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压力容器特材应用简介 钛和钛合金 一 钛和钛合金 特点 比重小 比强度高 耐腐蚀性能好应用 行业 石油化工 制药 制盐 合成化工 航空 冶金 电子 设备 塔器 反应釜 搅拌器 过滤器 各种型式的换热器 固定管板式 U型管式 盘管 板式 螺旋板式等 泵和阀 国内钛设备应用 钛及钛合金常用牌号 钛及钛合金常用标准GB T6611 1986 钛及钛合金术语 GB T3620 2 1994 钛及钛合金加工产品化学成份及成分偏差 GB T3621 1994 钛及钛合金板材 GB T3624 1995 钛及钛合金管 GB T3625 1995 热交换器及冷凝器用钛及钛合金管 GB T2965 1996 钛及钛合金棒材 GB T16598 1996 钛及钛合金饼和环 GB T3622 1999 钛及钛合金带 箔材 GB T6612 1986 重要用途的TA9钛合金板材 GB T6613 1986 重要用途的TC4钛合金板材 GB T2966 1996 优质TC4钛合金棒材 JB T4745 2002钛设备制作标准 钛制焊接容器 注 数表示在过去几年压力容器制作中的使用频率 钛及钛合金化学性能 钛是第22号元素 化学符号为Ti 在地壳中的储量占第九位 在结构金属中仅次于铝 铁和镁 但因其活性高 难分离 产量却偏低 在结构金属中次于铁 铝 铜 锌 铅 镍 镁 铬 锡而占第十位 钛的化学性质活泼 在大气中室温时比较稳定 在200 300 以上按抛物线规律与氧化合生成致密的氧化保护膜 在250 左右开始吸氢 当温度超过400 时 开始与氧 氮 氢发生反应 温度达到600 时发生剧烈氧化 氮化和吸氢 高于1000 开始与碳化合 钛与氢气的反应 就是吸氢 又叫氢脆 会使钛塑性严重下降 钛与氧气的反应 200 300 可生成氧化膜 600 以上 开始剧烈反应 钛的氧化物分类 温度及相应颜色见下表 其中银白与金黄是合格产品 400 钛与氮气反应 600 加剧 使塑性降低 1000 钛才与C反应 高温下 钛也会与铁发生反应 Ti Fe TiFe TiFe2钛与铁反应的危害 形成针形马氏体 分布在晶间 塑性降低 为钛吸氢创造条件 降低了钛的抗腐蚀性 钛及钛合金物理性能 1 钛的比重小 4 51g cm3 仅为钢的60 左右 2 钛的弹性模量低 TA2在常温下为113000MPa 仅为钢的50 左右 3 钛的导热系数小 常温下TA2为0 0407 是低碳钢的1 4 与不锈钢相当 4 钛的线膨胀系数小 常温下TA2为8 6x10 6 约为低碳钢的74 奥氏体不锈钢的50 5 钛的熔点比碳钢和不锈钢略高 常温下TA2为1660 钢约为1500 6 钛的比热和比电阻与奥氏体不锈钢相近 无磁性 钛材物理性能与温度的关系 钛及钛合金机械性能 1 工业纯钛一般在退火状态下使用 工艺为680 700 保温0 5 2小时 空冷 2 工业纯钛没有明显的屈服点 回弹大 屈强比高 胀管率低 3 工业纯钛抗拉强度和变形速率有很大关系 即钛对拉伸试验时的拉伸速度敏感性很大 拉伸速度提高时 抗拉强度上升 延伸率及断面收缩率下降 4 工业纯钛的冲击韧性与材料所含氢 氧 氮等杂质有很大关系 我国材料标准中不考核钛材的冲击韧性 5 钛的塑性与温度的关系见表 6 工业纯钛在常温下也有蠕变现象 即长期在应力作用下会发生永久性变形 7 工业纯钛具有较高的疲劳强度 它在空气中的疲劳强度适用于海水等腐蚀介质中 而钢的疲劳寿命在海水中比空气中要减少50 左右 8 工业纯钛唯一的热处理就是退火 不能用调质等热处理提高它的机械强度 9 钛合金中Ti 0 2Pd TA9 与Ti 0 3Mo 0 8Ni TA10 的机械性能与工业纯钛相近 10 Ti 6AL 4V TC4 合金含有6 Al和4 V 提高了合金的热强性能 可在高温高强度场合下使用 TC4合金可进行固熔 时效强化热处理 但当前国内主要是在退火状态下使用 钛及钛合金耐腐蚀性能 1 对中性 氧化性 弱还原性介质耐腐蚀 如淡水 海水 湿氯气 硝酸 