鈦- 鋼復合板壓力容器改造工藝

張麗麗

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

某化工廠精間苯二甲酸（PIA）裝置原氧化反應器（HR- 301）為鈦- 鋼復合板壓力容器，2019 年因生產工藝變動需要對其進行改造，改造的難點為新增兩個管口及改造后的氦檢測。改造后設計規模為年產5 萬t PIA。原氧化反應器至2019 年已運行約30 年，改造后用作第一結晶器（HD- 401）。

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

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

1 改造工藝

1.1 設備基本情況

改造設備筒體為鈦－鋼復合板，其復合方法為爆炸法，新增接管和法蘭的基層和襯里層是分離的，只是達到了緊密貼合的程度。設備筒體和新增接管法蘭的基層材料均為Q345R，筒體復層和接管襯里層材質為TA2（符合標準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焊接裂紋等焊接缺陷，對各種焊接方法適應性較好。焊條電弧焊和鎢極氣體保護焊的焊接工藝參數見表1。但由于新增接管的基層部分厚度達到70mm，所以必須采用焊前預熱的方法和焊后的后熱緩冷措施，避免出現焊接應力裂紋。

表1 Q345R焊接工藝參數

工業純鈦的性能受雜質影響很大，雜質含量高則強度提高，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，在300℃以上開始吸氫，在600℃以上大量吸收氧和氮。同時，Fe 離子對工業純鈦的性能影響也非常大，這些雜質元素主要來源于周圍環境及焊件、焊材表面雜質[2]。所以，在設備開孔過程中，必須采取有效措施防止鈦復層被污染。

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

表2 鈦管鎢極氬弧焊焊接工藝參數

2 改造施工

2.1 施工防護措施

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

2.2 筒體開孔及坡口制備

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

覆層表面機加工后，被加工覆層應該進行滲透檢測，并用同一探頭在成直角的兩個方向上100%超聲波檢測以確保沒有分離和表面缺陷；坡口打磨后要進行100%PT 檢測，確認坡口表面沒有缺陷。

2.3 焊接

2.3.1 基層焊縫焊接

首先進行基層焊縫焊接。根據工藝分析，基層焊縫焊接前對基層坡口邊緣進行預熱，預熱方法為火焰加熱，溫度為100℃。加熱時嚴格控制加熱區域和加熱溫度，防止鈦復合層產生氧化。焊接方法為GTAW+SMAW，底層焊接控制背面成形質量，因此要盡量做到平齊。基層焊接時熱輸入量應嚴格控制，以避免在鈦－鋼的界面上產生容易開裂的金屬化合物。焊后進行后熱處理，方法為火焰加熱，溫度200℃×0.5h。基層焊縫焊接完成后對其內表面進行打磨，要求平整，無任何余高和凹陷；內、外表面要進行PT 檢測，檢測比例為100%。

2.3.2 鈦襯里層焊接

檢測無缺陷后，將鈦墊環1 和2 放入剝離處（見圖1），墊環寬30mm、厚3mm，墊環連側各留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，貼實方法采用千斤頂頂襯里。

圖1 設備開孔、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焊。在進行任何鈦材的焊接前，應對周圍空氣采用菲繞琳試驗進行無鐵離子污染檢測。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行保護，氬氣采用高純氬（純度99.999%以上）。為此，需要制作專用保護罩，保護罩主體為銅制，內含不銹鋼絲網進行分配氣體[4]。

參加焊接的焊工需要戴上潔凈的手套，手套要清潔，時常更新。焊接前用丙酮清除坡口兩側75mm 范圍內的水及污物，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，用絲綢布進行擦拭（如用棉布容易在坡口上附著細微毛刺，導致焊縫長生氣孔）；鈦焊縫焊接完成后，焊接銀釬焊焊縫。

3 焊接檢驗

3.1 色澤和外觀檢查

在焊后未清理焊縫的情況下，進行色澤和外觀檢查，發現任何下列缺陷，應該進行焊縫處理：

（1）焊縫呈現完全或接近完全藍色，或者呈現深色；（2）焊縫厚度小于圖紙規定的零件厚度；

（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準規定。

連續角焊縫最終表面應光滑，并且平滑過渡到相鄰的鈦復合層表面。角焊縫應呈銀色或非常淺的金黃色。鈦復層如發生金屬污染或表面損壞或劃傷，應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

焊接完成后，對鈦焊縫表面按NB/ T47013 進行滲透檢測，Ⅰ級為合格。著色劑著色時間不得少于2h，并于24h 后用清洗劑清洗，顯影選用色差強烈的白色顯影劑。

3.3 水壓試驗

將設備口進行封堵，封堵采用16mm 厚臨時盲板，墊片采用8mm 厚整圈橡膠板。試壓采用一級除鹽水，保證試壓泵及壓力表在檢驗有效期內。壓力試驗過程中，如發現異常響聲、壓力下降、油漆脫落或加壓裝置故障時應立即停止試驗，查明原因后卸壓處理后再進行試驗。設備進行水壓試驗時，水中的氯離子含量不超過25×10-6。設備充滿水后待設備壁溫與試驗水溫大致相同時，緩慢升壓到試驗壓力，穩壓30min 不掉壓；然后將壓力降到設計壓力，保持足夠的時間，檢查無損壞、宏觀變形、泄漏及微量滲透為合格；水壓試驗后，應及時將水排凈，并用壓縮空氣或其他惰性氣體將設備內壁吹干。

3.4 氦質譜儀試驗

為保證設備的嚴密性，設備水壓試驗完成后進行氦質譜儀試驗。首先將設備所有管口進行封堵，封堵采用5mm 厚橡膠墊；將容器內抽成真空（＜20Pa 絕壓），然后先送入氦氣，后送入氮氣，最后使氣壓達到0.07MPa，氦氣與氮氣比為3∶7；氣壓保持30min 后檢查壓力表，表壓無下降后，在設備本體所有檢測孔（包括舊檢測孔和新增管口的檢測孔）將儀器報警值設置為氦氣泄漏量不小于10－6CC/ SEC；每個檢測孔檢測時間不小于1min，經過檢驗，實際檢測值均為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 結論

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