鈦制壓力容器制造監檢要點

田小丹*

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院昆山分院）

某石化公司新建的燃料氣轉化裝置中需要1 臺氨汽緩沖罐，其物料包含NH3和水，還有微量H2S 和CO2，由于鈦合金具有優良的抗腐蝕能力、耐高溫性能，并且強度高，其比強度是不銹鋼的3 倍。所以業主選用鈦材制造該設備，其制造應滿足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》和JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》標準要求。設備的主要受壓元件材料為TA3，設計壓力為0.6 MPa，設計溫度為140 ℃，使用地的月平均最低氣溫為-16.1℃（鈦材許用溫度下限為-269 ℃，上限為300 ℃，完全滿足使用溫度要求）。

1 板材、管材要求

該容器要求板材和管材都使用TA3 牌號鈦材，設計規定鈦及鈦合金板標準為GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》；鈦及鈦合金管制造標準為GB/T 3624—2010《鈦及鈦合金無縫管》。材料供貨狀態要求退火（并不得采用俄羅斯鈦代用）以及無縫管應符合JB/T 4745—2002 建造標準要求。由于JB/T 4745—2002 標準執行時間較早，監檢人員可以建議設計單位增加一份使用材料標準最新版本的說明。

鈦板在材料入庫前，應根據GB/T 3621—2007 標準要求按批次進行化學成分、力學性能和工藝性能檢驗[1]。逐張對板材進行外觀質量和尺寸偏差檢驗，當其尺寸和外觀質量不合格時，該張板材不合格；當其化學成分不合格時，該批次產品不合格。從每批板材中任取2 張，每張各取2 個橫向試樣，分別對4 個試樣（如果只有1 張板材，則取2 個試樣）進行力學性能和工藝性能檢驗。若有1 個試樣不合格，則取雙倍數量試樣重復試驗該不合格項目，重復試驗若仍有1個試樣不合格，則該批次板材不合格。此時允許供方逐張重復檢驗不合格項目，合格的重新組批入庫。管材應按GB/T 3624—2010 標準進行類似檢驗[2]，合格后方可編號入庫。

2 加工要點

受壓元件須有材料標記，鈦材的耐腐蝕面不應用硬印作材料確認標記[3]，若其非耐蝕面用硬印打標識，工具應使用鈦合金或不銹鋼材質，同時該標識應由圓滑的點線構成，使其殘余應力盡可能小。鈦材容器制造場地應鋪設軟質地墊，避免損傷材料表面。無論是制造現場，還是切割、加工成型場地，都應經常清理氧化鐵皮或鐵屑等雜物，以免鈦材被鐵污染。

在鈦材上劃線時應盡量采用金屬鉛筆，一般不允許打沖眼。該設備板材和管材均選用TA3 牌號鈦材，但為了兼顧經濟性有些設備會選用復合板材料，此時鈦鋼復合板加工劃線應在基層鋼板上進行，以免污染鈦金屬，切割時為了防止分層，應注意將鋼基層朝下，從而避免鈦復合層變形過大。

封頭在壓制時應盡量采用熱成形，且應關注熱處理曲線溫度或是封頭合格證標示的始壓溫度，為了防止鈦材表面氧化，加熱溫度不應超過800 ℃。如果采用冷成形，在成形后應盡量采用100～350 ℃熱校形。

3 焊接要求

該設備要求使用鈰鎢電極的鎢極氬弧焊，坡口表面不得有裂紋、分層、夾雜等缺陷。施焊過程中鎢極碰到焊縫金屬應立即停焊，去除污染層，必要時可以修磨鎢極尖端后再焊。鈦的導熱性較差，其熔點為1 668 ℃，比鋼和許多其他金屬高，熔融狀態下會形成金屬中間化合物，導致焊接接頭脆化，所以鈦和鋼不僅不能熔焊，在鈦熔焊過程中嚴禁混入鋼鐵和其他金屬。同時鈦在高溫熔化情況下還原性極強，可與多種元素和化合物發生反應，所以施焊時所有焊縫正面和A 縫的背面應進行惰性氣體保護。

焊接作業人員需滿足鋁及鋁合金或鈦及鈦合金中某類別任一牌號材料鎢極氣體保護焊考試合格。焊接環境對焊接質量和接頭性能影響較大[4]，施焊時應處于無煙無塵的獨立環境。如果同車間里有鋼制設備作業，應采取隔斷措施保證鈦材施焊時不被鐵污染。