醋酸等 2 对强还原性和无水强氧化性等介质不耐腐蚀 如发烟硝酸 氢氟酸 浓度大于3 的盐酸 干氯气等 3 工业纯钛耐应力腐蚀性能极好 只在有限的几种强氧化剂和含卤素元素的介质中才产生应力腐蚀 如发烟硝酸 某些甲醇溶液或盐酸溶液 高温 260 次氯酸盐 温度为300 450 的熔盐或含盐 NaCl 气氛 正已烷 二硫化碳及干氯气等 4 工业纯钛耐缝隙腐蚀性能较差 但Ti 0 2Pd TA9 合金耐缝隙腐蚀性能良好 常用于易产生缝隙腐蚀的介质和部位 Ti 0 2Pd常用与中等浓度硫酸 盐酸和磷酸中 也常用于许多还原性介质和含氯介质中 如氯化铝 氯化钙 柠檬酸 甲酸和草酸 5 Ti 0 3Mo 0 8Ni TA10 合金耐缝隙腐蚀及还原性介质能力 低于Ti 0 2Pd 但好于工业纯钛 因价格较低 常用来代替Ti 0 2Pd Ti 0 3Mo 0 8Ni合金耐氧化性介质的能力却比工业纯钛和Ti 0 2Pd都要好得多 因此常用于较高浓度硝酸溶液中 Ti 0 3Mo 0 8Ni在王水和有机酸溶液中的耐腐蚀性也可与Ti 0 2Pd匹敌 甚至更好 6 钛及钛合金表现优异的典型介质 自来水和蒸馏水 400 以下的水蒸汽 海水 钛在海水中的耐蚀性比其它任何合金包括各种铜镍合金都要好得多 硝酸 沸点以下的水溶液 Ti 0 3Mo 0 8Ni更好 不用于发烟硝酸 浓度小于4 的室温硫酸 更高温度和浓度可用Ti 0 2Pd 60 以下 浓度小于3 的盐酸 更高温度和浓度可用Ti 0 2Pd 35 以下 浓度小于20 的磷酸 更高温度和浓度可用Ti 0 2Pd 硝酸与盐酸和硫酸的混合酸 远优于盐酸和硫酸 其它无机酸 如硼酸 铬酸 氢溴酸 氢碘酸 亚硫酸 湿氯气 湿溴气 湿碘气及不含HF的气态氟和氯化物 不耐干氯气 干溴气 干碘气及液氟 碱性溶液 但不耐 93 的氢氧化钠和50 以上的氢氧化钾溶液 各种高温高浓度的无机盐溶液 仅硫酸氢钠除外 各种有机化合物 含尿素 甲铵溶液 仅不包括高温的三氯醋酸 但甲酸 草酸和柠檬酸要用Ti 0 2Pd或Ti 0 3Mo 0 8Ni 800 以下的液态金属 如镓 铅 锂 镁 汞 钾 钠 锡 锌 铋及其合金 大气和湿二氧化硫 干二氧化硫更好 钛及钛合金的机械加工 1 切割加工受压元件材料的标记移植 不应在钛材和钛钢复合板的耐腐蚀面采用硬印作为标记 确认标记可采用不溶于水的 不含金属颜料的 无硫 无氯的墨水书写 在钛材上划线应尽量采用金属铅笔 只有在以后的加工工序中能去除的部分才允许打冲眼 钛钢复合板的划线应在基层钢板上进行 钛材搬运和加工过程中应用软质材料包和垫 防止钛材表面划伤 钛材的切割和坡口加工一般应采用机械方法 钛钢复合板在剪切时应将钢基层朝下 注意防止分层 厚度较大或形状不规则时也允许用火焰切割或等离子切割 此时应避免火花溅落在钛材表面 且切割边缘和坡口仍应用机械方法加工和去除污染层 采用火焰切割钛材时 速度要比钢板快4 5倍 对小于20mm厚的钛板 其污染深度可达1 5 2mm以上 必须用机械方法去除 因此机加余量不得小于5mm 剪切有色材料时 必须十分注意材料表面保护 要先检查和修整剪板机的台面及压紧柱脚 使其达到平整 光滑 无硬粒 防止有色材料表面压伤 焊接坡口表面不应有裂纹 分层 夹杂及影响焊接质量的其它缺陷 2 弯曲加工钛的塑性具有方向性 弯曲时 弯曲轴线应垂直于轧制方向 圆筒与壳体的卷制一般采用冷卷 当筒体直径小于50倍壁厚时 应采用热卷或卷后热处理 对于直径较小而卷板机不好卷制的圆筒可采用折弯机折制的方法 目前市场上 108以下有无缝管 不须卷制 卷板机滚筒或折弯机折刀表面应清理干净 在卷曲或折制时宜在钛板表面垫上一层薄的镀锌铁板 不锈钢板或塑料薄膜 以保护钛板表面 卷制复合板时不应在同一区域往复成形 在卷制弯曲半径较小的钛钢复合板圆筒时 一次压下量不宜过大 以防止复层剥离 壳体 封头 接管上的翻边应尽量加热到300 C 400 C时进行 翻边不应出现裂口 拉痕 划伤 缩颈等缺陷 管子的弯曲可在冷态或热态下进行 弯管表面不应有裂纹和超过壁厚公差的划伤 凹痕和其它缺陷 弯管外圆弧的壁厚减薄量不应超过17 