钛-钢复合板制压力容器设计概述

李 桓 罗永智 王治刚 王芳钰

（兰州兰石重型装备股份有限公司）

随着我国经济的发展，钛材的生产和应用快速增长，钛材能够在高温和低温工况下，对海水、湿氯气、二氧化氯、硝酸、醋酸、浓度低于4%的硫酸、氯化铁、氯化烃类及尿素等中性、氧化性、弱还原性介质具有优良的耐腐蚀性能［1］。 在化工设备上用钛代替碳钢、不锈钢及铜等材料可以大幅提高设备的使用寿命，虽然造价投资大，但经济效益良好。 目前，我国钛-钢复合板生产经验成熟可靠，钛-钢复合板制压力容器［2］已在石油化工、制盐、制碱及制药等行业中广泛应用。

1 钛-钢复合板制压力容器的特点

钛-钢复合板制压力容器的特点如下：

a. 钛-钢复合板材料经济性好。 钛材单位重量的价格约是一般普通钢材的50 倍， 约是不锈钢的6 倍。 若采用纯钛材结构，不但价格昂贵，而且当钛板厚度大于25mm 时，焊接困难，工艺复杂，焊接质量无法保证。

b. 严格避免钢、钛互熔的焊接结构［3］。 钛的熔点高、无磁性，铁在钛中的溶解度仅为0.05%～0.10%，两者焊接困难，不能熔焊。 除此之外，铁等其他金属熔于钛焊缝金属中会形成硬而脆的金属间化合物，极大地降低焊接接头塑性，除爆炸焊接和钎焊外，钛不能直接焊在钢上。

c. 焊接部位要用惰性气体保护。 钛的化学性能极为活泼，会迅速与空气中的氧、氮及氢等气体进行化合作用，形成脆性化合物。 氧和氮会使钛材塑性下降而强度和硬度增高，其中氮的危害程度更大；而氢会使焊接接头的冲击吸收能量值急剧下降，塑性变化小，产生氢脆现象。

d. 外壳设置一定数量的检漏孔。在正常运行时，检漏孔可以检查钛-钢复合层是否泄漏，还可以作为设备温度升高时壳体和衬层间遗留气体的出口； 在制造和检修时由此通入保护气体，对焊缝背面进行保护。

e. 设备操作温度不超过350℃。 钛的膨胀系数约为碳钢的三分之二， 钛-钢复层在高温工况时，热膨胀会引起较大的热应力，会使复层在结构不连续处、应力大的区域发生变形，甚至开裂。

2 钛-钢复合板制压力容器的复层连接结构

2.1 筒体纵、环向焊接接头处复层的连接结构

为避免基层焊接时的热量和熔融金属对复层钛材产生影响，筒体A、B 类焊接接头的坡口边缘处采用机加工方法去除， 组装时要求严格找正，焊接接头的错边量要尽可能小，常用的复层连接结构如图1 所示［4］。

a 结构（图1a）采用银钎焊，焊后打磨至与复层齐平，然后贴紧安装盖板，采用连续焊焊接。 b结构（图1b）采用垫板，垫板与复层的焊接为不全焊透对接焊，然后贴紧安装盖板，采用连续焊焊接。 c 结构（图1c）采用半圆管代替盖板来实现复层的连续性。 从焊缝性能、制造成本综合分析：b结构较好，工程设计时最常用；c 结构虽然焊缝受力情况好，但加工安装比较难，影响设备内件安装，并且仅适用于低压工况。

图1 筒体纵、环向焊接接头处复层的连接结构

2.2 接管衬里与壳体复层的连接结构

设计时，应考虑两种材料不同的膨胀以及在运行和水压试验过程中产生的弹性扭曲和局部塑性变形，这些因素将引起壳体与接管衬里之间的相对移动。 在运行工况苛刻的场合，应保证连接处的挠性，避免结构突变，不让焊缝处于高应力集中状态。

