□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(jì)、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(jì)與制造，并給出了鋯復(fù)合板在應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

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(shí)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(jì)與制造實(shí)踐，簡要介紹鋯復(fù)合板壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。

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(shí)極易被氧化，在空氣中加熱到1 000℃左右時(shí)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(jià)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(jià)格約為普通鋼材的100～200倍，較為昂貴。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于鋯材價(jià)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(yàn)或驗(yàn)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(shí)，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(xiǎn)。有了此檢漏孔，在焊接蓋板與覆層的焊縫時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(yàn)，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(shí)接觸腐蝕介質(zhì)時(shí)會形成電偶腐蝕，此時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)間保溫后，在壓機(jī)上緩慢壓制成形[7]。

因?yàn)樵?50～400℃時(shí)鋯材表面可明顯吸附氫元素，所以在實(shí)際制作中，成形時(shí)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(shí)，需要對部件進(jìn)行熱處理，以消除成形時(shí)的殘余應(yīng)力。

當(dāng)設(shè)備基層碳鋼厚度較厚時(shí)，依據(jù)GB150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》中的要求進(jìn)行熱處理。設(shè)備熱處理時(shí)，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(yàn)

壓力容器制作完成后，需要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照GB150.4—2011執(zhí)行[8]。試驗(yàn)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(yàn)過程中及試驗(yàn)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(yàn)

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(shí)，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(yàn)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(shí)，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(shí)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(yàn)后還應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)[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(shí)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(yàn)結(jié)果表明，模擬工作溫度和壓力進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)，可以驗(yàn)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(xiǎn)。

9 鋯復(fù)合板設(shè)備使用過程中注意事項(xiàng)

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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際使用時(shí)，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(yàn)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(jià)格昂貴，且制作經(jīng)驗(yàn)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(jì)與制造實(shí)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(jì)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(shí)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(yàn)（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(jì)及工藝研究工作。