大型鈦－鋼復合板塔器制造工藝研究

武曉偉 肖昌輝 張恩遠

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司）

大型鈦－鋼復合板塔器制造工藝研究

武曉偉*1，2肖昌輝1，2張恩遠1，2

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司）

介紹了鈦－鋼復合板塔器的制造工藝，包括關鍵零部件的制造、鈦－鋼復合板的焊接、焊縫質量檢驗、熱態循環試驗和陽極化處理等，對鈦－鋼復合板類似設備的制造、檢驗具有一定的參考意義。

鈦－鋼復合板 塔器 熱態循環試驗 陽極化處理 焊接 安裝

鈦和鈦合金作為結構材料有許多特點，包括密度小，抗拉強度高，比強度大，在氧化性、中性及有氯離子的介質中耐腐蝕性能均優于不銹鋼。鈦和鈦合金還具有塑性、韌性好，線膨脹系數和熱導率較小，焊接性良好，易于成形等優點，近年來已在石油化工、冶金、造紙、海洋工程等領域廣泛應用[1]。

鈦－鋼復合板容器是用鈦作襯里的耐蝕壓力容器。由于鈦材本身的焊接有一定的難度，再加上鈦材與鋼材線膨脹系數不同，因此鈦－鋼復合板的焊接具有很強的特殊性，對焊接的要求更為復雜和嚴格。此外，鈦－鋼復合板塔器組裝完成之后，還要進行陽極化處理和熱態循環試驗，這些技術目前在國內只有少數幾家企業具備相關的制造經驗和成熟的工藝。

1 塔器制造工藝

該鈦－鋼復合板塔器的主體材料為TA2+Q345R復合板，塔體直徑為DN3400 mm，設計高度為50 m，設計質量約為90 t。根據現場實際情況及運輸條件限制，塔體分兩段制造和發貨運輸，到現場再進行組裝。本文重點介紹塔體的焊接、探傷、熱處理、陽極化處理和熱態循環試驗等制造過程中的關鍵環節。

1.1 鈦－鋼復合板的焊接

鈦及鈦合金具有良好的可焊性，但是鈦及鈦合金設備在整個裝配、焊接過程中極易受到污染[2]，因此在塔的整個制造過程中必須嚴格按照以下要求進行焊接。

1.1.1 清潔度的要求

（1）場地的要求

鈦材放置場地和鈦材焊接場地最好安排在單獨劃分的區域，非專業人員不得進入，每天按時拖地以保證地面清潔；所有放置鈦材的地面應鋪墊膠皮，防止鈦材表面劃傷；鈦材表面罩上塑料布，每次材料取用完畢應用塑料布蓋好，防止污染。

（2）鉚焊工要求

所有鉚焊工在塔器制造過程中應穿干凈的工作服，戴干凈的棉手套或焊工牛皮手套，手套被油污污染后，馬上更換。所有進入施工場地的人員，必須穿干凈的鞋套。班組至少備3套鞋套，確保每次施工時鞋套干凈。

（3）鈦材吊裝工具要求

若鈦材需要吊裝，應對卡具接觸鈦材的表面采用膠皮保護，使卡具不直接接觸鈦表面，同時還要保證吊裝的安全性。

（4）裝配焊接前要求

所有鈦填條（墊板）組對焊接之前，應對鈦覆層表面焊縫兩側100 mm范圍內用氧化鋁百葉輪拋光，并用丙酮擦洗干凈，確保在裝配墊板及蓋板前焊縫兩側表面清潔。清理過的焊縫超過0.5 h未焊完的，需重新拋光后再焊接。注意必須用氧化鋁百葉輪，嚴禁用不銹鋼拋光輪，尤其不能使用拋光過碳鋼的拋光輪進行操作。所有鈦材包括填條（墊板）、蓋板、復蓋板、焊材等裝配焊接之前，必須用丙酮將表面的油污雜質清洗干凈，并晾干后使用[2]。

