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        鋯復(fù)合板壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造與應(yīng)用

        2017-08-02 06:10:10劉小峰
        裝備機(jī)械 2017年2期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合板覆層墊板

        □劉小峰

        上海電氣核電設(shè)備有限公司上海201306

        鋯復(fù)合板壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造與應(yīng)用

        □劉小峰

        上海電氣核電設(shè)備有限公司上海201306

        概述了鋯材的性能與特點(diǎn),介紹了鋯復(fù)合板壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造,并給出了鋯復(fù)合板在應(yīng)用中的注意事項。

        隨著我國裝備制造能力的不斷進(jìn)步,近年來國產(chǎn)制造的鋯制壓力容器設(shè)備越來越多,國家能源局于2010年發(fā)布并實施了NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。鋯制壓力容器廣泛應(yīng)用于醋酸、醋酐、對苯二甲酸及核電設(shè)備裝置中。筆者結(jié)合鋯材性能及近年來公司承制過的鋯制壓力容器設(shè)計與制造實踐,簡要介紹鋯復(fù)合板壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、檢驗及應(yīng)用時的注意事項。

        1 鋯材性能

        (1)組織及物理性能。鋯在常溫下為密集六方晶格,表1為鋯與碳鋼、奧氏體不銹鋼、鈦在室溫下的物理性能比較。

        表1 鋯與其它材料室溫物理性能比較

        由表1可以看出,鋯的熔點(diǎn)最高,屬于難熔金屬;鋯的彈性模量與鈦接近,約為碳鋼的一半;鋯的熱膨脹系數(shù)小,約為碳鋼的一半;鋯的比熱容低,在吸熱、放熱過程中,溫度的變化明顯;鋯比碳鋼、不銹鋼密度低,比鈦的密度高。

        (2)在常用金屬中熔解度低。鋯屬元素周期表中ⅣB族,與鈦、鉭、鈮之間可以相互無限互熔,不產(chǎn)生金屬間化合物,可以相互進(jìn)行熔化焊,但與鐵、鉻、鉬、銅等常用金屬的互相熔解度很小,不能直接熔焊。

        (3)活性高。鋯屬活性金屬,在較高溫度時極易被氧化,在空氣中加熱到1 000℃左右時會燃燒。

        (4)耐腐蝕性能好[2]。在多數(shù)腐蝕性介質(zhì)中,鋯比其它壓力容器用材的耐腐蝕性好,尤其是在含鹽酸、氫碘酸等強(qiáng)還原性酸中。

        (5)塑性低。鋯在室溫下的斷后伸長率低,塑性也低。鋯在862℃相變溫度以下為密集六方晶格,是塑性低的根本原因。此外,鋯材還具有各向異性、缺口敏感性強(qiáng)等特性。因此,壓力容器用鋯材在使用前應(yīng)進(jìn)行熱處理,以獲得較高的塑性。

        (6)價格昂貴。鋯系活性金屬,從鋯礦石中還原出金屬鋯需要消耗較多的能量,鋯材的加工成本較高,且國內(nèi)鋯材基本上為進(jìn)口。單位質(zhì)量鋯材的價格約為普通鋼材的100~200倍,較為昂貴。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        由于鋯材價格昂貴,所以用鋯復(fù)合板制容器更經(jīng)濟(jì)。通常情況下,鋯復(fù)合板反應(yīng)器的主體材料(封頭、筒體等)均采用鋯-碳鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu),復(fù)合板的質(zhì)量檢驗或驗收可參照ASTMB898-05《活性難熔金屬復(fù)合板技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行[3-4]。因接管尺寸較小,多采用襯里結(jié)構(gòu)。

        主體對接焊縫接頭型式如圖1所示,結(jié)構(gòu)中,墊板與蓋板均需要與覆層焊接,同時,將其中一部分檢漏孔改成貫穿墊板的鋯檢漏嘴,目的是增加密封可靠性,降低泄漏風(fēng)險。有了此檢漏孔,在焊接蓋板與覆層的焊縫時,可在檢漏孔內(nèi)充入保護(hù)氣體,起到背面保護(hù)作用。同時,即使墊板與覆層的焊縫開裂,介質(zhì)泄漏至墊板處,由于墊板與覆層已經(jīng)進(jìn)行了密封焊接,介質(zhì)也不會對基層造成腐蝕。此時,可以通過檢漏孔檢測介質(zhì)泄漏情況,采取相應(yīng)返修措施,避免操作中更大的問題發(fā)生。如果墊板不與覆層焊接,一旦蓋板與覆層的角焊縫開裂,介質(zhì)就會沿著墊板與覆層的間隙直接侵蝕到基層鋼板[5]。

