钛碳钢复合蒸发器的设计制造技术

王 建 徐 翔

（江苏和诚制药设备制造有限公司，靖江 214500）

当今化工行业高速发展，产生了大量的高含盐废水，由于这些废水成分复杂，含盐量高，传统处理技术很难达到满意效果。对于废水深度处理过程产生的高含盐污水，可以通过蒸发结晶技术实现液体零排放[1]。因此，蒸发法成为现在高含盐废水处理技术的一种重要方法。蒸发装置一般包含蒸发器、分离器、流体机械、仪表阀门及控制系统等。针对废水处理的特殊性，蒸发器的材质选取应当结合设备操作温度、压力以及物料腐蚀性等指标进行综合考虑[2]。钛材料具有很好的比强度、特殊的抗腐蚀性能以及良好的综合工艺性能，在抗腐工况下，钛制设备得到广泛应用[3]。纯钛设备造价高，投资大，但在真空或负压工况下，钛钢复合材料设计参数选择范围非常广，具有造价低、性价比高等优点。高含盐废水蒸发处理中蒸发器的材料为钛与碳钢复合材料，因此需要从材料选择、设计制造控制、过程检验等方面进行探讨和分析，供钛碳钢复合材料设计制造者参考。

1 材料控制

蒸发器的材料选择是设计过程的重要组成部分，材料选择不当会对设备运行带来隐患。蒸发器的材料包括板材、管材、法兰及其他零部件，需认真考虑和选用。

1.1 板材材料的选用

钛碳钢复合板材是将钛材和碳钢通过爆炸成形结合一体，碳钢为基层，钛材为覆层。对于基层碳钢材料除符合《锅炉和压力容器用钢板》（GB713-2014）的规定外，还应以正火状态交货，不允许拼焊。所有基层碳钢板应按《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》（NB/T47013.3-2015）的要求逐张进行超声检测，合格以后才能与覆层进行爆炸复合。蒸发器材料的覆层一般采用TA2材料，材料应符合《三维编织物及其树脂基复合材料弯曲性能试验方法》（GB/T33621-2007）的规定，交货状态为退火。覆层钛材允许拼焊，拼接焊缝应按《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》（NB/T47013.3-2015）的要求逐张进行100%射线检测。钛碳钢复合板整体应退火、校平、剪切及覆层表面去除氧化皮后交货[4]。覆层表面不得有裂纹、夹杂、结疤等缺陷。复合板还应经超声100%扫查检测，达到《压力容器用爆炸焊接复合板第3部分：钛-钢复合板》（NB/T47002.3-2009）中B1级要求。复合板的力学性能、弯曲性能、尺寸偏差等应符合该标准的要求规定。

1.2 管材材料的选用

钛碳钢复合蒸发器的接管通常采用钛无缝钢管，也可采用钢锻件内壁衬钛。由于蒸发器内物料的腐蚀性，衬钛质量的优劣直接影响设备的运行。钛接管应按《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》（GB/T3625-2007）选取，也可以按《钛及钛合金无缝管》（GB/T3624-2010）选用，但应当对管材进行无损检测和水压试验。内壁衬钛的材料厚度为3mm，还需进行外压稳定性校核，确保衬钛厚度满足要求。

1.3 其他材料的选用

对于法兰连接件，一般采用钢锻件衬钛，也可以采用钛法兰件。棒材按《钛及钛合金棒材》（GB/T2965-2007）选取，供货状态为退火。

焊接材料应满足《钛及钛合金焊丝和填充丝》（NB/T47018.7-2011）的要求，严格控制氧、碳、氮、氢等元素的含量。焊丝选用的要求是在正常焊接的工艺下，焊缝在焊接后抗拉强度不低于母材退火状态标准的下限，耐腐蚀性能和塑性不低于退火状态下的母材，焊接性良好并满足制造和使用的要求[4]。焊接使用的氩气需按《氩》（GB/T4842-2017）要求，纯度不得低于99.99%。

2 设计及制造控制

2.1 设备强度的设计

在钛碳钢复合板设备的壁厚设计中，覆材厚度是作为防腐蚀而设计的，因此不考虑覆材的强度，而碳钢基材厚度选取则需要考虑设备的强度要求。钛碳钢复合板供货时，覆材厚度允许偏差为覆材公称厚度的±10%，且不大于±1.0mm，基材厚度允许偏差为基材标准偏差值和正负偏差值各减0.5mm[5]。钛碳钢复合板总厚度允许偏差为覆材允许偏差与基材允许偏差之和。因此，钛碳钢复合板设计时需考虑到材料加工引起的偏差，避免选材厚度达不到设计的要求。

在对钛碳钢复合板封头进行强度计算时只需考虑基材的厚度，在验收时可进一步确定基材厚度值，并将封头成形后的基材厚度不小于图纸标注的基材厚度作为一项验收标准。在设计制造时，设计和制造单位应考虑在封头加工成形过程中存在的厚度减薄率问题，且封头成形厚度减薄率和封头形式、公称直径、钢材厚度相关联，因此这个减薄率是不容忽视的。

