厚壁钛塔的制造技术研究及应用

贺学志 杜珊珊 吴 磊 周 挺 徐鹏程

（1.合肥通用机械研究院 2.合肥通用特种材料设备有限公司)

厚壁钛塔的制造技术研究及应用

贺学志*1,2杜珊珊1,2吴 磊1,2周 挺1,2徐鹏程1,2

（1.合肥通用机械研究院 2.合肥通用特种材料设备有限公司)

结合厚壁钛制塔器的结构特点，从塔体、内件的排版和下料，封头成形，塔体组装以及焊接和保护等方面，进行了较全面的阐述，可为同类设备的制造提供借鉴和参考。

塔器 等离子弧焊接 钛合金 厚壁 机械加工 热成形 氩弧焊

0 前言

钛具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能，被广泛应用于国民经济各个领域。特别是在化工生产中，用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属作为耐腐蚀材料。钛及其合金已作为一种优异的耐腐蚀结构材料在化工生产中得到广泛应用，从最初的 “纯碱与烧碱工业”扩展到了氯酸盐、氯化铵、尿素、有机合成、染料、无机盐、农药、合成纤维、化肥和精细化工等诸多行业。

近年来，精对苯二甲酸（PTA）、醋酸行业对钛质化工设备需求持续增加。厚壁钛制塔器是烯烃/醋酸加成合成醋酸仲丁酯装置中的关键核心设备，装置中精馏塔、脱轻塔均为钛材 （TA2）制设备。为提高装置投资效率，装置大型化要求设备向更大尺寸、更高参数发展。以一套产能为4万t/a醋酸仲丁酯装置为例，其中精馏塔直径为2.4 m，高约63 m，含塔盘在内需要钛材约40 t，单台设备总价约500万元。设备制造过程中，需要攻克厚壁钛合金成形、加工和焊接等技术难题。这种钛设备价值高、技术含量高、附加值高，市场需求稳定。

近年来，国内山东、湖南、陕西等地先后投资建设醋酸仲丁酯装置；同时，盐化工、PTA等行业对钛设备的需求量也持续扩大。2012年以来，合肥通用特种材料设备有限公司已成功设计并制造了8台套钛反应器——酯化反应器；2014年新签订了2台厚壁钛制塔器制造合同。为顺利完成该型厚壁钛塔的制造，进一步抢占市场，经该公司研究，决定开展厚壁钛制塔器的制造技术研究，以形成关键技术自有的产品。

1 设备结构形式及相关技术参数

该设备为板式精馏塔，由上下椭圆封头、筒体、裙座、接管、法兰、120层塔盘等组焊而成。设备内径为2400 mm，主体材料为TA2，其中筒节厚度分别为 22、18、14、12 mm。设备总长约61 878 mm，净质量为38 095 kg。该塔设备的结构简图如图1所示，相关技术参数见表1。

图1 板式精馏塔结构

表1 板式精馏塔相关技术参数

2 钛材设备制造环境及加工的特殊要求

2.1 钛材设备制造环境要求

（1）钛材表面应采用纸质贴膜进行保护，以避免灰尘、油污、铁离子等其它污物的污染，同时也可以避免搬运或加工过程中划伤钛材表面。

（2）钛容器制造应有专用的有色金属清洁场地、相应的材料保护措施，以防止在加工过程中钛材与钢材等混放而造成污染及损伤。如场地可铺设橡胶或其他软质材料等。

（3）钛容器制造时应有专用的或进行过防护措施的各种加工成形设备，包括切割、起吊、卷制、组装、焊接等工序中所使用的各种设备，以防止钛材在加工过程中受到污染及损伤。

（4）钛材焊接应有清洁的环境，最好在独立的钛加工车间进行，并与其它作业区隔开。另外，钛材焊接应远离通风口和敞开的门窗处。若在室外操作，如现场制作、维修或补焊，则焊接作业处的风速要控制在小于6 m/s，相对湿度小于90%。若条件许可，在钛材焊接场地可铺设地板，以防止铁污染。此外，搭防尘棚，配备去湿机，都对提高焊接质量大有好处。

