鈦碳鋼復合蒸發器的設計制造技術

王 建 徐 翔

（江蘇和誠制藥設備制造有限公司，靖江 214500）

當今化工行業高速發展，產生了大量的高含鹽廢水，由于這些廢水成分復雜，含鹽量高，傳統處理技術很難達到滿意效果。對于廢水深度處理過程產生的高含鹽污水，可以通過蒸發結晶技術實現液體零排放[1]。因此，蒸發法成為現在高含鹽廢水處理技術的一種重要方法。蒸發裝置一般包含蒸發器、分離器、流體機械、儀表閥門及控制系統等。針對廢水處理的特殊性，蒸發器的材質選取應當結合設備操作溫度、壓力以及物料腐蝕性等指標進行綜合考慮[2]。鈦材料具有很好的比強度、特殊的抗腐蝕性能以及良好的綜合工藝性能，在抗腐工況下，鈦制設備得到廣泛應用[3]。純鈦設備造價高，投資大，但在真空或負壓工況下，鈦鋼復合材料設計參數選擇范圍非常廣，具有造價低、性價比高等優點。高含鹽廢水蒸發處理中蒸發器的材料為鈦與碳鋼復合材料，因此需要從材料選擇、設計制造控制、過程檢驗等方面進行探討和分析，供鈦碳鋼復合材料設計制造者參考。

1 材料控制

蒸發器的材料選擇是設計過程的重要組成部分，材料選擇不當會對設備運行帶來隱患。蒸發器的材料包括板材、管材、法蘭及其他零部件，需認真考慮和選用。

1.1 板材材料的選用

鈦碳鋼復合板材是將鈦材和碳鋼通過爆炸成形結合一體，碳鋼為基層，鈦材為覆層。對于基層碳鋼材料除符合《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB713-2014）的規定外，還應以正火狀態交貨，不允許拼焊。所有基層碳鋼板應按《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T47013.3-2015）的要求逐張進行超聲檢測，合格以后才能與覆層進行爆炸復合。蒸發器材料的覆層一般采用TA2材料，材料應符合《三維編織物及其樹脂基復合材料彎曲性能試驗方法》（GB/T33621-2007）的規定，交貨狀態為退火。覆層鈦材允許拼焊，拼接焊縫應按《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T47013.3-2015）的要求逐張進行100%射線檢測。鈦碳鋼復合板整體應退火、校平、剪切及覆層表面去除氧化皮后交貨[4]。覆層表面不得有裂紋、夾雜、結疤等缺陷。復合板還應經超聲100%掃查檢測，達到《壓力容器用爆炸焊接復合板第3部分：鈦-鋼復合板》（NB/T47002.3-2009）中B1級要求。復合板的力學性能、彎曲性能、尺寸偏差等應符合該標準的要求規定。

1.2 管材材料的選用

鈦碳鋼復合蒸發器的接管通常采用鈦無縫鋼管，也可采用鋼鍛件內壁襯鈦。由于蒸發器內物料的腐蝕性，襯鈦質量的優劣直接影響設備的運行。鈦接管應按《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》（GB/T3625-2007）選取，也可以按《鈦及鈦合金無縫管》（GB/T3624-2010）選用，但應當對管材進行無損檢測和水壓試驗。內壁襯鈦的材料厚度為3mm，還需進行外壓穩定性校核，確保襯鈦厚度滿足要求。

1.3 其他材料的選用

對于法蘭連接件，一般采用鋼鍛件襯鈦，也可以采用鈦法蘭件。棒材按《鈦及鈦合金棒材》（GB/T2965-2007）選取，供貨狀態為退火。

焊接材料應滿足《鈦及鈦合金焊絲和填充絲》（NB/T47018.7-2011）的要求，嚴格控制氧、碳、氮、氫等元素的含量。焊絲選用的要求是在正常焊接的工藝下，焊縫在焊接后抗拉強度不低于母材退火狀態標準的下限，耐腐蝕性能和塑性不低于退火狀態下的母材，焊接性良好并滿足制造和使用的要求[4]。焊接使用的氬氣需按《氬》（GB/T4842-2017）要求，純度不得低于99.99%。

2 設計及制造控制

2.1 設備強度的設計

在鈦碳鋼復合板設備的壁厚設計中，覆材厚度是作為防腐蝕而設計的，因此不考慮覆材的強度，而碳鋼基材厚度選取則需要考慮設備的強度要求。鈦碳鋼復合板供貨時，覆材厚度允許偏差為覆材公稱厚度的±10%，且不大于±1.0mm，基材厚度允許偏差為基材標準偏差值和正負偏差值各減0.5mm[5]。鈦碳鋼復合板總厚度允許偏差為覆材允許偏差與基材允許偏差之和。因此，鈦碳鋼復合板設計時需考慮到材料加工引起的偏差，避免選材厚度達不到設計的要求。

在對鈦碳鋼復合板封頭進行強度計算時只需考慮基材的厚度，在驗收時可進一步確定基材厚度值，并將封頭成形后的基材厚度不小于圖紙標注的基材厚度作為一項驗收標準。在設計制造時，設計和制造單位應考慮在封頭加工成形過程中存在的厚度減薄率問題，且封頭成形厚度減薄率和封頭形式、公稱直徑、鋼材厚度相關聯，因此這個減薄率是不容忽視的。