的名义壁厚 管子弯曲时 必须注意采用防扁 防皱折措施 用直径不大于2mm的石英砂或黄砂作填料装入管内作为芯轴 弯管时一定要使用干砂 并将管内的砂子夯实封牢 用带槽滚轮弯管时 要检查滚轮槽口的匹配和滚轮的表面是否光滑 有无碰伤 棱角 硬颗粒和毛刺 因钛对变形速度敏感 弯曲要慢 因钛的屈强比高 曲弹比大 弯曲时要考虑回弹量且最小弯曲半径必须满足如下要求 管子外径D最小弯曲半径rD 10S S为管子壁厚 r 1 2DD 25Sr 2DD 50Sr 2 75DD 66Sr 3 2D热弯钛型材 含管材 加热温度根据工件大小而定 一般取170 C 350 C以内 如果弯曲较大的工件 工业纯钛加热温度可定为500 C 650 C 钛合金采用550 C 750 C 但表面必须涂保护层 加热时间不宜过长 乙炔气 电炉 煤气炉 酒精喷灯 高频 中频感应加热均可 3 冲压加工钛材的缺陷敏感性高 在冲压加工前必须检查材料表面质量 若有划伤 小孔 微裂纹 一定要预先处理掉 以免在成形的进程中产生裂纹 因钛材塑性小 回弹大 冷冲压成形只用于薄壁 变形量小 弯曲半径大 尺寸精度要求不高的工件 当压制变形量大的工件时 应分段多次压制并进行中间退火 工业纯钛600 C 650 C可以恢复原来的塑性 钛材冷加工硬化倾向较大 为消除压制成形后的残余应力 可以进行最终退火 但由于钛材在加温到400 C以上时 很容易与空气中的气体 氧 氮 氢 起反应 使钛材被污染而降低其塑性 因而要慎选热处理工艺参数 对形状复杂 变形量大的工件 可采用在低温下 200 C 350 C 热态多次冲压成形 变形量每次可达40 板料较厚 强度较高 变形量大 要求精度较精确时 可在高温下成形 加热温度可提高到600 C 800 C 对于需加热到600 C以上热成形的钛工件表面应采用耐高温涂料或其它高温防护措施 以防止表面氧化污染 热成形温度在500 C以下时可不用表面高温防护 热成形温度为500 C 600 C时 表面是否需高温防护视具体情况定 加热炉应保持微氧化性气氛 热冲压钛封头 钛钢复合板封头 钛表面应涂以高温保护剂加热 阴模阳模表面氧化皮必须清理干净 达到基本光滑并严格控制压制温度和压延速度 4 锻造加工钛和钛合金锻造的主要特性是变形抗力大 锻造温度范围窄和缺陷敏感性高 对钛材加热一般采用煤气炉 电炉 感应炉 当用煤气炉加热时 火焰不能直接喷射到金属表面上 最好用罩子覆盖 否则金属会被污染 钛的锻造温度一般控制在800 C 1200 C 温度不宜过高 加热时间不宜过长 但须热透 否则就会被气体污染 吸氢 氧 使晶粒粗大而影响锻件质量 钛和钛合金的镦粗 坯料相对高度 H D 应小于3 最好2 0 2 5 其余锻造中的基本工序如拔长 冲孔 扩孔 芯轴拔长 错移 扭转 切割 弯曲以及锻造比的计算和碳钢锻造操作基本相同 钛和钛合金的锻造温度参考数据见下表 5 胀接加工胀接广泛用于管板与换热管的结合 胀接的方法有二种 一种是柔性胀接 包括橡胶胀 液袋胀 液压胀几种 一种是机械胀接 有手动胀 风动胀 液动胀和电动胀几种 每种胀接方法又有贴胀和强度胀之分 贴胀管板孔内表面可不开槽 强度胀管板内表面开矩形槽 钛管与钛板胀接效果很好 接头强度很高 但钛管与钢板胀接时效果较差 因为钛与钢的膨胀系数几乎差一倍 温度升高后强度会减弱 由于钛对变形速率敏感性高 为避免胀接产生裂纹 应以慢速进行 柔性胀接比机械胀接更适用于钛管 胀接时胀管器的安装位置必须垂直于管板平面 胀管头放置位置恰当 不应偏斜 管孔内开槽可以增加拉脱力 管孔光洁可以增加密封性能 但有降低拉脱力的倾向 一般管孔粗糙度应控制在Ra6 3左右 连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净 不应留有影响胀接质量的毛刺 铁屑 锈斑 油污等 胀接连接时 其胀接长度 不应伸到管板背面 壳程侧 换热管胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡 不应有急剧的棱角 没有经验时应先进行试胀 以确定合适的胀管压力 