2.2 钛材划线、下料及坡口加工要求

（1）材料划线时不应损伤表面质量。可采用铅笔或记号笔划线，在以后的加工中能够消除的划线允许打样冲眼。

（2）钛材可采用火焰切割、等离子切割、冲剪、水刀等机械加工或切割方法下料。采用火焰切割时必须留出宽10～15 mm的热影响区加工余量，同时须将熔渣清理干净。当采用火焰或等离子切割时，不允许火花飞溅在钛材表面，切割边缘必须用打磨或机械加工方法去除污染层。

（3）筒体与零部件的下料：钛材与不锈钢、铝材一样， 表面不得有硬印标记 （样冲孔等）， 应用铅笔 （色笔）划线。钛薄板可以剪切下料；厚板可用氧乙炔焰或等离子弧切割， 切口要留足加工余量，并用机械方法去除表面污染层。为了防止在各道工序中钛材表面受到损坏，其表面应贴牛皮纸加以保护。钛表面打磨只能用橡胶或尼龙掺和氧化铝的砂轮，绝不能用打磨过碳钢的砂轮，打磨时钛材表面不允许出现过热的色泽。

（4）钛制容器的焊接坡口应采用机械方法加工（如刨边机加工），坡口表面不得有裂纹、分层和夹渣等缺陷。

3 主要部件的工艺控制

3.1 塔体板材及内件排版

设备塔体及内件板材规格和数量颇多，且设备制造工期紧，为便于生产制造及按期完成任务，经综合考虑，决定塔器筒体均采购定尺板（定长定宽），塔内件也按排版后的定尺板采购，板材到厂后按照排版图下料制造。部分零部件排版图见图2。

图2 部分零部件排版图

3.2 筒体冷卷成形

钛制厚壁筒体冷卷成形前，应先对筒体压头，以保证筒体纵缝对口棱角度，避免筒体卷圆时错边。卷板机的辊子表面应保持干净，最好在钛板上垫一层不锈钢薄板，或者在卷板机辊子上缠绕麻绳等，以保护钛板表面不被污染及损伤。另外，由于钛的弹性模量较低，回弹量大，可采用模压法预弯或在三辊卷板机上用模板滚压成形。要认真对待和严控筒体纵缝棱角，防止产生较大的组对应力。

3.3 机械加工

钛设备制造时有大量的零部件需要机械加工，如法兰、盲板及焊接坡口的加工等。钛的机械加工应采用较大的进刀量和较低的切削速度。在切削过程中不可停止走刀，同时需要使用足够的切削润滑液来进行冷却[3]。当采用砂轮进行局部修整时，只能采用橡胶或尼龙掺和氧化铝的砂轮，不能使用碳化硅砂轮 (防止磨粒脱落而使钛材增碳)，也不能使用打磨过碳钢的砂轮，以防止铁污染，同时要掌握力度，防止钛材过热。

3.4 封头热成形

封头冲压尽量采用热成形或冷成形后热矫形的方法。工业纯钛低温热成形和热矫形的加热温度为177～325℃；钛合金为427±15℃。工业纯钛高温热成形的加热温度为550～750℃，但最高温度不得高于β相的转变温度882℃ (β相钛合金除外)。

由于钛的化学性质极为活泼，在高温状态下更易氧化，因此封头热加工时必须注意下列事项：

（1）加热前应将工件表面的油污和其它附着物全部清除干净。若工件高温 (350℃以上)热加工后不再需要进行机械加工，其表面可涂以耐高温涂料，以防止表面被氧化、污染。

（2）加热一般应采用电炉，加热要均匀。

为防止工件在冲压过程中被划伤或粘模，钛材表面所涂润滑剂的摩擦系数应是比较高的。

4 塔体组装

该板式精馏塔内件及接管较多，为了方便运输，最终确定塔器分两段进行制作，在现场组对合拢。结合实际采购的钛板材板幅，以设备的接管及内件安装尽量避开设备纵、环焊缝为原则，确定塔体筒节布置及分段位置，具体见图3。

5 焊接 [2 ]

钛的化学性质极为活泼，600℃以上会和氧、氮发生急剧的化合反应，1000℃以上就会与碳形成大量脆性化合物，熔融状态下几乎能和任何元素起化合作用，因此不能采用手工电弧焊和气焊等，而必须采用惰性气体双面保护电弧焊等方法焊接。

