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锆制容器制造注意事项
发表时间：2020/10/12
来源：《基层建设》2020年第16期
作者：马新帅 王春凤
[导读]
摘要：本文首先阐述了锆材压力容器圆筒卷制应注意的事项，接着对锆材焊接应注意的几个要点进行了探讨，本文就醋酸生产工艺系统中锆制容器制造质量控制方面进行一定的探索，仅供参考。
江苏索普化工建设工程有限公司 江苏镇江 212006
摘要：本文首先阐述了锆材压力容器圆筒卷制应注意的事项，接着对锆材焊接应注意的几个要点进行了探讨，本文就醋酸生产工艺系统中锆制容器制造质量控制方面进行一定的探索，仅供参考。
关键词：锆制容器；制造；注意事项
引言
锆在常温下性能稳定，具有比不锈钢、镍基合金及钛更优异的耐腐蚀性能，而且力学性能和工艺性能宜于制造容器和换热器。随着国内化工行业的发展，许多强腐蚀容器正逐步多的采用锆材，大大提高了设备的寿命和可靠性，取得更好的经济效益。由于其外形似钢，通常称这种材料称为锆材或锆钢。锆钢属于特殊材料，其设计、制造、工艺试验、检验检测过程除与一般钢制容器具有相似特征外，还有其特殊要求。而目前制造厂家较少，经验尚不成熟。结合锆材料性质特殊而且昂贵、加工制作具有特殊要求、锆制容器介质具有高毒性和强腐蚀性的特点。
1锆材压力容器圆筒卷制应注意的事项
GBl50.4—2011“压力容器”标准第6.5.1条中只规定了A、B类焊接接头对口错边量的要求，因为通常碳素钢和奥氏体不锈钢的圆筒卷制过程中圆筒两端几乎无塑性变形产生。
锆制圆筒卷制后两端头产生明显的塑性变形与材料本身的弹性模量相关联。弹性模量(E=o／￡)表示该材料在弹性范围内产生单位弹性应变(￡)时所需的应力(a)，从技术意义上来讲它又用来表示材料的“刚度”代表该材料弹性变形的难易程度。
锆材的弹性模量远小于碳钢和奥氏体不锈钢，故它的抗变形能力差，导致在卷制过程中圆筒的两端产生了翘起。例如，锆塔设备的圆筒(R60702)直径由2000mm，板厚6=12.5mm，圆筒高L=2000mm，在卷制后两端翘起的尺寸为Bz60mmHz6mm，如果按这样的尺寸状态下组对，则圆筒组对后的质量必为不合格(参考GBl50.4—2011第6.5.2中接头棱角E值12.5／10+2=1mm)。处理这样问题的方案有两种，一种是将圆筒两端翘起的部分去除掉，另一种是通过正确选择焊接坡口的尺寸和焊接顺序利用焊接接头的收缩应力消除掉翘起的这一缺陷。由于锆材价格昂贵采用第一种方案会造成极大的浪费，应当舍除。经过多次坡口尺寸的设计和焊接顺序的调整，把翘起当成焊接预先的“反变形”来处理取得了成功。
应当特别注意的事项是焊接时形成焊缝的角度的控制和焊接参数的调整，譬如，焊完第二道后用弦长等于350mm的外样板及直尺测量其棱角度，、决定第3道焊道的电流和焊速(保证热输入量在评定的范围内)依次类推，最终达到B类焊接接头组装后“超标”，经过焊接后该接头的棱角度符合标准规定。
2锆材焊接应注意的几个要点
2.1焊前准备
锆材焊接对焊前准备要求很严格，必须去除污垢和创造清洁的施焊环境。板、管材坡口及两侧常用的清理方法通常有两种，一是采用机械法(如磨削，不锈钢丝刷，砂纸)去除表面氧化物，再用丙酮擦洗清除油脂；另一种采用化学清洗去除氧化膜和油脂(2％一4％HF、30％一40％HNO，混合成水溶解液加温N50一60。C清洗1分钟马上水冲洗干燥)。无论采用何种方法清理，建议施焊前对坡口表面及两侧和焊丝表面都应用丙酮或乙醇清洗一次。
为创造洁净的施焊环境，不但对喷嘴惰性气体保护予以重视，气流喷出要保证为层流，避免卷入空气造成污染，而且对焊缝的正反面都要辅助拖罩保护，保证焊缝在焊350。C以上区域有惰性气体笼罩，所以焊锆材的气体保护罩比焊钛材时要宽些、长些，比焊奥氏体不锈钢一般宽1.5倍，长2倍左右。