        管口結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。結(jié)構(gòu)中,翻邊蓋板具有圓滑過渡,減小了峰值應(yīng)力,所以通常管口優(yōu)先采用這種接管,接管公稱直徑小于50 mm。襯環(huán)與襯管環(huán)縫的背面設(shè)置鋯墊板,便于焊縫的焊接[6]。

        圖1 主體對接焊縫接頭型式

        圖2 管口結(jié)構(gòu)型式

        為增加襯環(huán)與法蘭的連接強(qiáng)度,也可以選用鋯復(fù)合板制作襯環(huán),法蘭與襯環(huán)基層為同種材料,有利于焊接,可增強(qiáng)管口密封可靠性。但這種結(jié)構(gòu)的成本較高,可以視情況而定。

        3 下料

        下料過程中,薄板盡量使用機(jī)械切割或水刀切割等冷切割方法。機(jī)械切割或水刀切割具有切割面美觀、凹坑少、金屬燒損少、表面氧化少等優(yōu)點(diǎn)。如確需采用熱切割,則切割邊緣和坡口應(yīng)采用機(jī)械方法加工并去除污染層。

        4 焊接及保護(hù)

        鋯元素的活性很高,制造鋯容器應(yīng)在清潔的環(huán)境中進(jìn)行,焊接場地應(yīng)為獨(dú)立的清潔環(huán)境,避免風(fēng)擾動及鐵離子污染。

        焊接前,鋯材坡口及其兩側(cè)應(yīng)進(jìn)行表面處理,去除表面的氧化物、水、油污及其它污染物,以免進(jìn)入焊縫,引起脆化。焊絲也應(yīng)去除表面的污染物。

        鋯材在焊接過程中,為防止被氧化,焊縫及熱影響區(qū)的正面和背面都要處于惰性氣體的保護(hù)之中。熔池及溫度高于400℃的焊縫及熱影響區(qū),均應(yīng)置于惰性氣體保護(hù)之中,且惰性氣體的純度應(yīng)高于99.999%。

        鋯材焊縫在基本未遭氧化的情況下呈銀白色,稍有氧化呈金黃色,輕微氧化為藍(lán)色,嚴(yán)重氧化呈灰色。氧化會導(dǎo)致鋯材變脆。利用鋯材不同氧化程度可呈現(xiàn)不同顏色的特性,對所有鋯材焊縫和熱影響區(qū)在焊接后的原始狀態(tài)進(jìn)行顏色檢驗,銀白色或金黃色為合格,否則應(yīng)重新焊接。

        5 部件制作

        部件制作過程中,注意表面保護(hù),防止表面被鐵離子等污染。鋯與鐵同時接觸腐蝕介質(zhì)時會形成電偶腐蝕,此時鋯為陰極,產(chǎn)生氫離子,此氫離子很容易進(jìn)入鋯材中。當(dāng)鋯材中氫元素含量超過氫在鋯中的溶解度后,會析出氫化鋯而提高鋯材的脆性。因而在制造過程中,應(yīng)進(jìn)行鐵離子檢查。制造過程中鋯材表面原有的鈍化膜若被機(jī)械劃傷,會影響耐腐蝕性能,所以鋯材筒體卷制時,卷板機(jī)的卷筒要貼好保護(hù)膜。由于鋯材的塑性差,缺口敏感性強(qiáng),所以鋯材部件在壓制過程中應(yīng)注意避免產(chǎn)生尖銳部位,比如毛刺、尖角等。

        在加工鋯材翻邊蓋板時,為防止其開裂,通常采用熱壓,溫度控制在550℃左右,按規(guī)定時間保溫后,在壓機(jī)上緩慢壓制成形[7]。

        因為在350~400℃時鋯材表面可明顯吸附氫元素,所以在實際制作中,成形時溫度通??刂圃?50℃左右。鋯材表面附著的水、油、有機(jī)物等在高溫下均有可能產(chǎn)生氫元素進(jìn)入鋯中,因此鋯制件的表面應(yīng)保證清潔。