5.1 等离子弧焊

图3 塔体筒节布置及分段位置

等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和周围保护气体一般用氩。根据不同工件的材料性质，也有使用氦或氩氦、氩氢等混合气体的。

等离子弧焊焊接时，由于其电弧挺直、能量密度大，因而电弧穿透能力强，10～12 mm厚度钢材可不开坡口，一次焊透双面成形，焊接速度快、生产率高、应力变形小。等离子弧焊焊接时产生的小孔效应，对于一定厚度范围内的大多数金属可以不开坡口进行对接，并能保证熔透和焊缝均匀一致。因此，等离子弧焊的生产率高、焊缝质量好。但等离子弧焊设备 （包括喷嘴）比较复杂，对焊接工艺参数的控制要求较高。钨极气体保护电弧焊可焊接的绝大多数金属，均可采用等离子弧焊焊接。与之相比，对于1 mm以下的极薄的金属的焊接，用等离子弧焊可较易进行。

5.2 手工氩弧焊

氩弧焊是使用氩气作为保护气体的一种焊接技术，又称氩气体保护焊。氩弧焊就是在电弧焊的周围通上氩气保护气体，将空气隔离在焊区之外，以防止焊区被氧化。氩弧焊技术是在普通电弧焊原理的基础上，利用氩气对金属焊材进行保护。氩弧焊通过大电流使焊材在被焊基材上融化形成熔池，从而使被焊金属和焊材达到冶金结合。由于在高温熔融焊接中不断通入氩气，使焊材不能和空气中的氧气接触，从而防止了焊材的氧化，因此氩弧焊可以焊接不锈钢、钛类等金属。

5.3 焊接保护

焊接的保护气可用氩气、氮气、氦气或其中二者之混合气。一般采用氩气，并且纯度不应低于99.99%。焊接时也可采用水冷却保护方式。

5.4 选择合理的焊接结构

结合该公司现有设备的加工能力，确定厚壁筒体焊接结构采用阶梯坡口形式。采用等离子弧焊与手工氩弧焊或机械氩弧焊相结合的方式进行焊接，以等离子弧焊打底，手工氩弧焊或机械氩弧焊填充和盖面。焊接坡口具体结构见图4。

6 设备成型及检验

该钛制塔器按TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB 150—2011《压力容器》、JB/T 4745—2002《钛制焊接容器》以及图样要求等进行制造、检验和验收。设备成型图见图5。

图4 厚壁钛板坡口形式

图5 设备成型图

设备经检验合格后对其进行水压试验和气密性试验，以检验塔器的整体强度、刚度，检查焊接接头的致密性，验证密封结构的密封性能以及消除或降低焊接残余应力、局部不连续区的峰值应力等。

7 总结

本文针对厚壁钛制塔器设备的结构特点，从钛塔主材及内件排版和下料、封头成形、厚壁钛筒体焊接及保护、钛塔内件焊接及保护等方面进行了较全面的阐述，可为同类设备制造提供借鉴和参考。

厚壁钛筒体焊接结构采用阶梯坡口形式，使用等离子弧焊与手工氩弧焊或机械氩弧焊相结合的方式进行焊接，以等离子弧焊打底，手工氩弧焊或机械氩弧焊填充和盖面。这种焊接方式可以很好地保证焊接质量以及提高焊接效率。

[1]李德华，陈志勇.钛合金切削中刀具材料选用与加工工艺介绍 [J].湖北航天科技，2002，40（449）：17-19.

[2]孙景荣.实用焊工手册 [M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]钢制塔式容器:JB/T 4710-2005 [S].北京：新华出版社，2005.

[4]钛制焊接容器:JB/T 4745-2002 [S].昆明：云南科技出版社，2003.

Research and Application of Manufacturing Technology for Thick-walled Titanium Tower

He XuezhiDu Shanshan Wu LeiZhou Ting Xu Pengcheng

Combining with the structural characteristics of thick-walled titanium tower,the paper gives a comprehensive description of the layout and blanking of tower body and internals,the forming of tower head,the assembly of tower body,the welding and protection of tower body and internals,which can provide a reference for manufacturing similar equipment.

Tower;Plasma-arc welding;Titanium alloy;Thick wall;Machining;Thermal forming;Argon-arc welding

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.013

2016-08-29)

*贺学志，男，1986年生，助理工程师。合肥市，230031。