引言

近年來，隨著煤化工裝置向大型化、高參數(shù)方向發(fā)展，系統(tǒng)中所采用的氣-水熱交換設(shè)備面臨日益嚴(yán)苛的腐蝕介質(zhì)環(huán)境，傳統(tǒng)不銹鋼材料在多組分氣體條件下易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等失效問題。鈦及其合金因其優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的熱導(dǎo)性及力學(xué)穩(wěn)定性，已在化工換熱設(shè)備中得到日益廣泛的應(yīng)用。汽提氣水冷器是某煤化工技改工程中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用鈦材與碳鋼、不銹鋼等多種異種材料復(fù)合構(gòu)成，制造過程中對(duì)焊接連接、管板結(jié)構(gòu)加工及表面潔凈度控制等提出了較高要求。

本研究以該設(shè)備的工程制造過程為基礎(chǔ)，圍繞鈦鋼復(fù)合板鉆孔與去鈦、鈦材焊接質(zhì)量控制、潔凈制造環(huán)境驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析,并針對(duì)實(shí)際制造中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂紋、脹接泄漏、焊縫變色等問題，提出可行性改進(jìn)措施，以期為鈦制換熱器類壓力容器的設(shè)計(jì)與制造提供工程技術(shù)參考。

1設(shè)備結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

汽提氣水冷器作為氣相介質(zhì)與水介質(zhì)間的熱量傳遞裝置，其結(jié)構(gòu)為典型的殼程-管程型管殼式換熱器，主要由殼體、管箱、換熱管、管板等部件組成，如圖1所示。設(shè)備殼程材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼S30408，管程則采用工業(yè)純鈦TA2，以滿足在弱酸性、多組分腐蝕氣體介質(zhì)環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需求。

該設(shè)備采用TA2+Q345R復(fù)合板制成的管箱結(jié)構(gòu)，換熱管為Φ32x2mm的TA2無縫鈦管，管板結(jié)構(gòu)則為TA2+16MnIII復(fù)合材料，整體構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與耐腐蝕性的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)也對(duì)焊接工藝、材料連接及制造精度提出了更高要求，具體技術(shù)參數(shù)見表1。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T150《壓力容器》、GB/T151《換熱器》、JB/T4745《鈦制焊接容器》及相關(guān)鈦復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)。

該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、鈦復(fù)合板應(yīng)用多、制造難度大，尤其在異種金屬之間的過渡連接、焊縫質(zhì)量控制以及鈦材表面保護(hù)等方面,對(duì)制造工藝及生產(chǎn)環(huán)境提出了嚴(yán)格要求。

表1主要技術(shù)參數(shù)

2、制造工藝流程與關(guān)鍵控制點(diǎn)

鈦制換熱器的制造過程需嚴(yán)格控制環(huán)境潔凈度、材料加工方式及焊接工藝，尤其在復(fù)合板材料加工、管端焊接接頭質(zhì)量控制及異種金屬連接方面具有一定難度。為保障制造質(zhì)量與結(jié)構(gòu)完整性，本項(xiàng)目在實(shí)施過程中構(gòu)建了完整的制造工藝流程，并對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行了針對(duì)性的過程控制。

2.1清潔環(huán)境控制與鐵離子污染檢測(cè)

鈦材料具有高度化學(xué)活性,極易與環(huán)境中游離鐵離子發(fā)生反應(yīng)，從而影響焊接接頭性能及表面質(zhì)量。為此，制造現(xiàn)場(chǎng)需滿足高潔凈度要求。如圖2所示，本工程選用菲繞啉顯色試驗(yàn)法對(duì)不同制造場(chǎng)地進(jìn)行鐵離子污染評(píng)估。該方法通過在檢測(cè)區(qū)域布置處理試紙,并與配制的顯色試劑反應(yīng),借助顏色變化判斷環(huán)境中是否存在金屬顆粒沉積。

2.2鈦鋼復(fù)合管板加工與鈦層去除技術(shù)

如圖3所示,本項(xiàng)目中所采用的復(fù)合管板為TA2+16Mn爆炸焊接復(fù)合板,具有較高的界面結(jié)合強(qiáng)度，但加工難度大。加工過程中，首先通過深孔鉆床使用BTA鉆頭完成管板管孔的高精度加工，隨后采用定制J型倒角刀具進(jìn)行管口處理，以提升后續(xù)換熱管連接質(zhì)量。