常用的连接结构如图2 所示［5］。

a 结构（图2a），在壳体上开孔，机加工去除开孔边缘范围内的复层钛材，接管与壳体焊接完毕检查合格后，安装钛接管（冷套或热套），手工翻边10～15mm， 完成接管衬里与壳体复层的焊接；该结构不易操作，成本高，常用于压力不高、耐腐蚀性好、应力集中小的场合。

b 结构（图2b），前序与a 结构基本相同，取消了钛接管的手工翻边， 在钛接管外面套入宽度50mm 左右、厚度与复层相同的环形板，然后完成钛环与钛接管、壳体复层之间的焊接；该结构制作简单， 经常用于压力和温度要求不高的场合。

c 和d 结构（图2c、d），在a、b 结构的基础上进行了改进，将开孔边缘机加工去除的复层钛材的宽度增大，在缺口处放置了垫板，与复层不全焊透焊接连接，其余工序与a、b 结构相同。 该结构更加便于焊缝和焊接接头质量检查，改善了钛管衬里的受力状态。

2.3 接管衬里与法兰衬里的连接结构

接管衬里与法兰的连接形式与设备的操作压力、温度、垫片种类和密封要求有关，设计时常用的4 种形式如图3 所示［6］。

a 结构（图3a）适用于工作压力较低、密封要求不高的情况，通常采用非金属垫片。

b 结构（图3b）适用于中等压力工况，且要求密封面有一定的精度；钛材密封环除四周与法兰连续银钎焊密封外， 还需用钛制埋头螺钉固定，螺钉头部用氩弧焊密封，最后加工密封面；螺钉直径要求大于6mm，数量根据密封环大小确定。

c 和d 结构（图3c、d）加工制作相对简单，适用于中低压、密封性要求不苛刻的场合，在工程设计中被普遍采用。

3 注意事项

钛-钢复合板制压力容器基层的焊接、 检验可借鉴不锈钢复合板制压力容器的相关技术；壳体钛-钢复层和衬里的加工、 焊接及组装过程要严格按照制造工艺规程进行，避免焊接时保护气体纯度不够；加热炉气氛控制不合理会导致钛吸收气体变脆；使用的工具、场地不合适会导致钛表面被铁污染［7］。

钛的弹性模量约为低碳钢和不锈钢的一半，变形范围窄，弯曲变形时弹性回弹量大，很难得到尺寸精确的形状。 若零件的壁薄，变形量小，弯曲半径大，成形后尺寸要求不严，则可以采用冷成型；若工件形状复杂，变形量大，则采用热成型。 例如，厚复合板经一次或多次热冲压成形制作封头，冲压时，为防止钛材被污染，要求在钛表面涂热保护层，同时合理控制加热温度，避免钛和钢的内扩散，进而形成易脆的金属层，导致结合强度降低。 若一次冲压加热温度高、变形量大，则容易生成脆性相，复层容易剥离或起皱，这时可以采用多次热冲压工艺。

钛的表面缺陷敏感性大，应避免表面缺陷。

钛-钢复层、衬里焊接时焊材的铁、氢含量应控制在较低水平，焊接接头表面需进行渗透无损检测；还需进行气密性检测或者氦检漏，以保证钛-钢复层焊接的密封性。

钛-钢复合板制压力容器应避免过快、 过大的升降压和升降温（介质与壳体金属温差不大于50℃），以避免局部热应力过大，引起钛材开裂。

设备上钛衬里与钢板的连接形式有爆炸复合、银钎焊、机械固定等方法。

4 结束语

钛-钢复合板以其良好的经济性， 被大量地应用于压力容器， 但是与钢制化工设备相比，在技术上还是存在很多难点， 经验积累不够丰富。钛材具有独特的物理性能和化学性能，技术人员对钛材制压力容器的设计要足够重视，应全面掌握设计、制造和使用方面的关键技术，做到设备设计安全、合理、经济。