王 建 徐 翔

（江蘇和誠制藥設(shè)備制造有限公司，靖江 214500）

當(dāng)今化工行業(yè)高速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的高含鹽廢水，由于這些廢水成分復(fù)雜，含鹽量高，傳統(tǒng)處理技術(shù)很難達(dá)到滿意效果。對于廢水深度處理過程產(chǎn)生的高含鹽污水，可以通過蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)液體零排放[1]。因此，蒸發(fā)法成為現(xiàn)在高含鹽廢水處理技術(shù)的一種重要方法。蒸發(fā)裝置一般包含蒸發(fā)器、分離器、流體機(jī)械、儀表閥門及控制系統(tǒng)等。針對廢水處理的特殊性，蒸發(fā)器的材質(zhì)選取應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)備操作溫度、壓力以及物料腐蝕性等指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮[2]。鈦材料具有很好的比強(qiáng)度、特殊的抗腐蝕性能以及良好的綜合工藝性能，在抗腐工況下，鈦制設(shè)備得到廣泛應(yīng)用[3]。純鈦設(shè)備造價高，投資大，但在真空或負(fù)壓工況下，鈦鋼復(fù)合材料設(shè)計參數(shù)選擇范圍非常廣，具有造價低、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。高含鹽廢水蒸發(fā)處理中蒸發(fā)器的材料為鈦與碳鋼復(fù)合材料，因此需要從材料選擇、設(shè)計制造控制、過程檢驗(yàn)等方面進(jìn)行探討和分析，供鈦碳鋼復(fù)合材料設(shè)計制造者參考。

1 材料控制

蒸發(fā)器的材料選擇是設(shè)計過程的重要組成部分，材料選擇不當(dāng)會對設(shè)備運(yùn)行帶來隱患。蒸發(fā)器的材料包括板材、管材、法蘭及其他零部件，需認(rèn)真考慮和選用。

1.1 板材材料的選用

鈦碳鋼復(fù)合板材是將鈦材和碳鋼通過爆炸成形結(jié)合一體，碳鋼為基層，鈦材為覆層。對于基層碳鋼材料除符合《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB713-2014）的規(guī)定外，還應(yīng)以正火狀態(tài)交貨，不允許拼焊。所有基層碳鋼板應(yīng)按《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T47013.3-2015）的要求逐張進(jìn)行超聲檢測，合格以后才能與覆層進(jìn)行爆炸復(fù)合。蒸發(fā)器材料的覆層一般采用TA2材料，材料應(yīng)符合《三維編織物及其樹脂基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》（GB/T33621-2007）的規(guī)定，交貨狀態(tài)為退火。覆層鈦材允許拼焊，拼接焊縫應(yīng)按《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T47013.3-2015）的要求逐張進(jìn)行100%射線檢測。鈦碳鋼復(fù)合板整體應(yīng)退火、校平、剪切及覆層表面去除氧化皮后交貨[4]。覆層表面不得有裂紋、夾雜、結(jié)疤等缺陷。復(fù)合板還應(yīng)經(jīng)超聲100%掃查檢測，達(dá)到《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第3部分：鈦-鋼復(fù)合板》（NB/T47002.3-2009）中B1級要求。復(fù)合板的力學(xué)性能、彎曲性能、尺寸偏差等應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求規(guī)定。

1.2 管材材料的選用

鈦碳鋼復(fù)合蒸發(fā)器的接管通常采用鈦無縫鋼管，也可采用鋼鍛件內(nèi)壁襯鈦。由于蒸發(fā)器內(nèi)物料的腐蝕性，襯鈦質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的運(yùn)行。鈦接管應(yīng)按《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》（GB/T3625-2007）選取，也可以按《鈦及鈦合金無縫管》（GB/T3624-2010）選用，但應(yīng)當(dāng)對管材進(jìn)行無損檢測和水壓試驗(yàn)。內(nèi)壁襯鈦的材料厚度為3mm，還需進(jìn)行外壓穩(wěn)定性校核，確保襯鈦厚度滿足要求。

1.3 其他材料的選用

對于法蘭連接件，一般采用鋼鍛件襯鈦，也可以采用鈦法蘭件。棒材按《鈦及鈦合金棒材》（GB/T2965-2007）選取，供貨狀態(tài)為退火。

焊接材料應(yīng)滿足《鈦及鈦合金焊絲和填充絲》（NB/T47018.7-2011）的要求，嚴(yán)格控制氧、碳、氮、氫等元素的含量。焊絲選用的要求是在正常焊接的工藝下，焊縫在焊接后抗拉強(qiáng)度不低于母材退火狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的下限，耐腐蝕性能和塑性不低于退火狀態(tài)下的母材，焊接性良好并滿足制造和使用的要求[4]。焊接使用的氬氣需按《氬》（GB/T4842-2017）要求，純度不得低于99.99%。