过胀会造成管子开裂 因欠胀而进行多次胀接 也会造成加工硬化使管子开裂 6 组对 装配钛制零件精度不高 互换性差 装配时需进行选配和调整 装配过程中 常伴有大量焊接 应掌握焊接应力和变形情况 装配时采取适当措施 防止或减少焊后变形和焊后矫正工作 钛制品在组对前 应对其内表面或内件进行清除铁污染处理 组对中 对有可能再次被污染的工序要做好防护措施 吊装钛等有色金属材料时应采用软绳 不允许采用钢丝绳 有色金属筒体纵缝和环缝装配应用与筒体相同的材料制作斜楔或 厂 形件 不准使用铁制作 不许用铁器直接敲打有色金属表面 防止产生铁离子污染 在组装过程中要注意保护有色金属表面和设备法兰密封面 防止产生拉毛和碰伤 组对时要参考设备管口方位图 尽量避免接管开到焊缝上 容器上凡被补强圈 支座 垫板等其它零部件覆盖的焊缝 均应打磨到母材平齐 修磨抛光有色制品外表面局部缺陷时 打磨方向应保持与母材的加工方向一致 轧制方向或切削方向 不准许任意交叉打磨 抛光 对于钛容器耐腐蚀表面的局部伤痕 刻槽等缺陷应予修磨 修磨范围的斜度至少为1 3 修磨的深度应不大于该部位钛材厚度的5 对于压力容器 或10 对于常压容器 且均不大于2mm 否则应予焊补 管板 折流板应全部清除毛刺 锐角倒钝 筒体内部清理干净后方可组对 对管子 管板和折流板要进行去油 脱脂 清洗干净后方可穿管 穿管时 操作人员应穿干净的工作服 戴干净的白手套 工作场地周围不得进行打磨及有粉尘的作业 拉杆上螺母应拧紧 以免在装入或抽出管束时因折流板窜动而损伤换热管 穿管时不应强行敲打 更不能用铁锤敲 换热管表面不得出现凹瘪或划伤 除换热管与管板间以焊接联接外 其它任何零件均不准与换热管相焊 7 酸洗钛表面氧化层厚度 从颜色上大体可分为银白 金黄 兰 紫和灰色 其中兰色和紫色可直接酸洗清除 灰色须经喷砂或用布砂轮轻抛 破碎其氧化皮 即破磷 使其呈现银灰色后方可酸洗 焊缝呈灰色应视为不合格 钛材酸洗液的主要成分为 5 氢氟酸 35 硝酸和60 水 硝酸的作用是除去金属表面的油垢及缓蚀作用 氢氟酸是调节反应速度 氢氟酸少 反应速度慢 过量 在反应速度加快的同时表面会出现微弱的腐蚀 可根据钛表面的氧化程度调整配制比例 但应保持硝酸与氢氟酸的含量比大于5 酸洗液温度宜 50 C 酸洗时间3 10分种 酸洗操作 酸洗 热水冲洗 冷水冲洗 烘干 酸洗过程中搅动 可以加快酸洗的速度 酸洗时应注意观察表面情况 防止过酸洗现象产生 8 切削加工钛的切削加工要求要低速 小进刀量 切削速度比钢低25 50 最好有润滑剂 因钛散热慢 攻丝时比较困难 要把底孔放大 机械攻丝时速度要慢 因为钛的氧化层比较硬 切削加工时要求第一刀进刀要深一些 钛材工件加工更容易变形 注意控制 切削加工中途不要停刀 刀具要锋利 不然容易造成加工硬化 用高速钢和碳化钨合金刀具加工 可获得良好的切削性能 车削钛和钛合金时 要用活顶尖 不能用死顶尖 避免磨擦粘结 攻丝时 如果丝锥折断 可用硝酸清除 因为硝酸能溶解钢而不溶解钛 8 焊接加工采用氩弧焊对接板材时 厚度3mm以上须开坡口 坡口一般为60 70 钝边0 5 1 可用刨 铣 磨等方法加工坡口 并严格控制尺寸 钛板使用气割方法下料时 必须用机械方法去除断面污染层 钛有良好的可焊性 但只要有小量有害杂质的污染 就会严重影响焊缝的质量 所以必须做好焊前清理和焊中的防护 清理范围为焊缝两侧 20mm 首先用汽油或丙酮等无残渣溶剂清除油脂 再用酸洗或抛光法去除氧化膜 当氧化膜为灰黑色时 必须用抛光等机械法或碱洗法清除后再酸洗 焊接前焊道要保持清洁 干燥 清理后不宜久放 严禁用铁器敲打焊口 氢对钛的焊缝危害及大 必须用含氢量低的或经除氢处理的焊丝 焊接保护用氩气的纯度不得低于99 99 为防热影响区过大 应尽量采用较小的电流和较快的速度进行焊接 管子与管板的焊接必须对称进行 否则 管板容易受热变形 1 按照焊接工艺规程 采用规定的坡口型式及尺寸 施焊过程中控制较小线能量 以防止焊接接头附近的钛复层因焊接热量过高而降低结合强度 2 钢基层焊接完毕后 按照 压力容器质量手册 有关要求 