鈦材設計所涉及的焊接接頭系數的選取不同于其他金屬容器，雙面焊對接接頭或雙面焊的全焊對接接頭的焊接接頭系數只可取0.95，不能選取1.0。

2.2 設備焊縫結構的設計與制造

鈦碳鋼復合板基層和覆層材料的力學、化學、物理和工藝性都存在較大的差異。鈦的熔點高，導熱系數小，鈦和碳鋼焊接相互熔合時易形成硬而脆的FeTi金屬化合物，使得焊接部位的塑性和韌性降低，且冷卻時容易產生裂紋，降低覆材的耐腐蝕性和基材的強度。為避免這種現象發生，需對覆材和基材分別焊接，還需要做好保護工作。

鈦覆材的焊接比較復雜且焊材價格昂貴，焊接需小電流、低線能量的輸入，所以焊接接頭設計時應選用焊接變形小、結構應力低、坡口表面易清洗、填充金屬少，在保證焊接質量的同時也要便于加工操作。根據組對位置的不同，鈦碳鋼復合蒸發器的焊接有以下三種形式。

2.2.1 殼體焊接接頭

殼體的對接接頭結構分為A、B類對接接頭和T形焊接接頭，兩種形式的焊接接頭需分別進行設計要求。A、B類對接接頭在焊接基層時，先采用機械方法去除焊接接頭兩側10mm的鈦復合層，以防止基層金屬熔焊到覆層中，同時也可以防止鈦覆層因溫度過高發生氧化。先將基層焊接完畢，基層焊縫背面磨平并經檢測合格后，放置一塊鈦墊板，鈦墊板與鈦覆層間斷點固。然后在鈦墊板上覆蓋一層鈦蓋板，鈦蓋板和鈦覆層之間進行角焊縫連續焊接。為了檢驗角焊縫的焊接質量一般在基層焊縫鉆一個6mm的圓檢漏孔。T形焊接接頭采用一個單獨帶有圓弧角的T形蓋板，為了保證焊接時焊縫背面金屬提供足夠的氬氣，需對蓋板與覆層之間的焊接接頭進行檢漏，每條縱向接頭的焊層上至少鉆兩個6mm的圓檢漏孔，且位置盡量靠近兩端環向焊接接頭。為了能夠及時檢測發生泄漏的覆層部位，T形蓋板下面的墊板與另一筒節縱向焊接接頭連接的襯板接口處應用釬焊密封。

2.2.2 接管與殼體焊接接頭

鈦碳鋼復合蒸發器的接管采用無縫碳鋼管或碳鋼鍛管內襯鈦層，接管根部附近的鈦襯里應搭接在殼體的覆層鈦之上，搭接長度為80mm。在接管焊接接頭附近殼體復合處，用合適的鈦墊板填充完整以保證鈦墊板的表面與覆層鈦材的表面相互齊平。在基層上的高低點分別鉆兩個6mm的圓檢漏孔以便檢驗焊縫的焊接質量。鋼管的內表面必須打磨平滑并去除表面的氧化皮、油污及其他附著物，使其表面干凈光潔，鈦襯里成型應整體加工且與鋼管內部緊貼，襯里成型時可使用套合法或機械脹緊法，但不得進行強力組裝。為了減少連接處焊接接頭的最大應力，保證交接處有足夠的撓性，接管襯鈦及殼體襯鈦的連接結構應經計算選取[6]。

2.2.3 接管與法蘭焊接接頭

接管法蘭通常采用碳鋼法蘭襯鈦的方法。螺栓緊固載荷及相連管道載荷由碳鋼法蘭承受，鈦材層僅作為密封面。在鈦層密封面上均勻設置一定數量的鈦制沉頭螺釘與碳鋼法蘭連接，鈦制沉頭螺釘與密封面之間用氬弧焊密封之后進行機械加工，滿足密封要求。

3 過程檢驗控制

制造加工的過程是產品質量和安全保證的重要環節。鈦材的加工制造應在獨立區域內進行，焊接需要空氣潔凈、無塵、無煙的環境。鈦材焊縫和熱影響區的宏觀檢查用10倍放大鏡進行100%檢查，表面不應有裂紋、未熔合等缺陷，焊縫外也不應有打弧點。在焊接完工后對所有原始狀態的鈦焊縫表面顏色進行檢驗，判斷是否合格。

根據蒸發器的材料、結構特點以及實際應用情況，確定合理的無損檢測方法、比例及合格標準與級別。首先利用射線檢測方法對焊接完成后的基材A、B類焊接接頭進行檢測，發現超標缺陷及時返修。鈦材的焊接接頭射線檢測結果評定和質量分級不同于鋼制設備，應符合《承壓設備無損檢測》（NB/T47013.2-2015）要求[7]。檢測合格后，再對基材焊縫進行打磨處理。對于C、D類焊接接頭以及其他焊接接頭，根據焊接部位的重要程度以及設備的具體情況，確定焊接接頭的檢測方法和合格級別。在鈦復合板及接管內襯焊接完畢并去除其表面缺陷后，對所有鈦材的全部焊縫進行滲透檢驗并使用可靠的白顯影劑。

鈦碳鋼復合設備的耐壓試驗一般采用水壓試驗。基層焊接完成且無損檢測合格后進行初步水壓試驗。鈦覆層、鈦墊板及鈦蓋板焊接完成且滲透檢驗合格后進行泄漏檢測，用0.1MPa的空氣或氬氣從墊板或管襯背面的檢漏孔進入，用肥皂水對焊縫進行檢漏。泄漏檢測合格后按圖樣要求的方法進行最終水壓試驗，水壓試驗后，將水排盡，再用壓縮空氣將內部吹干。

4 結語

在鈦碳鋼復合蒸發器的設計制造中，有很多技術要點需要注意。設計人員應充分結合實際制造過程中的要求，在材料控制、設計制造控制及過程檢測控制等方面進行綜合考慮，確保鈦碳鋼復合蒸發器在設計使用年限內的安全可靠。