钛- 钢复合板压力容器改造工艺

张丽丽

北京燕华工程建设有限公司 北京 102502

某化工厂精间苯二甲酸（PIA）装置原氧化反应器（HR- 301）为钛- 钢复合板压力容器，2019 年因生产工艺变动需要对其进行改造，改造的难点为新增两个管口及改造后的氦检测。改造后设计规模为年产5 万t PIA。原氧化反应器至2019 年已运行约30 年，改造后用作第一结晶器（HD- 401）。

原氧化反应器设计温度为 300℃，工作温度为（189±4）℃，设计压力为3.5MPa，工作压力为1.05M～1.25 MPa；改造后的第一结晶器设计温度为215℃，工作温度为177℃，设计压力为1.65 MPa，工作压力为0.7MPa。其使用压力和温度均有所降低。

原氧化反应器高9004mm，内径2825mm，设备筒体壁厚（29＋2.1）mm。设备改造主要内容为将原设备管口PC 和PD 的内伸管C、D 接管去除，新增管口C1、D1，改造部分总质量为150kg。新增管口分别作为主物料的进口和出口，设备新增管口为改造的重点和难点。

1 改造工艺

1.1 设备基本情况

改造设备筒体为钛－钢复合板，其复合方法为爆炸法，新增接管和法兰的基层和衬里层是分离的，只是达到了紧密贴合的程度。设备筒体和新增接管法兰的基层材料均为Q345R，筒体复层和接管衬里层材质为TA2（符合标准ASME SB265 Gr2 要求），Q345R 与TA2 的物理特性及焊接特性差别较大。

1.2 材料焊接性能

Q345R 为低合金热轧钢，其焊接性较好[1]，焊接过程中不易出现焊接裂纹等焊接缺陷，对各种焊接方法适应性较好。焊条电弧焊和钨极气体保护焊的焊接工艺参数见表1。但由于新增接管的基层部分厚度达到70mm，所以必须采用焊前预热的方法和焊后的后热缓冷措施，避免出现焊接应力裂纹。

表1 Q345R焊接工艺参数

工业纯钛的性能受杂质影响很大，杂质含量高则强度提高，而塑性急剧降低。钛具有很高的活性，在高温下与氧、氮、碳、氢等亲合力很强，在300℃以上开始吸氢，在600℃以上大量吸收氧和氮。同时，Fe 离子对工业纯钛的性能影响也非常大，这些杂质元素主要来源于周围环境及焊件、焊材表面杂质[2]。所以，在设备开孔过程中，必须采取有效措施防止钛复层被污染。

工业纯钛焊接时，加热温度过高会造成晶粒尺寸较大；冷却速度过快，高温β 相又易转变成不稳定的α 相，使塑性下降而变脆。为了使焊接接头有良好的力学性能，还必须选择合适的焊接规范，以使过热倾向和淬硬倾向都相对小。综合考虑，工业纯钛焊接选用钨极气体保护焊的焊接方法，工艺参数见表2。

表2 钛管钨极氩弧焊焊接工艺参数

2 改造施工

2.1 施工防护措施

改造设备材质为钛- 钢复合板，钛材易受污染而失去耐腐蚀特性，因此设备改造过程中需做好必要的防护。进入设备内部施工时，确保人孔下方（设备外面）的区域洁净，洁净区域通过铺设5m2橡胶板来实现；设备人孔采用橡胶板加以保护，防止损坏人孔和人孔法兰表面；设备内部搭设铝合金脚手架，端部加橡胶套以避免脚手架和容器表面直接接触；施工人员进入设备内部需穿软底鞋或套鞋，以避免夹带其他金属进入容器，出来后必须马上脱掉专用软底鞋或套鞋；设备改造的管口以上1m 及以下部分铺设橡胶板，橡胶板上层铺设防火布，防止施工过程对钛复合层产生损伤和切割或焊接飞溅污染复层[3]。

2.2 筒体开孔及坡口制备

首先在新增管口C1、D1 的位置进行定位、划线，检查无误后采用等离子切割的方法从钛侧进行开孔。为了保证切割尺寸，为去除热影响物质预留足够的裕量（不小于5mm）。切割完成后，采用砂轮片打磨的方法对基层进行沿口打磨和坡口加工，直至达到设计图纸要求的开孔尺寸和坡口形状。为了减少基层Q345R 焊缝对钛复层的影响，基层焊缝背面加一钛垫环，所以需将原有的钛复层剔除，剔除宽度32mm，复层剥离采用砂轮切割定位与硬质合金工具剔除相结合的方法。

覆层表面机加工后，被加工覆层应该进行渗透检测，并用同一探头在成直角的两个方向上100%超声波检测以确保没有分离和表面缺陷；坡口打磨后要进行100%PT 检测，确认坡口表面没有缺陷。