在封頭邊緣鈦層去除工序中，為避免損傷基體鋼層，采用1.2mm厚度薄型砂輪片進(jìn)行初步切槽，再借助氣動(dòng)風(fēng)鏟實(shí)現(xiàn)鈦層分離與撬邊，實(shí)踐表明該方法操作性強(qiáng)、切深可控，平均控制在0.8mm以內(nèi)，未見明顯過切現(xiàn)象。

2.3鈦材表面防護(hù)與異種金屬焊接工藝

鈦及其合金在加工過程中需避免劃傷、污染和氧化，故在原材料進(jìn)場(chǎng)后即進(jìn)行表面臨時(shí)性防護(hù)，常采用牛皮紙貼覆處理，并在施工過程中持續(xù)修復(fù)與更換，防止暴露區(qū)被污染。鈦材之間焊接采用鎢極氬弧焊[TIG]，焊接過程中使用高純氬氣保護(hù)，并采用雙面保護(hù)裝置保障焊縫成形。TA2與16MnIII之間的異種材料連接采用銀基釬焊方式，溫度控制在650℃~750℃范圍內(nèi)，有效控制鈦基熱影響區(qū)脆性相生成。

焊縫質(zhì)量依據(jù)JB/T4745《鈦制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，焊后顏色應(yīng)控制在金黃色至銀白色范圍內(nèi)，杜絕出現(xiàn)藍(lán)色、紫色及灰黑色等高溫氧化跡象，必要時(shí)采用細(xì)砂紙打磨處理。

2.4管端焊接成形與管板脹接控制

換熱管與管板連接為鈦換熱器制造中的關(guān)鍵工序之一，需同時(shí)滿足密封性與機(jī)械強(qiáng)度雙重要求。在管端焊過程中，由于部分換熱管長(zhǎng)度偏差及管板平面度控制不足，導(dǎo)致個(gè)別管端伸出長(zhǎng)度不一。針對(duì)該問題，需通過去除管端余量方式，確保管端連接區(qū)達(dá)到圖紙要求。

在脹接過程中，采用液壓脹管方式實(shí)現(xiàn)換熱管與復(fù)合管板的脹接，但由于部分鈦管在裝配前存在冷作硬化跡象，個(gè)別脹接點(diǎn)出現(xiàn)微裂紋及泄漏。為此，在施工前增加脹接性能試驗(yàn)，并預(yù)留備用換熱管，施工中對(duì)開裂部位換熱管予以更換，確保結(jié)構(gòu)完整性和使用可靠性。

3、典型制造問題及解決方案

如表2所示，在鈦制汽提氣水冷器的制造過程中，受到材料特性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)條件等多因素影響，出現(xiàn)了若干典型制造問題。為確保產(chǎn)品性能和交付進(jìn)度，針對(duì)問題成因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決策略，積累了具有推廣價(jià)值的工程經(jīng)驗(yàn)。

表2 典型制造問題及解決方案

4、結(jié)論

本文以鈦制汽提氣水冷器為研究對(duì)象，梳理了其在制造過程中涉及的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，并總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中遇到的典型問題及對(duì)應(yīng)對(duì)策，研究表明:清潔環(huán)境控制和鈦材表面防護(hù)是確保焊接質(zhì)量的前提;鈦鋼復(fù)合板加工和焊接需合理選用工藝手段，保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與密封性能;制造過程中常見問題如鈦材冷裂、管端偏差和脹接開裂等，應(yīng)通過預(yù)試驗(yàn)和工藝優(yōu)化加以規(guī)避。

本研究為鈦制換熱設(shè)備的工程制造提供了實(shí)踐參考，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]師紅旗，周燦旭，丁毅，等.鈦制換熱器氫腐蝕破壞失效分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2009,21[02]:137-145.

[2]李悅，王建峰，馬龍飛，等.保溫時(shí)間對(duì)鈦合金板翅式換熱器真空釬焊過程溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2024，45[02]:33-40.

[3]陳力勤，霍紅磊，謝仁堯，等.印刷電路板式換熱器子通道程序開發(fā)及多目標(biāo)優(yōu)化方法研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2024,58[12]:2505-2514.

（注，原文標(biāo)題：鈦制汽提氣水冷器制造工藝研究_劉振）

相關(guān)鏈接