（5）裝配過程中的要求

鉚工在所有鈦墊板裝配之前，一定要用壓縮空氣將焊接坡口吹干凈才能進行安裝；所有焊工必須持有鈦焊接焊工證進行操作，鉚工不得私自點焊；點焊的焊接工藝應與評定合格的正式焊接工藝相同，而且最后應使定位焊縫熔入永久焊縫中；鉚工在裝配蓋板時，要求蓋板與覆層內表面貼合嚴實，要保證間隙≤0.3 mm；貼合檢驗合格后，使用紙膠帶將每條焊縫全部密封黏合，后續焊接時邊焊邊揭；在焊接過程中，如果發現蓋板和覆層的間隙變大，則應用銅錘（或鋁錘、或包橡膠皮鐵錘）輕敲鈦蓋板，以保證蓋板和覆層的緊密貼合。

1.1.2 裝配間隙的要求

鈦填條（墊板）下料時一定要根據縱縫內側的坡口寬度進行下料，避免墊板與覆層之間熔焊時熔到基層焊縫中；填條裝配之前一定要用砂輪機對所有殼體內側基層焊縫進行打磨，直至與基層內表面齊平。裝配蓋板時，要求蓋板與覆層內表面貼合嚴實，要求間隙≤0.3 mm。

鈦襯管、鈦襯環以及鈦蓋板與接管、法蘭點裝時應緊密貼合，要求間隙≤0.3 mm，并按零件圖中的先后順序進行焊接、熱處理等過程。

1.1.3 焊接過程的要求

（1）鈦－鋼復合板縱縫、環縫組焊流程應嚴格按照作業標準書執行。

（2）每道焊縫實行責任制，焊工須經培訓驗證合格后上崗，對驗證不符合要求的絕不允許施焊。

（3）制作合適的縱縫、環縫以及角縫的正面保護工裝，同時還需在背面檢漏孔通氬氣進行保護。

（4）施焊前先確認焊縫是否已打磨，是否露出金屬光澤，若發現存在氧化后的發烏情況，應用氧化鋁拋光輪先行打磨待焊接區。同時檢查施焊位置是否存在灰塵等污物，如有污物則需用壓縮空氣吹掃后再施焊。對本次未焊完的焊接區域，應確保紙膠帶繼續覆蓋完好。

（5）氬弧焊焊接時盡量不要左右擺動，并且鎢極不能碰到焊縫金屬，如碰到則應去除焊縫中夾鎢點，并修磨鎢極尖端后再繼續焊接。

（6）所有角縫焊接時分兩遍施焊，第一遍加絲快速焊，第二遍再焊滿坡口。所有角焊縫要飽滿，如圖1（c）所示，或至少要焊接到圖1（b）所示的狀態，不能像圖1（a）。

圖1 角焊縫飽滿度

（7）在保證充分熔合的情況下，選用最低的線能量進行焊接。由于鈦熔點高，導熱性差（只有鐵的1/4），且比熱容小，因此過熱區高溫停留時間長（比碳鋼長2.5～3倍），冷卻緩慢，致使過熱區會出現顯著的粗大晶粒以及過燒現象，這種粗大晶粒的存在會導致過熱區的塑性下降。但是線能量也不能太小，否則也會使塑性降低。

（8）為保證銀釬焊部位焊接完成之后的強度及密封性能，需要在銀釬焊完成之后用專用膠將該部位再黏合一遍。

1.2 焊縫質量檢驗

為了保證焊縫質量，筒體的基層焊完之后按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測——第2部分：射線檢測》要求對基層焊縫進行100%射線檢測（RT），Ⅱ級為合格。

覆層焊完之后，首先進行外觀檢查。通過外觀檢查可發現的缺陷有：表面氣孔、夾渣、焊穿、咬邊、裂紋及其類似的表面缺陷。檢查時配強光手電，沿焊縫兩面進行檢查。外觀不合格的必須立即用電磨頭將該部位修磨好，然后再用氬弧焊焊滿。每焊一道焊縫，都需要進行焊接接頭的表面顏色檢查。根據焊接部位的表面顏色，可以判斷焊接的質量，尤其是惰性氣體的保護效果。如有焊縫呈藍色，必須用電磨頭將其去除再補焊。