        6 熱處理

        鋯材部件成形后,當(dāng)變形量超過3%時,需要對部件進(jìn)行熱處理,以消除成形時的殘余應(yīng)力。

        當(dāng)設(shè)備基層碳鋼厚度較厚時,依據(jù)GB150.4—2011《壓力容器第4部分:制造、檢驗和驗收》中的要求進(jìn)行熱處理。設(shè)備熱處理時,盡量選用較低溫度進(jìn)行,若溫度過高,對鋯材表面防腐性能有影響,所以在熱處理前,鋯材表面需要涂合適的防氧化涂料。

        7 水壓試驗

        壓力容器制作完成后,需要進(jìn)行壓力試驗,試驗要求及驗收標(biāo)準(zhǔn)按照GB150.4—2011執(zhí)行[8]。試驗前,對內(nèi)部所有鋯材焊縫進(jìn)行滲透檢查,確保內(nèi)部焊縫無泄漏。壓力試驗過程中及試驗后,對焊縫表面進(jìn)行滲透檢查及氦檢漏。

        8 熱氣循環(huán)試驗

        由表1可知,鋯與碳鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大,鋯為5.3×10-6K-1,碳鋼為11.12×10-6K-1。在溫度升高時,兩種材料間會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。而容器的耐壓試驗只對容器的承壓能力和強(qiáng)度進(jìn)行考核。當(dāng)鋯復(fù)合板容器在使用過程中遇到溫度變化時,因兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同,會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。特別是鋯蓋板與覆層的角焊縫,同時受焊接應(yīng)力及溫差應(yīng)力作用,極易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生失效。所以,對重要的鋯復(fù)合板容器在耐壓試驗后還應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗[5-9]。

        設(shè)備制造完畢后,模擬設(shè)備使用工況,進(jìn)行升溫升壓,再保溫保壓一定時間后,進(jìn)行降溫、降壓至常溫常壓,之后再次進(jìn)行升溫升壓,然后保溫保壓,再降溫泄壓至常溫常壓。

        熱氣循環(huán)后,對內(nèi)部所有鋯材焊縫進(jìn)行滲透檢查,之后對設(shè)備中所有鋯材焊縫再進(jìn)行氦檢漏,確保所有焊縫沒有裂紋[10]。

        試驗結(jié)果表明,模擬工作溫度和壓力進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗,可以驗證部件的襯里與覆層焊縫在熱應(yīng)力下的有效性和致密性,可以有效檢測出設(shè)備焊縫的潛在問題,降低設(shè)備在正式使用后焊縫開裂的風(fēng)險。

        9 鋯復(fù)合板設(shè)備使用過程中注意事項

        筆者曾參與維修某化工企業(yè)的醋酐反應(yīng)釜設(shè)備。該反應(yīng)釜主材采用SA-516 Gr.60N+R60700鋯復(fù)合板,管口蓋板采用4.77 mm的SB-551 R60702鋯板制造。設(shè)備的工作壓力為4.2 MPa,工作溫度為210~230℃。設(shè)備在現(xiàn)場使用一段時間后,發(fā)現(xiàn)有物料從檢漏孔泄漏。在對設(shè)備進(jìn)行檢查中,發(fā)現(xiàn)SB-551 R60702鋯蓋板有多處裂紋,鋯蓋板裂紋分散地分布在鋯蓋板各處,裂紋由鋯板內(nèi)壁產(chǎn)生,由內(nèi)向外擴(kuò)張,沿板厚度方向形成比較直的貫穿裂紋,裂紋形貌如圖3所示。

        圖3 開裂裂紋形貌

        經(jīng)現(xiàn)場對裂紋進(jìn)行宏觀檢查和微觀金相分析,并結(jié)合業(yè)主的操作工況和介質(zhì)成分分析,判斷裂紋為應(yīng)力腐蝕所致[11]。

