鋯—鋼復合板制壓力容器的結構設計

趙斌　張成

摘 要：21世紀以來，我國壓力容器設計和制作取得了突破性進展，出于經濟和資源效益兩方面的考慮，并在綜合了鋯和鋼雙方面的優點，我國提出鋯-鋼復合板制壓力容器的理念。從鋯的性質到對鋯-鋼復合板的制作以及對鋯-鋼復合板制壓力容器的結構設計做出了較為詳細的思考和分析。希望能夠為鋯-鋼復合板制壓力容器的使用提供一些建設性的意見和參考。

關鍵詞：鋯；鋯-鋼復合板；壓力容器；結構設計

中圖分類號： TQ053.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-176-2

0 引言

鋯作為21世紀以來發展較晚的金屬，并不為許多人所熟知。但是，隨著人們對鋯的認知不斷加深，鋯的應用范圍也越來越廣泛。不同于碳鋼、不銹鋼、鈦 、鎳合金，鋯具有強耐腐蝕性。但是，作為稀缺金屬，若單純的只使用鋯作為原料，資源的消耗太大，而且，經濟效益并不明顯。另外，碳鋼屬于成本較低的金屬，但是耐腐蝕性較差，并不適合制造耐蝕要求較高的壓力容器。但是，通過爆炸復合技術將鋯板和鋼板復合而成，結合雙方的優點，不僅能達到壓力容器特殊的強耐腐蝕性，而且大大降低了制造成本。平均成本能夠省去百分之九十以上，大概為純鋯的百分之五。使用鋯-鋼復合板制壓力容器的結構設計也能為節約鋯資源做出貢獻。鋯-鋼復合板制壓力容器作為鋯和鋼的復合材料，它在具備鋯的耐腐蝕性外，它還具有鋼的高彈性和高強度模量等優點。

1 鋯-鋼復合板鋯-鋼復合板的性質

鋯-鋼復合板爆炸的成型結合區一般是在基板和復板之間，存在于組織、成分和性能的過渡地帶。它具有金屬的塑性變形、擴散、融化和波形等顯著特征。過渡地帶一般在0.01～1.00毫米的范圍區間，它的組織和性能與復合工藝有關，也直接影響到基板和復板之間的結合程度和實用性。

1.1 鋯的特點和應用

鋯作為一種比較活潑的金屬很容易與其他的物質發生反應，尤其是氫、氮和氧氣，對氧氣的親和力很強，1000°C氧氣溶于鋯中能使鋯的體積發生顯著的變化，在鋯的表面會形成一層氧化膜，其外觀具有與鋼相似的光澤。鋯具有耐腐蝕性，在高溫時可以和很多金屬或非金屬發生反應，成為固溶體。另外，鋯的可塑性優于其他金屬，它可以被加工成板、絲等。在加熱時，鋯能吸收大量的氫、氧、氮等氣體，可用來制作貯氫材料。鋯的耐腐蝕性優于鈦，接近鉭和鈮。

鋯作為一種稀有金屬，具有驚人的抗腐蝕性。而且，它熔點和硬度極高。因為這種特性它被廣泛地應用于航空航天以及軍工、原子能等領域。可以說，他是21世紀最有發展前途的金屬。1.2 鋯-鋼復合板的應用

目前，爆炸復合技術是當代生產鋯-鋼復合板的唯一可靠技術。基于鋯-鋼復合板是在綜合了鋯和鋼雙方面的優點綜合利用起來的，平均價格僅為純鋯材料的百分之五到百分之六之間，因此，它被作為一種較為經濟實用的復合材料。對于專業制造廠而言，制造一臺純鋯容器，其估價的百分之七十是出自鋯材料的使用。剩下的百分百之三十才是加工費。如果容器的材料選用由純鋯改為鋯-鋼復合板，那么，大概可以省去一半以上的費用，容器的制造也能夠更突顯經濟效益和資源效益。

