呂書明

（鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江 寧波 315000）

鈦作為反應釜類設備結構設計的備選材料，與304、316、316L 等容器用不銹鋼一樣，具有強度高、可塑性強、焊接性能好等優(yōu)點，而且還不具備鐵素體鋼低溫使用時脆性強等頑疾，因而在低溫狀態(tài)下，鈦的綜合物理性能更優(yōu)。由于鈦與氧的親和力較強，易形成致密鈍化層，對中性、氧化性、弱還原性介質如氯化鐵、醋酸、次氯酸鈉、苯二甲酸等都具有極強的抗腐蝕能力[1]，因而對于延長低溫反應設備的使用壽命，減少能耗，降低該類設備的檢修維護成本均具有顯著優(yōu)勢。

本文所涉反應釜，釜內最終產物為某醫(yī)藥中間體，本身對于304 等常用不銹鋼就有較強的腐蝕性，經掛片實驗初步判斷，若采用304 不銹鋼作為反應釜主材，每兩年都大修一次，且反應原料中既有弱酸性物質參與化學反應，使該醫(yī)藥中間體生成，又有弱堿性物質用于中和化學反應后溶液的酸度，使該醫(yī)藥中間體結晶析出，因而304 等常用不銹鋼，很難滿足上述工藝條件。雖搪玻璃設備可滿足上述耐腐蝕要求，但由于反應釜內的工作溫度需保持在-80 ℃，夾套內液氮的溫度為-192 ℃，搪玻璃設備在使用時需嚴禁驟冷、驟熱，故經綜合技術對比后，擬以鈦作為該反應釜復材。

1 某醫(yī)藥中間體反應釜設計參數(shù)及選材

見表1。

表1 反應釜設計參數(shù)Tab.1 Design parameters of reactor

從經濟上考慮：全鈦反應釜的價格較貴，按重量計約為不銹鋼7～9倍，但因鈦的比重為不銹鋼0.57，實際上全鈦反應釜的價格為普通不銹鋼的5～6 倍[2]，故全鈦反應釜的制造成本過大，并不經濟。考慮到該反應釜僅需保持與反應物的密切接觸面不受腐蝕影響，即可滿足反應釜的使用要求，故從制造成本、制造難度等角度進行分析對比，最終確定反應釜內筒采用基材為304 不銹鋼的鈦－不銹鋼復合板；反應釜夾套內充入的液氮腐蝕性相對較弱，選用304 不銹鋼；夾套外的保溫材料為固態(tài)珠光砂，無腐蝕性，可重復多次使用，因而選用價格便宜的Q235B 作為主材。附某醫(yī)藥中間體用鈦－不銹鋼復合板低溫反應釜結構示意圖（見圖1）。

圖1 反應釜結構示意圖Fig.1 Structure diagram of reactor

2 反應釜部件的強度計算

對反應釜內筒、夾套殼體等壁厚的計算應按照GB/T 150《壓力容器》進行，需注意鈦－不銹鋼復合板僅需將基層材料計入強度校核，而鈦作為耐蝕層，可不參與計算[3]。因各項計算內容較多，本文不再細述。

反應釜內筒、夾套殼體等壁厚的計算，還應考慮材料兩側介質傳熱引起鈦－不銹鋼復合板、304 不銹鋼、Q235B 的溫差形變，故需采用Ansys 有限元模擬，以確定反應釜內筒、夾套殼體等的最終材料厚度。

（1）放料管連接件過盈量計算

由于放料管也是與反應物密切接觸的部件，故放料管需選用全鈦管，其與反應釜的連接需依靠閥座接頭連接件（鈦材）與閥座接頭（304 不銹鋼），才能避免鈦與不銹鋼直接相焊，其連接方式如圖2所示：

圖2 放料管連接方式Fig.2 Connection mode for feeding pipe

a.在放料管的制造過程中，閥座接頭與鈦－不銹鋼復合板的304 不銹鋼基材焊接，閥座接頭連接件通過環(huán)形鈦復合蓋板與鈦－不銹鋼復合板的鈦層焊接，由于焊接溫升，溫差為100 ℃時不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)為16.84×10-6/ ℃，鈦的平均線膨脹系數(shù)為8.2×10-6/ ℃，兩種材料因溫差而引起的變形，有可能導致閥座接頭連接件與閥座接頭脫開，形成間隙，因而需要根據(jù)以下公式核算閥座接頭連接件與閥座接頭的過盈量。