施焊人员在规定部位打上焊工代号钢印 并由检验员对焊缝的外观 成形等进行检验 3 焊缝外观检验合格后 按照设计图样规定进行射线探伤 并按JB4730 压力容器无损检测 标准进行验收 4 钢基层A B类焊接接头施焊成型且RT检验合格后 磨平内侧焊缝余高与母材平齐 0 0 5mm 并根据图样规定设置相应的检漏嘴5 压力容器设备的壳体钢焊缝按GB150必须加带产品试板 6 筒体和封头拼焊时 禁止强力组对 以防过大焊接应力存在 封头拼焊时 应注意焊接顺序 以防焊接变形 9 复合板基层焊接质量控制要点 1 焊前清理 对接头两侧的复层贴条区域 各60mm 进行抛光 清洗处理 2 根据设备结构特点 结合我公司制造有色金属设备成熟专有技术及质控要点 复层贴条型式设计采用如图1结构型式 3 贴条宽度按凹槽实际尺寸下料 控制装配间隙 0 0 5mm 工装压紧后定位点焊 贴条与复材间采用自熔及填丝焊接 熔深 2 3 n 4 垫条装配 根据槽宽尺寸 在槽内加入垫条 并定位点固 5 贴条装配 采用工装卡具将贴条压紧贴实 再次用丙酮进行严格清理并点固 同时对焊丝进行清理 6 A B类焊缝贴条T型接头处加盖合适尺寸的加强板 10 复合板复层焊接质量控制要点 1 焊接工艺 根据WPS和PQR 选择TIG 两层施焊 第一层自熔 保证焊透 第二层填丝焊 保证结合强度 严格控制层间温度 2 焊接保护 焊接过程中 正 背面严格氩气保护 氩气纯度大于99 99 3 施焊环境 操作人员必须穿戴干净的劳保用品 鞋套 手套 帽子 焊接区域相对独立 空气洁净 无尘 无烟 风速小于1 5m s 相对湿度小于60 温度不低于5 4 T型接头贴条质量控制要点 对于纵 环焊缝贴条T型交接处 为了保证焊接密封性 对T型接头处覆盖加强板如图 检漏嘴设置在距T型缝50 100mm范围内 11 焊接质量保证措施 5 复合板壳体与接管接头型式如图 此类角接头焊缝坡口型式严格按图样或工艺执行 对称施焊 保证焊透 贴条及加强板焊后分别进行外观检验 着色探伤检验以及气密性检漏试验 6 复合板设备法兰与接管接头型式如图 Inconel600合金材料简介 Inconel600材料主要特性 Inconel600合金是一种Ni Cr合金 可以使用在从低温到1093 的温度范围内 Inconel600合金可以使用在广泛的腐蚀环境下 高的镍含量让600合金对还原性环境有一定的耐蚀性能 同时铬的加入让600合金对弱氧化性环境有一定的耐蚀性能 由于镍含量相当高 所以600合金对氯离子应力腐蚀断裂有优异的耐蚀性能 Inconel600材料物理性能 密度 8 42g cm3比热 0 100 460J kg k磁导率 1 02 Inconel600材料力学性能 屈服强度0 2 MPa 255抗拉强度 MPa 640延伸率 s 45 Inconel600材料化学成分 如下表 Inconel600材料产品形式及标准 600合金的产品形式主要有板材 带材 供货状态主要是退火状态 薄板和带材也可以以正火状态供货 Inconel600材料耐蚀性能及应用 600合金的高镍含量让它对中等强度的还原性环境有良好的耐蚀性能 同时对氯离子应力腐蚀断裂有也良好的耐蚀性能 600合金可以使用在中性和碱性的盐溶液中不会有腐蚀情况发生 600合金对蒸汽和蒸汽 空气 碳的氧化物的混合气体有抵抗力 但在含有硫的高温气体环境中则会腐蚀 600合金在高温时对碳化有极佳的抵抗力 且对氧化有良好的抵抗 所以长期以来此合金被用于热处理工业上 在中等高温时对脱水Cl2和HCl气体有良好的抵抗性 600合金在碱液浓缩过程中耐热应力腐蚀性能 Inconel600材料加工特性 600合金的冷成形性能非常好 可以使用多种加工方式对600合金进行大规模的变形操作 加工硬化倾向比不锈钢低 600合金的切削工具必须选择适当的角度及外形尺寸 600合金焊接性能良好 且可以与碳钢材料焊接 600合金适宜采用惰性气体保护焊 焊材选用ERNiCr 3 锆及锆设备制造 锆材的主要特性锆是一种活性金属 很容易产生氧化反应 如在室温下就能和空气里的氧起反应 形成一层氧化物保护膜 这层保护膜给了锆和锆合金最好的防腐能力 