钛材设计所涉及的焊接接头系数的选取不同于其他金属容器，双面焊对接接头或双面焊的全焊对接接头的焊接接头系数只可取0.95，不能选取1.0。

2.2 设备焊缝结构的设计与制造

钛碳钢复合板基层和覆层材料的力学、化学、物理和工艺性都存在较大的差异。钛的熔点高，导热系数小，钛和碳钢焊接相互熔合时易形成硬而脆的FeTi金属化合物，使得焊接部位的塑性和韧性降低，且冷却时容易产生裂纹，降低覆材的耐腐蚀性和基材的强度。为避免这种现象发生，需对覆材和基材分别焊接，还需要做好保护工作。

钛覆材的焊接比较复杂且焊材价格昂贵，焊接需小电流、低线能量的输入，所以焊接接头设计时应选用焊接变形小、结构应力低、坡口表面易清洗、填充金属少，在保证焊接质量的同时也要便于加工操作。根据组对位置的不同，钛碳钢复合蒸发器的焊接有以下三种形式。

2.2.1 壳体焊接接头

壳体的对接接头结构分为A、B类对接接头和T形焊接接头，两种形式的焊接接头需分别进行设计要求。A、B类对接接头在焊接基层时，先采用机械方法去除焊接接头两侧10mm的钛复合层，以防止基层金属熔焊到覆层中，同时也可以防止钛覆层因温度过高发生氧化。先将基层焊接完毕，基层焊缝背面磨平并经检测合格后，放置一块钛垫板，钛垫板与钛覆层间断点固。然后在钛垫板上覆盖一层钛盖板，钛盖板和钛覆层之间进行角焊缝连续焊接。为了检验角焊缝的焊接质量一般在基层焊缝钻一个6mm的圆检漏孔。T形焊接接头采用一个单独带有圆弧角的T形盖板，为了保证焊接时焊缝背面金属提供足够的氩气，需对盖板与覆层之间的焊接接头进行检漏，每条纵向接头的焊层上至少钻两个6mm的圆检漏孔，且位置尽量靠近两端环向焊接接头。为了能够及时检测发生泄漏的覆层部位，T形盖板下面的垫板与另一筒节纵向焊接接头连接的衬板接口处应用钎焊密封。

2.2.2 接管与壳体焊接接头

钛碳钢复合蒸发器的接管采用无缝碳钢管或碳钢锻管内衬钛层，接管根部附近的钛衬里应搭接在壳体的覆层钛之上，搭接长度为80mm。在接管焊接接头附近壳体复合处，用合适的钛垫板填充完整以保证钛垫板的表面与覆层钛材的表面相互齐平。在基层上的高低点分别钻两个6mm的圆检漏孔以便检验焊缝的焊接质量。钢管的内表面必须打磨平滑并去除表面的氧化皮、油污及其他附着物，使其表面干净光洁，钛衬里成型应整体加工且与钢管内部紧贴，衬里成型时可使用套合法或机械胀紧法，但不得进行强力组装。为了减少连接处焊接接头的最大应力，保证交接处有足够的挠性，接管衬钛及壳体衬钛的连接结构应经计算选取[6]。

2.2.3 接管与法兰焊接接头

接管法兰通常采用碳钢法兰衬钛的方法。螺栓紧固载荷及相连管道载荷由碳钢法兰承受，钛材层仅作为密封面。在钛层密封面上均匀设置一定数量的钛制沉头螺钉与碳钢法兰连接，钛制沉头螺钉与密封面之间用氩弧焊密封之后进行机械加工，满足密封要求。

3 过程检验控制

制造加工的过程是产品质量和安全保证的重要环节。钛材的加工制造应在独立区域内进行，焊接需要空气洁净、无尘、无烟的环境。钛材焊缝和热影响区的宏观检查用10倍放大镜进行100%检查，表面不应有裂纹、未熔合等缺陷，焊缝外也不应有打弧点。在焊接完工后对所有原始状态的钛焊缝表面颜色进行检验，判断是否合格。

根据蒸发器的材料、结构特点以及实际应用情况，确定合理的无损检测方法、比例及合格标准与级别。首先利用射线检测方法对焊接完成后的基材A、B类焊接接头进行检测，发现超标缺陷及时返修。钛材的焊接接头射线检测结果评定和质量分级不同于钢制设备，应符合《承压设备无损检测》（NB/T47013.2-2015）要求[7]。检测合格后，再对基材焊缝进行打磨处理。对于C、D类焊接接头以及其他焊接接头，根据焊接部位的重要程度以及设备的具体情况，确定焊接接头的检测方法和合格级别。在钛复合板及接管内衬焊接完毕并去除其表面缺陷后，对所有钛材的全部焊缝进行渗透检验并使用可靠的白显影剂。

钛碳钢复合设备的耐压试验一般采用水压试验。基层焊接完成且无损检测合格后进行初步水压试验。钛覆层、钛垫板及钛盖板焊接完成且渗透检验合格后进行泄漏检测，用0.1MPa的空气或氩气从垫板或管衬背面的检漏孔进入，用肥皂水对焊缝进行检漏。泄漏检测合格后按图样要求的方法进行最终水压试验，水压试验后，将水排尽，再用压缩空气将内部吹干。

4 结语

在钛碳钢复合蒸发器的设计制造中，有很多技术要点需要注意。设计人员应充分结合实际制造过程中的要求，在材料控制、设计制造控制及过程检测控制等方面进行综合考虑，确保钛碳钢复合蒸发器在设计使用年限内的安全可靠。