式中c——過盈量；

Δa——不銹鋼與鈦熱膨脹系數(shù)差（按100 ℃膨脹系數(shù)計算）；

Δt——制造時的溫度差（此處按100 ℃考慮）；

d——閥座接頭直徑（設計尺寸為135 mm）。

將各參數(shù)代入式（1），計算得到閥座接頭連接件與閥座接頭的過盈量為0.117 mm。

b.在反應釜工作狀態(tài)下，反應釜內筒的工作溫度為-80 ℃，溫差為80 ℃時不銹鋼的平均線膨脹系數(shù)為15.67×10-6/ ℃，鈦的平均線膨脹系數(shù)為8.2×10-6/ ℃，不銹鋼比鈦更易收縮，則閥座接頭連接件與閥座接頭之間不會發(fā)生脫落。

3 反應釜結構設計

在反應釜結構設計時，考慮到鈦與304 不銹鋼不能直接熔焊，經常需采用蓋板搭接的角接焊接形式（如圖3所示）；在反應釜制造時，還需用刨床或銑床將焊縫附近的表面鈦層進行去除，除鈦時難免有部分304 不銹鋼被切削掉，使不銹鋼基材的壁厚變薄，故設計時需考慮留有足夠的基材切削量（該反應釜的加工減薄量為0.5 mm）。

圖3 鈦－不銹鋼復合板角接焊接形式Fig.3 Titanium clad plate angle-joint welding form

（1）反應釜內筒縱、環(huán)焊縫結構

反應釜內筒外側304 不銹鋼對接焊縫和內側鈦層角接焊縫均需根據(jù)焊接工藝評定要求施焊。在施焊前，按設計要求鈦－不銹鋼復合板304 基材的一側需加工出坡口，另一側焊縫坡口邊緣10 mm 處的鈦層需完全除去，以避免基材焊接時，鈦熔入焊縫，形成硬而脆的金屬間化合物，從而影響焊縫的塑性和耐腐蝕性。同時為保證焊縫處鈦材面的連續(xù)性，在焊縫的未融合區(qū)用鈦填板填充，并將其與鈦－不銹鋼復合板的鈦層焊接，然后將全鈦蓋板覆蓋其上，將其與鈦層實施角焊接，注意內筒所有縱、環(huán)焊縫處需增設信號檢測孔，以檢測焊縫的密封性能。反應釜內筒縱、環(huán)焊縫結構如圖4所示。

圖4 反應釜內筒縱、環(huán)焊縫結構Fig.4 Vertical and circular welding structure for inner cylinder of reactor

（2）封頭法蘭結構

該反應釜的鈦－不銹鋼復合板封頭采用整板壓制而成，法蘭與封頭直接相焊，沒有縱環(huán)焊縫，結構如圖5所示。為保證焊縫質量，封頭與法蘭間內附一個全鈦環(huán)形襯筒。此處結構特殊，無法開信號檢漏孔，只能通過100% 的滲透檢測評定焊縫質量。

圖5 封頭法蘭結構Fig.5 Head flange construction

（3）筒體法蘭結構

反應釜筒體法蘭和封頭法蘭的密封面都需通過全鈦沉頭螺釘將環(huán)形鈦蓋板附著其上，以保證該密封面的耐腐蝕性，由于反應釜筒體縱焊縫的存在，該處形成的T 形區(qū)域需一全鈦環(huán)形襯筒過渡，再用鈦蓋板將原縱向鈦蓋板與全鈦環(huán)形襯筒覆蓋，以保證T形區(qū)焊縫的機械強度。該處的焊縫質量由側面開出的信號檢漏孔進行檢測，如圖6所示。

圖6 筒體法蘭結構Fig.6 Cylinder flange structure

（4）接管法蘭結構

對于反應釜筒體上的接管及法蘭，由于管口較小，宜采用鈦圓環(huán)將鈦襯管的底部與反應釜接管開孔處的鈦層相連，法蘭密封面處采用環(huán)形鈦蓋板，附以鈦制沉頭螺釘固定在不銹鋼法蘭表面，接管的側面需開信號檢漏孔，以檢查接管及法蘭處相應焊縫的密封性，如圖7所示。