锆对还原性环境的耐蚀性非常好 对大多数酸的抗蚀能力优良 其中对小于10 的沸腾硫酸有良好的耐蚀性能 对10 40 的硫酸可适用至100 对50 60 的硫酸可适用至60 对70 80 的硫酸可适用至35 只在氢氟酸 浓硫酸 王水等介质中腐蚀严重 锆对氧化性环境如硝酸 铬酸也有良好的耐蚀性 但如含有氯化物 如FeCl3 CuCl2 则腐蚀激增 在含有Fe3 和Cu2 的环境还会产生孔蚀 对碱液 熔碱 盐液的耐蚀性能优良 但不耐湿氯 在化学工业中主要应用于盐酸 熔碱 醋酸等行业 锆合金即使在低温下也有良好的延展性 以及与其它工程合金相仿的强度 没有从可塑到脆化的倾向 国内锆材生产情况锆最初用于核工业 由于具有极优良的耐腐蚀性能 随着工业的发展 在石油 化学 环保等行业得到了应用 目前国内化工设备所使用的锆材多数需要进口 虽然 国内宝鸡902厂有锆材供应 但由于是原子能级用锆 其纯度 价格 强度等均不同于国外材料 使用不经济 此外还存在板幅小 材料品种不全等问题 国外锆材生产情况以西欧和美国为代表 拥有生产各种规格锆及锆复合板材料的能力 同时 在材料加工方面也处于领先地位 工业纯锆及锆复合板等特材设备的制造 在国外已有多年的历史 英国BP公司 美国NOOTER公司在特材制造方面均有较为成熟的经验 尤其在冷热加工及焊接工艺方面 这些国外公司出于自身的商业利益 对我国一直进行技术垄断和技术封锁 锆材的化学成分锆合金的锆 铪总含量达95 5 到99 2 其中铪的含量最高可以达到4 5 非核用锆合金分为两个级别 Zr702和Zr705 这两种级别的材料都具有优良的防腐蚀性能 只在物理性能和机械性能方面稍有不同 Zr702是商用材料 Zr705则是锆和铌的合金 以增强其强度和改善其模锻的性能 锆材 Zr702 的物理性质熔点 1852 比热 0 2847KJ导热系数 22W m K热膨胀系数 5 810 6 C 38 弹性模量 99 2Gpa 室温 泊松比 0 35 室温 比重 6 51g cm3 20 国内锆材应用情况锆在很多环境下比不锈钢 镍基合金及钛具有更优异的耐腐蚀性 力学性能和工艺性能也很适宜制造各类化工容器 随着国内化工行业的发展 许多强腐蚀介质的设备正越来越多地采用锆材 大大地提高设备的寿命和可靠性 取得很好的经济效益 目前 国内已有几十家化工厂使用了锆设备 硫酸钛白 过氧化氢 醋酸 农药等工艺设备采用锆材均已取得良好效果 锆材焊接特点锆具有熔点高 热容量小 导热系数小等特点 特别是锆在高温下的化学性质活泼 锆比钛对氧 氢等气体的亲和力更强 焊接溶池和冷却中的焊缝必须严密地置于惰性气体的保护之下 而且保护气体纯度和表面清理好坏直接影响了锆材的焊接质量 因此 锆及其复合板焊接难度大 技术要求高 锆材焊接注意点坡口加工采用机械方法 型式和尺寸在满足好操作的情况下 适应尽量满足小填丝量的原则 焊前机械清理和丙酮清洗焊接区及焊丝 不得存在油污 铁锈 水分等污染物 焊接方法为手工TiG 焊材选用与母材相匹配的焊丝 组对点焊后 应仔细检查焊点质量 若存在有裂纹等缺陷 应打磨去除重焊 焊接规范参数选用小电流 快速焊 不摆动 层间温度 60 层道间采用专用不锈钢丝刷清理 焊接过程中采用正 背面氩气保护 以免合金元素高温氧化烧损 锆材设备的设计 制造由于锆的热膨胀系数大大低于普通钢的膨胀系数 制作锆复合板设备时 应充分考虑升温升压时 由于线膨胀量不同产生很大的应力 导致焊接接头拉裂 从结构设计上应充分考虑 采用适当的补偿措施以减少应力 保证设备使用寿命 锆材设备的设计 制造锆的热膨胀系数低 因而焊接后焊接件的变形较小 锆的弹性模量低 因而焊接后焊接件的残余应力小 锆的氧化物在锆中有较高的溶解度 焊缝中通常不会产生夹渣 焊缝通常也不会产生热裂和冷裂 锆不能和铁 铜 铝等熔焊 因此构件上要避免这种焊接 锆材可以用氧乙炔焰或等离子弧切割 但在加工焊接坡口区域各25mm内不能热切割 锆材设备的设计 制造工业纯锆板材的弯曲成形 在室温下弯曲半径可以达到4 5倍板厚 在200 300 温度下弯曲半径可以3倍板厚 锆材的加工硬化倾向明显 