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为保证气体保护的效果，防止拖罩与工件接触不良，建议保护罩的两侧及后端加装柔性材料避免惰性气体泄漏，提高保护效果。
判断惰性气体的保护效果，应当遵照NB／T47011—2010“锆制压力容器”第6.3.5.5条表6—3“锆焊缝和热影响区表面颜色的规定”，银白色和金黄色为合格，部分蓝色可修磨去除，灰色则不能接受。
为达到上述惰性气体保护的要求，锆材焊接时建议采用纯度大于或等于99.999％的氩气或氦气进行保护而且露点不高于一50。C。手工钨极氩弧焊喷嘴直径应不小于18mm。正面拖罩的保护气体流量应大干或等于20L／min，背面应不小于18L／min为好。
在NB／T47011—2010第6.3.2.3条款中规定了环境的相对湿度不得大干80％。由于锆一钢复合板容器合拢焊缝在密闭的容器中施焊，如果正值我们南方夏季的黄霉季节高温，湿度大，虽然相对湿度不一定超过80％，往往焊工的汗水会污染焊缝，故我们在进行复合材料(锆一钢)模拟试验中，用长200mm(20+3)的试件在垫板下加滴了3滴水珠，焊后将角焊缝单边磨掉翘起造成另一边角焊缝撕裂，检查由于施焊背面水气污染造成的后果，角焊缝断口上出现了多个“白点”这就是焊接缺陷中少见的氢制白点或叫鱼眼坑。它就是焊缝中含氢量过高，在焊缝承受剧烈变形时氢向焊缝中显微缺陷如空穴、位错急剧汇集，局部压力过高所形成的缺陷，中心有小圆珠，四周光滑如镀铬，整个断口呈脆性断裂。这在压力容器制造中是绝不允许存在的缺陷，可见焊接环境的重要性。
2.2焊接热输入量的控制
锆的熔点高约为l845℃，它的热导率低约为碳钢的四分之一，所以焊后冷却速度慢，使得焊接接头区域在高温下停留时间较长，晶粒长大倾向较大，由图6可见焊缝和熔合区的晶粒比母材晶粒粗大，降低了接头的塑性和韧性。尤其应当注意的是，在它相变过程中从B相转变Ot相时如果冷却速度过快会产生魏氏组织脆化了接头，易导致裂纹的产生，故锆的焊接应尽量采用高能量的热源，而且在保证焊接接头不被气体污染的前提下其热输入量不是越低越好。
2.3复合板重要设备角焊缝的检验
在NB／T47011-2010第6，6.4中规定所有锆与锆之间的焊接接头表面都应进行渗透检测。目前锆制压力容器所工作的环境条件压力不高、温度不高、介质腐蚀不严重，渗透检测无疑可满足使用要求，但近来锆一钢复合材料已在醋酐反应设备中被采用，这里工作压力偏高工作温度接近200"(2。锆材的线胀系数约为碳钢的二分之一，在高温度下两种材料的伸长量相差很大，复合板中锆盖板的搭接接头不但承受了工作压力的应力，而且附加了由于温度引起膨胀伸缩的拉伸应力，这就要求盖板搭接的角焊缝应根部焊透，熔合得优良，避免开裂，此时只对表面渗透检测显得不够建议采用先进的相控阵超声检测方法。此检测方法已被江苏省中特创业设备检测有限公司成功的运用在山东华鲁公司的醋酐反应设备上，该反应器已运行近三年证明此检测方法可靠。
结束语
锆材圆筒卷制中翘起变形应采用适应的坡口型式和焊接顺序进行消除；为防焊接环境下氧、氢、氮的污染，焊接时一定加强隋性气体的保护，保护气体的纯度应大于等于99.999％；锆材焊接的焊前准备特别重要，必须用机械加工或化学清先方法去除焊接区域正反面的油污、氧化点；锆材焊接的焊接热输入是要适中不宜过大或过小，以防止焊接接头脆化；重要的复合板压力容器设备盖板的角焊缝除采用渗透检测外，还应采用相控阵超声检测来检测。
参考文献
[1]王坚,杨俊,顾绍珏,左占科.锆制容器筒体环焊缝焊接方法探讨[J].中国化工装备.2019(03)
[2]陈博.纤维缠绕无内衬中低压复合材料容器制造工艺方案[J].纤维复合材料.2017(04)
[3]毕永炽,张梦怡.不锈钢薄壁容器制造工艺分析[J].化工管理.2018(03)
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