著色探傷是檢查焊縫表面缺陷的有效手段，可用于顯示肉眼難以察覺的表面缺陷。每條焊縫焊完以后，按NB/T 47013.5—2015進行100%PT檢測，Ⅰ級為合格。

氣密試驗：著色探傷之后將0.03 MPa的空氣充入檢驗孔中，用肥皂水檢驗焊縫的密封性能。氨檢漏：每道焊縫焊接完成后（尤其是縱縫），逐條進行氨檢漏，確認是否存在泄漏點，同時對銀釬焊未封死的位置進行補焊處理。之后在每個獨立區域充入0.07 MPa氦氣，用質譜儀檢測鈦焊縫是否泄漏。在檢驗期間，必須保證排氣良好，以防止氦氣積累。檢測儀器的靈敏度為10-7Pa·m3/s。如果發現泄漏或缺陷，立即進行修補，然后再進行氦檢漏。

通過上述多種檢測手段的配合，最終保證了產品的焊縫質量。

1.3 熱態循環試驗

鈦和鋼的線膨脹系數相差較大，鈦－鋼復合板設備一旦處于某些極端工況，就會因為溫差變大導致鈦覆層處于受拉應力狀態，若鈦焊縫質量存在問題，就會造成焊縫開裂，甚至發生滲漏。

熱態循環試驗就是在設備內部通入蒸汽，模擬操作過程的溫度變化。其中模擬操作過程中可能出現的極端工況，可以充分檢測鈦焊縫的焊接質量。該方法試驗周期短、成本較低，但試驗過程復雜、較危險。塔體由于其尺寸限制，只能在戶外進行熱態試驗。塔體外部敷設保溫層，考慮試驗時塔體對流和輻射傳熱兩部分的熱量損失，確定鍋爐的熱負荷。圖2是熱態循環試驗溫度和壓力循環過程圖。

圖2 熱態循環試驗溫度和壓力循環圖

熱態循環試驗完成后，按照上述氦檢漏的方案再次進行氦檢漏，同時內部對焊縫表面進行PT檢測，若發現泄漏必須修補好之后重新進行氦檢漏。

1.4 陽極化處理

鈦－鋼復合板的陽極化處理是以鈦材作為陽極，鋼材作為陰極，在電解質中通入直流電使鈦材預先鈍化，在表面形成附著力強的、致密的惰性氧化膜，從而使鈦覆層的耐腐蝕性能得到極大提高。

通過以往的制造檢驗經驗，解決了電源選擇、電解質溶液的制備、處理裝置的準備及絕緣等問題，最終順利完成整個鈦－鋼復合板塔器內部所有鈦覆層的陽極化處理。最終效果：陽極氧化膜層呈深藍色，連續、均勻、緊密結合在鈦覆層上。

2 結論

（1）鈦－鋼復合板裝配、焊接的關鍵點，一是保證清潔度，二是過程保護。只有認真做好這兩方面的工作，再配合后期各種檢測手段，才能有效保證焊縫的質量。

（2）鈦－鋼復合板塔器的制造要從材料質量控制、板材下料、封頭和筒體的成形控制、裝配和焊接質量控制、焊縫檢測和返修、酸洗和包裝控制等方面來聯合進行。

（3）熱態循環試驗是對鈦焊縫質量的最終驗證，陽極化處理能夠提高鈦覆層的耐腐蝕性能。

[1] 任世宏，李巍，王迎君.鈦復合板容器設備的制造 [J].電焊機，2003，33（12）：39-43.

[2] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊 [M].北京：機械工業出版社，2005.

Research on the Manufacturing Process of the Large Titanium-Steel Clad Plate Tower

Wu XiaoweiXiao ChanghuiZhang Enyuan

The whole manufacturing process of titanium-steel clad plate tower is introduced，including parts manufacturing,welding of titanium-steel clad plate,welding quality test,thermal cycle test,anodic treatment,and etc,which has a certain guiding significance for the manufacture and inspection of titaniumsteel clad plate tower.

Titanium-steel clad plate;Tower;Thermal cycle test;Anodic treatment;Welding;Install

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.016

2016-12-02）

*武曉偉，男，1988年生，碩士，工程師。洛陽市，471000。