机械加工应采用慢速 大进刀量 并用大量冷却剂和润滑剂 刀具常用硬质合金 锆切削时易着火 车屑宜储存在放水的容器中 锆材设备的设计 制造锆材是一种塑性相对较差的金属 具有各相异性和冷作硬化倾向 因此锆材在冷 热加工过程易开裂 锆在高温下易与空气中的H O N C等元素结合 锆在空气加热中时 425 会严重起皮 540 生成白色氧化锆 700 以上吸氧变脆 材料的硬度提高塑性降低 故在加热过程中必须采取保护措施 以免影响锆材的性能 锆材的热处理性能退火冷加工的纯锆 其消应力退火温度约为300 为降低其腐蚀和吸氢速率及稳定组织 一般都在冷加工后进行消应力退火 消应力退火后 锆合金强度变化不大 而塑性明显提高 淬火锆在迅速冷却时 可能发生切变型马氏体的转变 一般来说 锆及其合金在 区淬火可得到一定程度的硬化 如含有0 02 C 0 03 O 0 135 Al及微量其他杂质的晶条锆在1000 淬火 抗拉强度从269Mpa上升到310Mpa 400 回火后强度还会增加 时效温度通常是500 合金的硬度在最初的3 6小时内增加 然后保持在最大值265 7kg mm2 维氏硬度 如在较低的300 和400 时效 则将缓慢地达到硬度峰值 锆及锆合金的成品硬化迅速 在565 下作半小时至一小时的应力消除热处理就可以把残留应力消除 锆材的应用前景随着各种新技术和新工艺的应用 对设备及材料的耐腐蚀性能的要求越来越高 锆及其复合板材料逐渐在过氧化氢厂 硝酸厂 钛白粉厂 农药厂等得到广泛应用 由于其特有的耐蚀能力 大大地提高了设备的寿命和可靠性 同时减少了停产维修的费用 必将可取得良好的综合经济效益 有着广阔的发展前景 B 3合金 B 3合金是镍钼合金家族中的一个新成员 是在B 2合金基础上的一个改进 B 3合金对于任何温度和浓度的盐酸都有极好的抗腐蚀性 同时它对于硫酸 乙酸 蚁酸 磷酸及其它不具有氧化性的介质也具有良好的抗腐蚀性 B 3合金对点腐蚀应力腐蚀开裂 刀状腐蚀和焊接的热影响区的腐蚀等均有很高的抗力 B 3材料的主要特性 由于改进 B 3合金的热稳定性有了明显的提高 由于在B 3合金中 金属间有害相形成的倾向很小 使它在加热过程中及继后的各种形式的热循环中具有更大的韧性 B 3合金有良好的成形和焊接性能 在1230 加热时 如有足够时间使部件总体均热 可进行锻造和其他热加工 B 3合金是一种低碳合金 可以通过控制终锻温度来达到控制晶粒大小的目的 B 3合金也能通过冷加工来成形 虽然有较快的加工硬化发生 但所有常规的冷加工技术对它均适用 试验表明 B 3合金在浓度为20 的沸腾盐酸中当冷压缩变形度不大于50 时 与它在固溶热处理时相比其抗均匀腐蚀的能力没有降低 除非有特别要求 所有B 3合金材料都是以固溶热处理状态供应 B 3合金的固溶温度是1065 并随后快速淬冷 薄板或线材作光亮退火 其加热温度为1150 随后在氢氛围中冷却 设计过程中应注意的问题 因其B 3合金材料的特殊性能 为了能够获得较好质量的设备 在设计过程中就应该考虑到一些相关问题 虽然B 3合金的热稳定性比B2有了明显的提高 但对其进行固溶热处理还是非常困难 所以还是应该尽量减少在结构设计中采用需要有大变形加工的结构 如封头结构 在允许的情况下 可以采用平盖封头代替椭圆封头 法兰采用PJ SE的形式 以节省材料 法兰的材料应选择不锈钢 避免造成B 3材料的污染等 B 3合金材料制的压力容器 目前在国内并无相关的国家标准 在设计时 应参照ASME标准来进行 对于材料许用应力的按ASME II卷所列的许用应力确定 换热管与管板的连接形式主要有如下几种形式 1 强度焊2 强度焊 贴胀3 密封焊 强度胀4 强度胀 在原换热器上 连接形式选择的是强度胀 这主要是因为原换热器材质材料为B 2合金 B 2合金焊缝金属及热影响区由于易析出 相而导致贫Mo 从而易于产生晶间腐蚀 焊后一般需要进行固溶处理 而对整个加热室进行处理显然很难做到 本次换热器的材料为B 3合金 其焊接性能相对于B 2合金有了很大的提高 焊缝组织在腐蚀环境中依然拥有良好的抗腐蚀性能 焊态组织在50 