根據NB/T 47014—2011 標準規定，TA3 母材類別號為Ti-2。NB/T 47014—2011 標準規定，選用厚度為6 mm 母材焊制對接焊縫試件就可以覆蓋母材厚度≥1.5 mm 的不等厚對接焊縫焊件，同時材料標準無沖擊試驗要求，所以6 mm 對接焊縫焊評可覆蓋母材厚度1.5～12 mm 的對接焊縫焊件。該設備最大筒體厚度為10 mm，最薄接管厚度為3.5 mm，而且所有焊接接頭都要求使用鎢極氬弧焊，所以本著用最少焊接工藝評定數量覆蓋最多焊接產品的原則，只要進行1 次母材厚度為6 mm 的對接焊縫焊接工藝評定，即可滿足此設備的所有焊接生產[5]。

設備主體焊接接頭均采用常規對接焊縫形式，焊接時需根據合格的焊接工藝評定報告編制的焊接工藝規程。人孔蓋和接管法蘭蓋用16Mn Ⅱ鍛件加TA3襯板進行制造，一般采用螺釘固定，再在螺釘表面堆焊鈦層熔敷金屬。因為鈦和鋼不能熔焊，不能存在過渡層，所以螺釘也采用TA3 材質，不需要耐蝕堆焊工藝評定支撐，只要母材厚度為6 mm 的對接焊縫焊接工藝評定就可以滿足該堆焊接頭工藝要求。密封面須在襯板與法蘭蓋焊好后加工，焊接接頭見圖1。

圖1 人孔蓋、法蘭蓋焊接示意圖

人孔及接管選用活套法蘭，在接管上增加擋塊，規格為20 mm×20 mm×6 mm，材質為TA3,DN ≤80 mm的接管用2塊擋塊，DN＞100 mm的接管用4塊擋塊。焊接接頭如圖2所示。接管與材質同為TA3的焊環焊接完成后，再對密封面精加工進行。

圖2 接管活套法蘭焊接示意圖

JB/T 4745—2002 標準要求毒性程度為極度或高度危害的容器，或者設計壓力≥1.6 MPa 的中高壓容器需要按臺制備產品焊接試板，因此該設備可以免做產品試板。

4 檢驗注意要點

焊接時因為焊嘴所帶氬氣只能保護焊接熔池，而凝固的焊縫及其熱影響區無保護氣體作用，但這部分金屬仍處于較高溫度，當鈦金屬高于400 ℃時開始吸收氧，高于600 ℃時開始吸收氮。隨著氧化程度增加，焊縫的顏色會發生變化，焊縫的力學性能也逐漸劣化。焊縫為銀白色說明無氧化，金黃色說明輕微氧化，藍色說明氧化稍嚴重，灰色則說明氧化嚴重[6]。對所有焊縫及熱影響區表面進行顏色檢查:表面是銀白色和金黃色時可不用處理；藍色的焊接接頭在除藍處理后可用于非重要部位；其他顏色的焊接接頭則要進行返修，返修的次數也要注意。所以，該設備在焊接過程中必須注意線能量，控制焊接速度，嚴格按焊接工藝規程執行。

設計規定焊縫和熱影響區用10 倍放大鏡100%檢查表面，不得有咬邊，對A、B 類焊縫要求100%射線無損檢測，Ⅱ級為合格。如果發現超標缺陷，應先清除缺陷后再補焊，并用射線重新檢測，直至合格。所有焊縫（對接及角接）表面在水壓試驗前后均應進行滲透檢測，發現不允許缺陷可以進行修磨，必要時應補焊，再用滲透方法重新檢測，直至合格。該設備對焊縫的無損檢測要求明顯高于建造標準，在制造過程中應加以注意。

設備制造完畢后應檢查設備內表面是否有機械損傷，對可能影響耐腐蝕性能的損傷進行修磨。修磨可采用尼龍摻合氧化鋁的專用砂輪，不可和打磨過鋼材的砂輪混用，以免鐵污染設備。氨汽提氣/冷凝液介質為易爆介質，毒性危害程度為中度，規程和技術標準均未強制要求進行泄漏試驗，但設計文件中應另加空氣氣密性試驗要求，制造過程監檢中也應注意該項檢測。

最后對設備進行清污、去油處理，其內表面還需要酸洗并做鐵污染試驗。如果忽略容器表面處理導致鐵污染殘留，設備投用不久就會出現規律分布的黃銹斑。其臺反應器定期檢驗發現內表面不到1 m2區域的內有數百個銹斑，斑點大小均一，其直徑約為1 mm，用鐵指示劑檢測顯藍色，推測在容器制造過程中噴濺的鐵水污染了設備。酸洗時要選取合適的酸洗鈍化液，條件允許時可入加緩蝕劑，酸洗時溫度不宜過高，結束后用潔凈水沖洗干凈，防止酸洗造成鈦材的吸氫脆化[7]。鐵污染試驗合格后，設備應及時包裝保護，防止被再次污染。