2 鋯-鋼復合板制壓力容器的設計

結合設計純鋯材料制壓力容器的實例，用來轉化說明鋯-鋼復合板制容器的結構設計。目前，最為普遍的是選取R60702制造化工類抗腐蝕設計，這樣才能最有效的保證復合板符合標準，這種將鋼和鋯復合在一起的技術被稱為三層復備。采用R60702制造鋯-鋼復合板的時候需要通過鈦過渡，因為鈦和鋯屬同族元素。在使用不同鋼板為材料時會有不同的情況出現。例如：采用中強度的鋼板為材料時，可以獲得較為優質的金性能相似，兩者在通過爆炸復合時也不會產生金屬化合物，復合的質量也相對較高。但是，當鋼板的強度增加時，或者厚度增加，那么，相對應的，在純鈦和鋼的復合工藝盡管已經相對成熟，甚至可以保證超過10mm，復合難度也會隨之增大。另外，鋯-鋼復合板的質量也不能得到保證。因此，高質量的鋯-鋼復合板通常采用在鋼板之間增加一層2.60mm的鈦層作為過渡層。與R60702相比，R60700具有更低的強度和更好的塑性。它可以直接與鋼復合，在不需要過渡層的情況下制成復合板。

2.1 鋯-鋼復合板制壓力容器的設計標準

目前，通常情況下鋯-鋼復合板制壓力容器的制造與檢驗不僅要符合相應設備的設計圖紙，技術文件要求和一般技術規定外還需要遵循一定的法規、規定、標準。至于相關的工程標準，如果存在，見于設備總裝配圖技術要求欄的說明。對于厚度的定義，應在圖紙上表示的基層壁的最小厚度。

2.2 釜體對焊結構

如圖2所示，是比較常見的兩種對接接頭結構，圖1 a是在本例中使用的結構，也是本文比較推崇的一種結構。這種結構，可供使用的壓力和溫度范圍廣，并且結構簡單易于制作。對于它的使用，它正在基板對接焊縫處采用X型坡口，另外，在與鋼板對接焊縫時，需要先將在距離焊口邊沿15毫米位置的鋯層完全去除掉。在完成焊接后，應采用鋯材料制作的墊條進行空缺部分的填充。并且，采用銀釬焊將鋯層與墊條焊接在一起，然后封上封條，與復層的鋯焊縫在一起。其中，墊條的作用是提高貼條后的機械支撐，從而抵擋來自內部介質的壓力。有時候，墊條也可以考慮使用鈦板或者銅板，這樣可以節省部分成本。圖1 b則是一些制作單位選用的結構，這種結構設計簡單，并且能夠大幅度減輕工作量，但是，因為貼條需要彎曲，產生應力。溫度高時還可能出現膨脹、產生裂紋的情況。從而導致容器被腐蝕。因此，這種結構通常在壓力和溫度不高的時候使用。

2.3 T型焊接接頭

釜體縱、環焊接接頭的接頭處采用圓弧狀轉角的蓋板。為了預防蓋板的焊接接頭出現紕漏和在進行焊接接頭時，便于背面通氬氣保護，每一條縱向的對接接頭的墊板或者釬焊層都必須鉆兩個以上6毫米的檢漏孔。另外，檢漏口的位置應盡量接近其兩端的環向焊接接口處。釜體縱、環焊接接頭連接的T型焊接接頭的結構如圖2所示。

3 結束語

鋯作為優質的金屬材料，相對其他金屬材料而言，價格昂貴。但是，采用可以避免純鋯當材料的大成本制作的鋯-鋼復合板制壓力容器，可以有效地降低制造成本，大大節約鋯資源。并且可以充分地利用鋯和鋼雙方的優點。可以說，采用鋯-鋼復合板制造壓力容器具備明顯的經濟效益和資源優勢。由于鋯和鋼特殊的金屬特性，它們不能直接進行熔化、焊接，而這也就決定了鋯-鋼復合板的制作設備的結構完全不同于不銹鋼或鎳合金復合板的制作設備。筆者通過一些實踐和例子就鋯-鋼復合板制壓力容器的結構設計作了分析和說明。

參 考 文 獻

[1] 孫萬倉，張成，賀旭明.鋯鋼復合板制備水解釜技術探討[J].金屬材料與冶金工程，2011（05）：56-59.

[2] 萬建春，鄭世平，王建，劉生海.鋯鋼復合板反應器的制造實踐[J].中國化工裝備，2011（06）：120-122.

[3] 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）：89-91.

[4] 汪雪濤，高振宇.鋯鋼復合板反應器制作技術[J].壓力容器，2012（07）：265-267.