钛制压力容器的制造与检验要点

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【摘要】本文通过对硫酸铜蒸发罐的生产实例全面介绍了钛制压力容器的设计、焊接、加工等制造要点以及制造完成后的检验原理、步骤和重点。

【关键词】钛 压力容器 制造 检验

某公司接到一批硫酸铜蒸发罐的订单，介质为CuSO4+H2SO4，设计温度150℃，设计压力0.25Mpa。考虑到钛在含有氯、溴、醋酸、硫酸、硝酸等腐蚀性介质中具有比不锈钢、铝、铜更优良的耐蚀性，特选用了钛材。但是钛制压力容器比普通的钢制压力容器在技术上有更多难度，积累经验也少得多，为此作者对钛制容器在材料选用、加工卷制、焊接、热处理、检验上的要点进行了一系列的论证。

1 材料选用

钛存在两种同素异构晶体形态，α为密排六角结构，β为体心立方结构。因为882.5℃以下，密排六角结构最稳定，所以压力容器设计中应采用α合金状态，即TA牌号。根据氧含量的不同，分为TA0-TA3共4种牌号，机械强度和硬度逐级增加，抗腐蚀性能相近。TA1和TA2的耐腐蚀性能和综合性能适中，TA0具有较好的成型性能，TA3具有较高强度和耐磨性能，考虑到经济性，选用TA2牌号。

由于钛及钛合金的抗拉强度随温度的升高而下降较快，见表1，因为硫酸铜蒸发罐的工作温度约为140℃，考虑到该温度下抗拉强度与常温下有较大差距，所以选用钛-钢复合板.综合考虑复合板的力学性能指标和工艺性能指标选用S30408+TA2。2 筒体的卷制与封头的冲压

钛材在剪切过程中，易产生塑性变形，加之温度过高，容易与空气中的氧、氮等反，产生加工硬化，降低防腐蚀性能，所以选用水下切割的方法。

钢板卷制过程中，在钢板厚度方向上，外层收到拉伸，内层收到压缩，存在一定的剪切应力。由于钛-钢复合板按目前的生产技术一般采用爆炸法，界面存有一定的应力，叠加卷制产生的剪切应力，将面临巨大的剥离风险。因此必须采用特殊的卷制方法：

（1）使用合适的预弯模版进行板端预弯；

（2）卷板一次压下量不宜过大，避免同一区域往复成形；

（3）纵缝基层焊接完毕后进行无损检测；

（4）尽可能减少筒体找圆次数。

根据JB/T4745-2002，钛封头应尽量采用热成形。因为钛的屈强比较大，屈服极限与弹性模量的比值也较大，在封头成形时，内部存在较大应力，所以一般采用热成形或冷成形后热校形。

3 焊接 3.1 焊接接头的设计

由于液态下钛与钢会产生金属间化合物而严重脆化，钛与钢不能直接熔焊，故钛复层与钢基层单独进行焊接。选用如图1的焊接接头形式，通过加钛盖板来防止焊接接头被介质腐蚀，而焊接接头的强度则由钢基层焊缝来保证。

3.2 焊接工工艺参数的选择

在焊接前，应进行纯钛板对接的工艺评定，验证钛材焊接工艺性能。焊前开60oV形坡口，钨极直径20mm，喷嘴直径9mm，氩气流量10～12 L/min。具体工艺参数如表2所示。

3.3 注意事项

（1）焊工必须按“钛容器焊工考试规则”进行考核并取得相应资格证书；

（2）接头组对焊接先焊基材部分，基层焊完后先进行无损检测，因为容器的强度主要由基层保证，必须及时发现焊接缺陷，保证质量。4 检验程序4.1 目测检查

焊接完毕首先进行目测检查，焊缝颜色以银色和金黄色为合格，蓝色及灰白色必须返修。这是因为在焊接过程中，随着温度的升高钛吸收氢、氧、氮的能力逐步提高，大约250℃开始吸收氢，400℃开始吸收氧（轻微氧化为金黄色，中度氧化为金紫色，深度氧化为深蓝色），600℃开始吸收氮（灰白色），这些气体被吸收后将直接引起焊接接头脆化是影响焊接质量的极为重要的因素。这也正好解释了TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》中的规定“钛和钛合金用于压力容器受压元件时应符合以下条件：钛和钛合金的设计温度不高于315℃，钛钢复合板的设计温度不高于350℃”。

4.2 无损检测

由于盛装介质H2SO4为中度危害根据JB/ T4745-2002《钛制焊接容器》10.5.2.1（b）和10.5.3的规定对A、B类接头进行100%RT检测，II级合格；C、D类焊接接头进行PT检测，I级合格

4.3 压力试验

由于基层为S30408，所以液压试验温度要注意不低于15 ℃。试验时压力缓慢上升至试验压力保压30min后，降至规定试验压力的80%保持足够长时间后对所有焊接接头和连接部位进行检查。

4.4 热气循环试验

因为通常的压力试验不能对设计温度下钛层和钛焊缝受拉伸热应力产生的影响进行检验，所以还需模拟真实操作条件，进行热气循环试验，进一步验证容器制作的质量。步骤如下：

（2）达到试验温度后，匀速充入氮气，最终达到试验压力；

（3）保持一定时间；（4）缓慢降温，压力保持试验压力；（5）温度降至常温后，将压力降为常压；

（6）重复1-5步后，降为常温常压试验结束。

4.5 钛焊缝和法兰密封面的阳极化处理

因为钛钢复合板在介质H2SO4中，钛与钢接触，产生电偶腐蚀，使钛成为阴极开始析氢加速钛的腐蚀，而且容易引起钛的氢脆。解决办法是对钛表面进行阳极化处理。阳极化的方法虽然国家标准中还没有相关的规定，但是国内外有很多论述，本文不再赘述。

5 结论

通过以上技术分析及采取相应的措施，该公司首次制造钛制容器得到用户的好评，目前在安全使用中。

参考文献

[1] JB/T4745-2002.钛制焊接容器，云南科技出版社出版，2003

[2] 徐明林，辛湘杰.《钛设备设计制造与应用》