2 設(shè)計及制造控制

2.1 設(shè)備強(qiáng)度的設(shè)計

在鈦碳鋼復(fù)合板設(shè)備的壁厚設(shè)計中，覆材厚度是作為防腐蝕而設(shè)計的，因此不考慮覆材的強(qiáng)度，而碳鋼基材厚度選取則需要考慮設(shè)備的強(qiáng)度要求。鈦碳鋼復(fù)合板供貨時，覆材厚度允許偏差為覆材公稱厚度的±10%，且不大于±1.0mm，基材厚度允許偏差為基材標(biāo)準(zhǔn)偏差值和正負(fù)偏差值各減0.5mm[5]。鈦碳鋼復(fù)合板總厚度允許偏差為覆材允許偏差與基材允許偏差之和。因此，鈦碳鋼復(fù)合板設(shè)計時需考慮到材料加工引起的偏差，避免選材厚度達(dá)不到設(shè)計的要求。

在對鈦碳鋼復(fù)合板封頭進(jìn)行強(qiáng)度計算時只需考慮基材的厚度，在驗(yàn)收時可進(jìn)一步確定基材厚度值，并將封頭成形后的基材厚度不小于圖紙標(biāo)注的基材厚度作為一項(xiàng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計制造時，設(shè)計和制造單位應(yīng)考慮在封頭加工成形過程中存在的厚度減薄率問題，且封頭成形厚度減薄率和封頭形式、公稱直徑、鋼材厚度相關(guān)聯(lián)，因此這個減薄率是不容忽視的。

鈦材設(shè)計所涉及的焊接接頭系數(shù)的選取不同于其他金屬容器，雙面焊對接接頭或雙面焊的全焊對接接頭的焊接接頭系數(shù)只可取0.95，不能選取1.0。

2.2 設(shè)備焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造

鈦碳鋼復(fù)合板基層和覆層材料的力學(xué)、化學(xué)、物理和工藝性都存在較大的差異。鈦的熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱系數(shù)小，鈦和碳鋼焊接相互熔合時易形成硬而脆的FeTi金屬化合物，使得焊接部位的塑性和韌性降低，且冷卻時容易產(chǎn)生裂紋，降低覆材的耐腐蝕性和基材的強(qiáng)度。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，需對覆材和基材分別焊接，還需要做好保護(hù)工作。

鈦覆材的焊接比較復(fù)雜且焊材價格昂貴，焊接需小電流、低線能量的輸入，所以焊接接頭設(shè)計時應(yīng)選用焊接變形小、結(jié)構(gòu)應(yīng)力低、坡口表面易清洗、填充金屬少，在保證焊接質(zhì)量的同時也要便于加工操作。根據(jù)組對位置的不同，鈦碳鋼復(fù)合蒸發(fā)器的焊接有以下三種形式。

2.2.1 殼體焊接接頭

殼體的對接接頭結(jié)構(gòu)分為A、B類對接接頭和T形焊接接頭，兩種形式的焊接接頭需分別進(jìn)行設(shè)計要求。A、B類對接接頭在焊接基層時，先采用機(jī)械方法去除焊接接頭兩側(cè)10mm的鈦復(fù)合層，以防止基層金屬熔焊到覆層中，同時也可以防止鈦覆層因溫度過高發(fā)生氧化。先將基層焊接完畢，基層焊縫背面磨平并經(jīng)檢測合格后，放置一塊鈦墊板，鈦墊板與鈦覆層間斷點(diǎn)固。然后在鈦墊板上覆蓋一層鈦蓋板，鈦蓋板和鈦覆層之間進(jìn)行角焊縫連續(xù)焊接。為了檢驗(yàn)角焊縫的焊接質(zhì)量一般在基層焊縫鉆一個6mm的圓檢漏孔。T形焊接接頭采用一個單獨(dú)帶有圓弧角的T形蓋板，為了保證焊接時焊縫背面金屬提供足夠的氬氣，需對蓋板與覆層之間的焊接接頭進(jìn)行檢漏，每條縱向接頭的焊層上至少鉆兩個6mm的圓檢漏孔，且位置盡量靠近兩端環(huán)向焊接接頭。為了能夠及時檢測發(fā)生泄漏的覆層部位，T形蓋板下面的墊板與另一筒節(jié)縱向焊接接頭連接的襯板接口處應(yīng)用釬焊密封。

