層產(chǎn)生氧化。焊接方法為GTAW+SMAW，底層焊接控制背面成形質(zhì)量，因此要盡量做到平齊。基層焊接時(shí)熱輸入量應(yīng)嚴(yán)格控制，以避免在鈦－鋼的界面上產(chǎn)生容易開裂的金屬化合物。焊后進(jìn)行后熱處理，方法為火焰加熱，溫度200℃×0.5h。基層焊縫焊接完成后對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行打磨，要求平整，無任何余高和凹陷；內(nèi)、外表面要進(jìn)行PT 檢測(cè)，檢測(cè)比例為100%。

2.3.2 鈦襯里層焊接

檢測(cè)無缺陷后，將鈦墊環(huán)1 和2 放入剝離處（見圖1），墊環(huán)寬30mm、厚3mm，墊環(huán)連側(cè)各留1mm 間隙；將鈦材接管松襯里插入基層法蘭，要求襯里與鋼制元件吻合貼實(shí)，貼實(shí)方法采用千斤頂頂襯里。

圖1 設(shè)備開孔、焊接示意圖

先后焊接鈦焊縫1 和鈦焊縫2，所有的鈦焊接采用鎢極氣體保護(hù)焊。在進(jìn)行任何鈦材的焊接前，應(yīng)對(duì)周圍空氣采用菲繞琳試驗(yàn)進(jìn)行無鐵離子污染檢測(cè)。由于鈦材有極易被高溫氧化（327℃以上即被氧化）的特性，焊接過程中需在焊縫的熔池、焊縫尾部使用氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣采用高純氬（純度99.999%以上）。為此，需要制作專用保護(hù)罩，保護(hù)罩主體為銅制，內(nèi)含不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行分配氣體[4]。

參加焊接的焊工需要戴上潔凈的手套，手套要清潔，時(shí)常更新。焊接前用丙酮清除坡口兩側(cè)75mm 范圍內(nèi)的水及污物，且在坡口50mm 周圍再次用酸洗膏酸洗處理，以降低污染可能性；處理完畢后，用絲綢布進(jìn)行擦拭（如用棉布容易在坡口上附著細(xì)微毛刺，導(dǎo)致焊縫長(zhǎng)生氣孔）；鈦焊縫焊接完成后，焊接銀釬焊焊縫。

3 焊接檢驗(yàn)

3.1 色澤和外觀檢查

在焊后未清理焊縫的情況下，進(jìn)行色澤和外觀檢查，發(fā)現(xiàn)任何下列缺陷，應(yīng)該進(jìn)行焊縫處理：

（1）焊縫呈現(xiàn)完全或接近完全藍(lán)色，或者呈現(xiàn)深色；（2）焊縫厚度小于圖紙規(guī)定的零件厚度；

（3）焊縫余高超過3mm 和母材厚度二者中的較小者；

（4）任何形式的咬邊；

（5）根部弧坑超過1.5mm 或25%接管壁厚或管口襯里厚度中的最小者；弧坑導(dǎo)致焊縫總體厚度小于板材厚度；

（6）焊根、中間焊道和最后焊道未焊透；

（7）任何尺寸的裂紋；

（8）允許存在的氣孔超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

連續(xù)角焊縫最終表面應(yīng)光滑，并且平滑過渡到相鄰的鈦復(fù)合層表面。角焊縫應(yīng)呈銀色或非常淺的金黃色。鈦復(fù)層如發(fā)生金屬污染或表面損壞或劃傷，應(yīng)使用不含鐵離子的氧化鋁或金剛砂砂紙打磨去除污染物。

3.2 無損檢測(cè)

焊接完成后，對(duì)鈦焊縫表面按NB/ T47013 進(jìn)行滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)為合格。著色劑著色時(shí)間不得少于2h，并于24h 后用清洗劑清洗，顯影選用色差強(qiáng)烈的白色顯影劑。

3.3 水壓試驗(yàn)

將設(shè)備口進(jìn)行封堵，封堵采用16mm 厚臨時(shí)盲板，墊片采用8mm 厚整圈橡膠板。試壓采用一級(jí)除鹽水，保證試壓泵及壓力表在檢驗(yàn)有效期內(nèi)。壓力試驗(yàn)過程中，如發(fā)現(xiàn)異常響聲、壓力下降、油漆脫落或加壓裝置故障時(shí)應(yīng)立即停止試驗(yàn)，查明原因后卸壓處理后再進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)備進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，水中的氯離子含量不超過25×10-6。設(shè)備充滿水后待設(shè)備壁溫與試驗(yàn)水溫大致相同時(shí)，緩慢升壓到試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min 不掉壓；然后將壓力降到設(shè)計(jì)壓力，保持足夠的時(shí)間，檢查無損壞、宏觀變形、泄漏及微量滲透為合格；水壓試驗(yàn)后，應(yīng)及時(shí)將水排凈，并用壓縮空氣或其他惰性氣體將設(shè)備內(nèi)壁吹干。

3.4 氦質(zhì)譜儀試驗(yàn)

為保證設(shè)備的嚴(yán)密性，設(shè)備水壓試驗(yàn)完成后進(jìn)行氦質(zhì)譜儀試驗(yàn)。首先將設(shè)備所有管口進(jìn)行封堵，封堵采用5mm 厚橡膠墊；將容器內(nèi)抽成真空（＜20Pa 絕壓），然后先送入氦氣，后送入氮?dú)猓詈笫箽鈮哼_(dá)到0.07MPa，氦氣與氮?dú)獗葹?∶7；氣壓保持30min 后檢查壓力表，表壓無下降后，在設(shè)備本體所有檢測(cè)孔（包括舊檢測(cè)孔和新增管口的檢測(cè)孔）將儀器報(bào)警值設(shè)置為氦氣泄漏量不小于10－6CC/ SEC；每個(gè)檢測(cè)孔檢測(cè)時(shí)間不小于1min，經(jīng)過檢驗(yàn)，實(shí)際檢測(cè)值均為8.03×10－7CC/ SEC，與大氣中氦氣含量相同，證明沒有氦氣泄露[5]。

4 結(jié)論

鈦－鋼復(fù)合板壓力容器進(jìn)行開孔、焊接接管改造需嚴(yán)格控制各工序質(zhì)量。開孔采用等離子方法從鈦復(fù)層一側(cè)進(jìn)行切割，切割留有足夠余量以去除氧化層和熱影響區(qū)。開孔邊緣必須采用機(jī)械方法對(duì)鈦復(fù)層進(jìn)行不小于30mm 寬度的剝離。焊接作業(yè)要先進(jìn)行基層焊縫焊接，并保證焊接過程對(duì)鈦復(fù)層不產(chǎn)生影響；復(fù)層焊接要嚴(yán)格控制焊材和焊件表面及空氣中雜質(zhì)元素的影響。焊接完成后，先后進(jìn)行色澤檢查、外觀成形檢查、無損檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)和氦質(zhì)譜儀試驗(yàn)，保證設(shè)備改造的質(zhì)量。