2.3 焊接

2.3.1 基层焊缝焊接

首先进行基层焊缝焊接。根据工艺分析，基层焊缝焊接前对基层坡口边缘进行预热，预热方法为火焰加热，温度为100℃。加热时严格控制加热区域和加热温度，防止钛复合层产生氧化。焊接方法为GTAW+SMAW，底层焊接控制背面成形质量，因此要尽量做到平齐。基层焊接时热输入量应严格控制，以避免在钛－钢的界面上产生容易开裂的金属化合物。焊后进行后热处理，方法为火焰加热，温度200℃×0.5h。基层焊缝焊接完成后对其内表面进行打磨，要求平整，无任何余高和凹陷；内、外表面要进行PT 检测，检测比例为100%。

2.3.2 钛衬里层焊接

检测无缺陷后，将钛垫环1 和2 放入剥离处（见图1），垫环宽30mm、厚3mm，垫环连侧各留1mm 间隙；将钛材接管松衬里插入基层法兰，要求衬里与钢制元件吻合贴实，贴实方法采用千斤顶顶衬里。

图1 设备开孔、焊接示意图

先后焊接钛焊缝1 和钛焊缝2，所有的钛焊接采用钨极气体保护焊。在进行任何钛材的焊接前，应对周围空气采用菲绕琳试验进行无铁离子污染检测。由于钛材有极易被高温氧化（327℃以上即被氧化）的特性，焊接过程中需在焊缝的熔池、焊缝尾部使用氩气进行保护，氩气采用高纯氩（纯度99.999%以上）。为此，需要制作专用保护罩，保护罩主体为铜制，内含不锈钢丝网进行分配气体[4]。

参加焊接的焊工需要戴上洁净的手套，手套要清洁，时常更新。焊接前用丙酮清除坡口两侧75mm 范围内的水及污物，且在坡口50mm 周围再次用酸洗膏酸洗处理，以降低污染可能性；处理完毕后，用丝绸布进行擦拭（如用棉布容易在坡口上附着细微毛刺，导致焊缝长生气孔）；钛焊缝焊接完成后，焊接银钎焊焊缝。

3 焊接检验

3.1 色泽和外观检查

在焊后未清理焊缝的情况下，进行色泽和外观检查，发现任何下列缺陷，应该进行焊缝处理：

（1）焊缝呈现完全或接近完全蓝色，或者呈现深色；（2）焊缝厚度小于图纸规定的零件厚度；

（3）焊缝余高超过3mm 和母材厚度二者中的较小者；

（4）任何形式的咬边；

（5）根部弧坑超过1.5mm 或25%接管壁厚或管口衬里厚度中的最小者；弧坑导致焊缝总体厚度小于板材厚度；

（6）焊根、中间焊道和最后焊道未焊透；

（7）任何尺寸的裂纹；

（8）允许存在的气孔超过标准规定。

连续角焊缝最终表面应光滑，并且平滑过渡到相邻的钛复合层表面。角焊缝应呈银色或非常浅的金黄色。钛复层如发生金属污染或表面损坏或划伤，应使用不含铁离子的氧化铝或金刚砂砂纸打磨去除污染物。

3.2 无损检测

焊接完成后，对钛焊缝表面按NB/ T47013 进行渗透检测，Ⅰ级为合格。着色剂着色时间不得少于2h，并于24h 后用清洗剂清洗，显影选用色差强烈的白色显影剂。

3.3 水压试验

将设备口进行封堵，封堵采用16mm 厚临时盲板，垫片采用8mm 厚整圈橡胶板。试压采用一级除盐水，保证试压泵及压力表在检验有效期内。压力试验过程中，如发现异常响声、压力下降、油漆脱落或加压装置故障时应立即停止试验，查明原因后卸压处理后再进行试验。设备进行水压试验时，水中的氯离子含量不超过25×10-6。设备充满水后待设备壁温与试验水温大致相同时，缓慢升压到试验压力，稳压30min 不掉压；然后将压力降到设计压力，保持足够的时间，检查无损坏、宏观变形、泄漏及微量渗透为合格；水压试验后，应及时将水排净，并用压缩空气或其他惰性气体将设备内壁吹干。

3.4 氦质谱仪试验

为保证设备的严密性，设备水压试验完成后进行氦质谱仪试验。首先将设备所有管口进行封堵，封堵采用5mm 厚橡胶垫；将容器内抽成真空（＜20Pa 绝压），然后先送入氦气，后送入氮气，最后使气压达到0.07MPa，氦气与氮气比为3∶7；气压保持30min 后检查压力表，表压无下降后，在设备本体所有检测孔（包括旧检测孔和新增管口的检测孔）将仪器报警值设置为氦气泄漏量不小于10－6CC/ SEC；每个检测孔检测时间不小于1min，经过检验，实际检测值均为8.03×10－7CC/ SEC，与大气中氦气含量相同，证明没有氦气泄露[5]。

4 结论

钛－钢复合板压力容器进行开孔、焊接接管改造需严格控制各工序质量。开孔采用等离子方法从钛复层一侧进行切割，切割留有足够余量以去除氧化层和热影响区。开孔边缘必须采用机械方法对钛复层进行不小于30mm 宽度的剥离。焊接作业要先进行基层焊缝焊接，并保证焊接过程对钛复层不产生影响；复层焊接要严格控制焊材和焊件表面及空气中杂质元素的影响。焊接完成后，先后进行色泽检查、外观成形检查、无损检验、水压试验和氦质谱仪试验，保证设备改造的质量。