2.2.2 接管與殼體焊接接頭

鈦碳鋼復(fù)合蒸發(fā)器的接管采用無縫碳鋼管或碳鋼鍛管內(nèi)襯鈦層，接管根部附近的鈦襯里應(yīng)搭接在殼體的覆層鈦之上，搭接長度為80mm。在接管焊接接頭附近殼體復(fù)合處，用合適的鈦墊板填充完整以保證鈦墊板的表面與覆層鈦材的表面相互齊平。在基層上的高低點(diǎn)分別鉆兩個6mm的圓檢漏孔以便檢驗(yàn)焊縫的焊接質(zhì)量。鋼管的內(nèi)表面必須打磨平滑并去除表面的氧化皮、油污及其他附著物，使其表面干凈光潔，鈦襯里成型應(yīng)整體加工且與鋼管內(nèi)部緊貼，襯里成型時可使用套合法或機(jī)械脹緊法，但不得進(jìn)行強(qiáng)力組裝。為了減少連接處焊接接頭的最大應(yīng)力，保證交接處有足夠的撓性，接管襯鈦及殼體襯鈦的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)計算選取[6]。

2.2.3 接管與法蘭焊接接頭

接管法蘭通常采用碳鋼法蘭襯鈦的方法。螺栓緊固載荷及相連管道載荷由碳鋼法蘭承受，鈦材層僅作為密封面。在鈦層密封面上均勻設(shè)置一定數(shù)量的鈦制沉頭螺釘與碳鋼法蘭連接，鈦制沉頭螺釘與密封面之間用氬弧焊密封之后進(jìn)行機(jī)械加工，滿足密封要求。

3 過程檢驗(yàn)控制

制造加工的過程是產(chǎn)品質(zhì)量和安全保證的重要環(huán)節(jié)。鈦材的加工制造應(yīng)在獨(dú)立區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，焊接需要空氣潔凈、無塵、無煙的環(huán)境。鈦材焊縫和熱影響區(qū)的宏觀檢查用10倍放大鏡進(jìn)行100%檢查，表面不應(yīng)有裂紋、未熔合等缺陷，焊縫外也不應(yīng)有打弧點(diǎn)。在焊接完工后對所有原始狀態(tài)的鈦焊縫表面顏色進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷是否合格。

根據(jù)蒸發(fā)器的材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用情況，確定合理的無損檢測方法、比例及合格標(biāo)準(zhǔn)與級別。首先利用射線檢測方法對焊接完成后的基材A、B類焊接接頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷及時返修。鈦材的焊接接頭射線檢測結(jié)果評定和質(zhì)量分級不同于鋼制設(shè)備，應(yīng)符合《承壓設(shè)備無損檢測》（NB/T47013.2-2015）要求[7]。檢測合格后，再對基材焊縫進(jìn)行打磨處理。對于C、D類焊接接頭以及其他焊接接頭，根據(jù)焊接部位的重要程度以及設(shè)備的具體情況，確定焊接接頭的檢測方法和合格級別。在鈦復(fù)合板及接管內(nèi)襯焊接完畢并去除其表面缺陷后，對所有鈦材的全部焊縫進(jìn)行滲透檢驗(yàn)并使用可靠的白顯影劑。

鈦碳鋼復(fù)合設(shè)備的耐壓試驗(yàn)一般采用水壓試驗(yàn)。基層焊接完成且無損檢測合格后進(jìn)行初步水壓試驗(yàn)。鈦覆層、鈦墊板及鈦蓋板焊接完成且滲透檢驗(yàn)合格后進(jìn)行泄漏檢測，用0.1MPa的空氣或氬氣從墊板或管襯背面的檢漏孔進(jìn)入，用肥皂水對焊縫進(jìn)行檢漏。泄漏檢測合格后按圖樣要求的方法進(jìn)行最終水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)后，將水排盡，再用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。

4 結(jié)語

在鈦碳鋼復(fù)合蒸發(fā)器的設(shè)計制造中，有很多技術(shù)要點(diǎn)需要注意。設(shè)計人員應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際制造過程中的要求，在材料控制、設(shè)計制造控制及過程檢測控制等方面進(jìn)行綜合考慮，確保鈦碳鋼復(fù)合蒸發(fā)器在設(shè)計使用年限內(nèi)的安全可靠。