圖7 接管法蘭結構Fig.7 Pipe flange structure

（5）放料管與內筒的連接結構

根據(jù)本文3 反應釜內筒強度計算中有關放料閥連接件過盈量計算結果，保險起見，反應釜放料閥的閥座接頭連接件與閥座接頭之間的過盈量取0.15 mm，如圖8所示，在裝配時，可將閥座接頭連接件放入焊材保溫箱中預熱，將閥座接頭放入液氮冷卻，使兩者可以自由裝配，再與反應釜相應的連接件進行焊接。

圖8 放料管與內筒的連接結構Fig.8 The connection structure of the outlet pipe and the inner cylinder

（6）放料管與保溫層的連接結構

反應釜保溫層內珠光砂裝填完畢后，為避免珠光砂吸收大量水分，需對保溫層進行抽真空處理，故保溫層需保持-0.1 MPa 的真空度需求，以保證其絕熱性能。即放料管通過角接焊接的環(huán)形鈦－不銹鋼復合板，與放料套管端部的Q235B 封板銀釬焊接就可滿足上述要求，如圖9所示意。

圖9 放料管與保溫層的連接結構Fig.9 The connection structure of the outlet pipe and the insulation layer

（7）凸緣結構

反應釜封頭上的凸緣，與攪拌槳密切接觸的部分為防止反應物料飛濺其上，使攪拌槳與凸緣產生銹蝕卡死，此處需貼附一鈦接管，其底部通過鈦圓環(huán)與反應釜封頭相連，頂部與環(huán)形鈦蓋板相連，而環(huán)形鈦蓋板通過全鈦沉頭螺釘固定在凸緣頂部。全鈦螺釘固定后，端部用氬弧焊塞焊，之后再加工攪拌接緣的密封面，以保證凸緣機械穩(wěn)定性，如圖10所示。

圖10 凸緣結構Fig.10 Flange structure

6 制造

本文所述的鈦-不銹鋼復合板低溫反應釜，釜內物料的反應溫度為-80 ℃，釜外夾套內液氮的溫度為-192 ℃，對于本身由鈦和不銹鋼兩種不同金屬爆炸而成的復合型材料而言，由溫差而引起的材料形變無法避免，故低溫反應釜內筒選用的鈦－不銹鋼復合板，其表面鈦材需檢驗-192 ℃下材料的伸長率，要求不低于18%。在反應釜的制造過程中，還應注意鈦-不銹鋼復合板在采用蓋板搭接的角接焊接時，焊縫焊接后的焊接強度及延展性滿足上述溫差條件，焊縫坡口表面不應有裂紋、分層、夾雜及影響焊縫質量的其他物理缺陷，坡口表面需進行滲透檢測，按NB/T 4730.5—2015 標準評定，Ⅰ級合格。

而基于過盈量計算確定的放料管與內筒連接結構，除在放料管裝配過程時，通過加熱放料閥座接頭連接件（鈦），冷卻閥座接頭（304 不銹鋼），以使兩者自由裝配，還應在閥座接頭連接件、閥座接頭焊接完畢后，做-192 ℃低溫冷沖實驗，再對閥座接頭進行表面滲透檢測，按NB/T 4730.5—2015 標準評定，Ⅰ級合格，以確保放料管在反應釜正常工作時不發(fā)生泄漏。

此外，按照JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》制造的鈦－不銹鋼復合板低溫反應釜，所有鈦蓋板與鈦填板的焊縫質量需經氣密性試驗判定，試驗壓力為0.1 MPa，無泄漏為合格。檢漏孔檢測完畢后，需塞焊，塞焊完成后按NB/T 47013.5—2015 進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格。

7 結束語

本文對用于制備某醫(yī)藥中間體的鈦－不銹鋼復合板低溫反應釜的設計、制造進行了闡述，尤其對反應釜內筒、法蘭、各接管的設計作出了詳細說明。在設計時，設計人員有必要考慮不同材料在特定溫度下的形變，而對設備某關鍵部件的影響，從細枝末節(jié)處把握設備設計的關鍵。