的沸腾硫酸中腐蚀速率只有0 06mm 焊后可以不进行热处理 另因B 3合金的加工硬化比较严重 如要在已产生加工硬化的换热管孔内挖槽 其难度将非常大 钻孔后加工表面硬度可达到HB400 500 故我们选择强度焊 贴胀为本台换热器管与管板的连接形式 加工制造 1 材料质量的控制和下料镍基合金材料到厂后 摆放在指定的专用存放区 有色金属存放在有色金属库房内 焊材存放在焊材一级库内 注意保护表面 材料检验员针对提供的质量证明书 逐项进行核对和检验 对材料的外观和几何尺寸进行核实 查看实物的各项标记 确保质量证明书的真实性与一致性 并做好记录 经材料检验员确认的材料 再经材料责任人员审核后由库管员进行必要标识 任务号 材质 规格 移植号 由材料检验员作好确认标记 经材料检验员确认 按制度必须复验的主要受压元件材料 还要进行取样复验 凡制造受压组件的材料应有确认的标记 在制造过程中 如原有确认标记被裁掉或材料分成几块 应于材料切割前完成标记移植 不应在材料的耐腐蚀面采用硬印作为材料的确认标记 在材料上划线应尽量采用金属铅笔 只有在以后的加工工序中能去除的部分才允许打冲眼 镍基合金材料在搬运和划线过程中应用软质材料包垫 防止材料表面划伤 镍基合金材料的切割和坡口加工一般应采用机械方法 厚度较大或形状不规则时也允许用等离子切割 此时应避免火花溅落在材料表面 且切割边缘和坡口仍应用机械方法加工和去除污染层 采用等离子切割镍基合金材料 因其热影响区比较大 必须用机械方法去除 因此机械加工余量不得小于5mm 剪切材料时 必须十分注意材料表面保护 要先检查和修整剪板机的台面及压紧柱脚 使其达到平整 光滑 无硬粒 防止有色材料表面压伤 焊接坡口表面不应有裂纹 分层 夹杂及影响焊接质量的其它缺陷 圆筒与壳体的卷制一般采用冷卷 卷板时应采用专用的卷板机进行加工 因镍基材料的加工硬化比较严重 卷制应尽量一次成形 在卷制前可先用其它材料先试卷一下 加工过程中可适当的进行工序间固溶热处理 封头的压制应在采用专用的模具 压制前须将模具表面清理干净 可以使用压制不锈钢封头的模具 本设备封头直径比较小 可采用冷压成形 封头压制成形后 应进行固溶处理 2 压力加工 胀接广泛用于管板与换热管的结合 是靠管子和管板变形来达到密封和紧固的一种连接方法 胀接连接的方法有二种 一种是柔性胀接 一种是机械胀接 柔性胀接方法有 橡胶胀 液袋胀 液压胀几种 机械胀接有 手动胀 风动胀 液动胀和电动胀几种 其中 柔性胀接方法在胀接过程中不会损伤材料表面且比较容易控制胀管压力 比较适合镍基合金材料的胀接 3 胀接 首先要正确掌握胀管器的使用 在胀接时 胀管器的安装位置必须垂直于管板平面 胀管头放置位置恰当 不应偏斜并要控制胀紧力的大小 管板内开槽可以增加拉脱力 管板也光洁可以增加密封性能 但有降低拉脱力和倾向 一般管板孔粗糙度应控制在Ra6 3左右 管板孔不应影响胀接紧密性的缺陷 换热管胀接操作要点 连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净 不应留有影响胀接质量的毛刺 铁屑 锈斑 油污等 胀接连接时 其胀接长度 不应伸也管板背面 壳程侧 换热管胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡 不应有急剧的棱角 胀接时应根据要求选择合适的胀管压力 胀接程度不足 欠胀 或胀接过量 过胀 都不能保证胀接质量 过胀会使管壁减薄过多而导致管了断裂和管板变形 因欠胀而进行多次胀接 也会造成加工硬化使管了开裂 因此在正式胀接前没有经验的情况下应选进行试胀 以确定合适的胀管压力 装配过程中 会有有大量焊接工作 应掌握焊接应力和变形情况 在装配时 要采取适当措施 防止或减少焊后变形和矫正工作 如采用加强圈加强或选择合适的焊接方法和焊接顺序 B 3合金材料制品在组对前 应对其内表面或内件进行清除污染处理 组对中 对有可能再次被污染的工序要做好防护措施 吊装B 3合金材料时应采用软绳 不允许采用钢丝绳 B 3合金材料筒体纵缝和环缝装配不允许采用强力组装的方式 不允许使用铁器真接敲打金属