        因鋯材對一些介質(zhì)具有應(yīng)力腐蝕的傾向,通常而言,鋯在氧化性的氯化物介質(zhì)(如氯化鐵、氯化銅等)及濃縮甲醇、碘蒸氣、含甲酸的甲醇、含鹽酸的乙醇中,易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。設(shè)備在檢修過程中,未清洗干凈的介質(zhì)殘留在產(chǎn)品表面,隨著水分蒸發(fā),開裂鋯材表面的氧化膜無法及時修復(fù),致使殘留的碘化物直接與鋯材接觸。再加上鋯制設(shè)備升溫后,鋯材自身承受拉應(yīng)力,以及在鋯制設(shè)備實際應(yīng)用中,內(nèi)部鋯材有發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性,因此,鋯制設(shè)備在實際使用時,內(nèi)部工作介質(zhì)應(yīng)避免碘離子等成分。另外,鋯材部件在成形后,如果變形量較大,成形過程中也會產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力,所以成形后要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。設(shè)備在投入使用前及過程中應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

        (1)反應(yīng)介質(zhì)中盡量避免以上容易引起應(yīng)力腐蝕的成分,不隨意使用未經(jīng)化驗的介質(zhì)、催化劑等。

        (2)變形量大的鋯材部件應(yīng)進(jìn)行熱處理,消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。

        (3)避免頻繁開停設(shè)備,減小應(yīng)力。

        (4)定期檢查,發(fā)現(xiàn)隱患及早處理。

        (5)操作中對設(shè)備規(guī)范操作,升溫速度不宜太快。

        (6)墊板背面清理干凈,避免有焊縫凸出等現(xiàn)象。

        (7)內(nèi)部不能超壓工作。

        10 結(jié)束語

        因鋯材價格昂貴,且制作經(jīng)驗積累有限,因此有些結(jié)構(gòu)及制作方法尚處于探索階段,如喇叭口的防治等。未來隨著現(xiàn)代制作技術(shù)的發(fā)展和化工行業(yè)的進(jìn)步,節(jié)能環(huán)保等要求不斷提高,鋯制壓力容器將會得到更廣泛的應(yīng)用。希望通過筆者的介紹,能對從事本行業(yè)的其他工程技術(shù)人員有所幫助和啟發(fā)。

        [1]鋯制壓力容器:NB/T47011—2010[S].

        [2]黃嘉琥.NB/T 47011—2010標(biāo)準(zhǔn)中鋯制壓力容器的特點(diǎn)[J].壓力容器,2010,27(12):49-52,29.

        [3]鄭世平.壓力容器用鋯及鋯復(fù)合板的特性與應(yīng)用[J].江蘇化工,2004,32(5):50-53.

        [4]活性難熔金屬復(fù)合板技術(shù)規(guī)范:ASTMB898-05[S].

        [5]鄭世平,萬建春,劉生海,等.鋯及其復(fù)合板壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造實踐[C].第八屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會議,合肥,2013.

        [6]孫萬倉,賀旭明,孫勝奇.鋯鋼復(fù)合板設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2012,29(1):39-41.

        [7]汪雪濤,高振宇.鋯鋼復(fù)合板反應(yīng)器制作技術(shù)[J].壓力容器,2009,26(7):53-57.

        [8]壓力容器:GB150.1—2011[S].

        [9]田志安.鋯鋼復(fù)合板醋酸反應(yīng)器制造技術(shù)的研究[J].乙醛醋酸化工,2013(10):17-19.

        [10]萬建春,鄭世平,王建,等.鋯鋼復(fù)合板反應(yīng)器的制造實踐[J].中國化工裝備,2010(4):16-19,22.

        [11]賈瑞婷,劉小峰.醋酐反應(yīng)釜R60702鋯板開裂原因分析[J].理化試驗(物理分冊),2014,50(8):610-612,615.

        (編輯:平平)

        The properties and characteristics ofzirconiumcomposites were summarized.The structural design and manufacture of zirconium composite plate pressure vessel were introduced,and the precautions of zirconium composite plate during application were given.

        鋯;復(fù)合板;壓力容器

        Zirconium;Composite Plate;Pressure Vessel

        TH49

        B

        1672-0555(2017)02-037-04

        2016年12月

        劉小峰(1981—),男,本科,工程師,主要從事壓力容器設(shè)計及工藝研究工作。

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