鉭制壓力容器的應用

張蒲根* 林金峰 王勝輝

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 前言

鉭具有熔點高、延展性好、熱導率大、化學穩定性好等優異性能，且鉭對切口不敏感，因而其主要腐蝕方式為均勻腐蝕，不易發生腐蝕疲勞和腐蝕破裂等局部腐蝕。正因為鉭具有以上優點，近年來越來越多被應用于特種化工領域，且以鉭襯里壓力容器為主。

1 鉭制容器的應用背景

金屬鉭是一種稀有金屬，其熔點高達2 996 ℃，一般只能通過電子束或真空電弧熔煉而成。金屬鉭的硬度較高，但具有較好的韌性和延展性，因此其高溫強度和加工性能良好；鉭在自然界的含量低，其熔煉能耗較高，因此成本昂貴，所以鉭一般使用在其他金屬難以替代的情況下，其主要用于強酸(鹽酸、硫酸及硝酸)、雙氧水、溴、氯及石油工業等生產過程，主要應用形式包括反應器、換熱器等壓力容器。鉭直接用于制造壓力容器耗資巨大且浪費資源,因而主要采用復合板襯里結構。為降低造價，在制造時，國外廠家使用鉭板或鉭，管厚度一般為0.4～1 mm。由于鉭材厚度較小，因此在實際使用中容易損壞。

目前我國壓力容器用鉭/鋼復合板暫無國家或行業標準，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》僅從安全角度考慮，規定了其使用狀態和最高設計溫度。

（1）規范2.2.5.6 條對材料進行了規定：鉭金屬用于壓力容器受壓元件時，應當在退火狀態下使用，鉭和鉭合金設計溫度不高于250℃。

（2）規范8.3.3 條對壓力容器定期檢驗進行了規定：襯里層的破損、腐蝕、裂紋、脫落，查看信號孔是否有介質流出痕跡；發現襯里層穿透性缺陷或者有可能引起壓力容器本體腐蝕的缺陷時，應當局部或者全面拆除襯里，查明本體的腐蝕狀況和其他缺陷。

在質量檢驗或驗收方面，邵峰[1]在制造6 臺鉭襯里反應釜的監督檢驗過程中，按照ASTM B898《活性及難熔金屬復合板規范》進行驗收，驗收內容主要包括以下幾方面：

（1）鉭金屬化學成分驗收標準為GB/T 3629—2017 《鉭及鉭合金板材、帶材和箔材》；

（2）基層金屬化學成分和力學性能驗收標準為GB 6654—1996 《壓力容器用鋼板》；

（3）覆層金屬與基層金屬界面剪切強度驗收標準根據ASTM B898 規定執行；

（4）界面結合率測定。根據ASTM A578《特殊用途的復合鋼板直束探傷法》的規定，按圖樣要求為B 級，單塊未結合區的最大尺寸不得超過75mm，整體界面結合率需大于97%。

目前國內壓力容器用鉭/鋼復合板暫無相關國家及行業標準，建議生產企業自行編制企業標準來保證產品質量。

2 鉭制容器的工藝要點

2.1 脹接和焊接

金屬鉭對雜質浸入敏感，因此對焊接環境要求較高。加熱到300 ℃以上時，空氣中的氫、氧、氮等氣體會與鉭發生劇烈反應，生成脆性化合物；此同時，鉭也會與硅、碳、硼反應，生成脆性化合物，使其塑性、韌性降低。因此，控制焊接環境是必須要考慮的因素。另外，由于溫度升高后鉭換熱管和管板的熱膨脹系數存在差異，容易引起脹接拉脫力降低，焊接時必須考慮保護焊接接頭背面的惰性氣體通道[2]。鉭材焊接場所應保持空氣潔凈，且無塵、無煙；焊工應保持衣著鞋帽清潔；鉭材焊接場所應劃分獨立區域，避免與鋼材作業的車間交叉作業。

2.2 內襯貼條及檢漏結構

鉭襯里制壓力容器應該考慮設置檢漏結構，該結構既可以檢驗焊接接頭的焊接質量，也可以用于檢驗容器運行期間襯里是否損傷。為了在檢漏過程中快速找到襯里損傷部位，建議將縱環縫上的檢漏通道隔開，在各通道上設置單獨的檢漏結構，較長的通道則應設置2 個以上的檢漏結構，并且將位置盡量朝重力下方設置，以便提高檢漏效率。在檢漏結構中，鋯與鉭具有相似的檢漏需求，可以參考NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》標準中的檢漏結構，如圖1 所示。

圖1 常見檢漏結構

由于鉭的熔點與鋼相差較大，因此鉭不能直接與鋼基層焊接。在施焊前，應將坡口兩側的鉭層打磨去除，待鋼基層焊接完成并打磨平齊后，采用合適的墊條材料來填充空缺部分。墊條主要用于機械支撐，其厚度應與鉭襯里層一致。邵峰[1]結合現場經驗指出：在鉭復合板釜體縱環縫處可采用鋯墊條（兩種金屬性能相近），其余采用鈦墊條。制造完成后，往檢漏結構內通入10%（體積分數）氨氣進行檢查，保壓時間為0.5 h，壓力為0.15 MPa。

2.3 壓制封頭

復合板封頭成型方法需要根據鉭材和基材來確定。當加熱到300 ℃以上時，空氣中的氫、氧、氮等氣體會與鉭發生劇烈反應，生成脆性化合物，因此長時間高溫加熱會對鉭襯里的強度造成極為不利的影響。如果壁厚較大，壓制溫度太低則會導致成型困難，因此選擇合適的加熱溫度和保溫時間非常重要[3]。

在沖壓前，應先清理磨具，避免其對鉭材表面造成機械損傷和污染。在封頭壓制過程中，可以采用涂覆專用高溫防氧化涂層的方法來隔絕空氣，有效避免鉭材和基材發生高溫氧化。

3 結論

隨著鉭制壓力容器使用數量逐年增加，該類設備的制造技術及檢驗需求也逐步提升。基于鉭的特殊物理化學性能，介紹了鉭襯里壓力容器目前的應用情況、相關法規標準以及工藝要點。襯里壓力容器主要工藝包括管板脹接及焊縫連接、內襯貼條及檢漏結構和壓制封頭，建議將縱環縫上的檢漏通道隔開，各通道應設置單獨的檢漏結構，較長的通道應設置2個以上檢漏結構，并且其位置應盡量沿重力方向往下，以便提高檢漏效率。目前國內壓力容器用鉭/鋼復合板暫無相關國家及行業標準，建議生產企業自行編制企業標準來保證產品質量。