电站冷凝器用钛钢复合板结合界面均匀性研究

臧 伟，袁雪婷，郭龙创，张杭永

(1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡 721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡 721008；3.宝钛集团有限公司，陕西宝鸡 721014)

0 引言

随着制造业设备大型化的发展，电站冷凝器对大面积、高质量的钛/钢复合管板的需求不断增大[1-5]，国内制备大面积钛/钢复合管板的技术存在较大问题，在结合的均匀性和稳定性上还不能满足大型装备的特定要求，尤其管板在钻孔过程中容易出现基、复层局部脱层的问题[6-10]。

本文依据爆轰机理[11-13]分析复合板在爆炸焊接过程中的爆炸压力变化规律，采用高低爆速炸药搭配并结合分段布药方式进行大面积钛/钢复合板的爆炸焊接试验，对制备的钛/钢复合板结合界面的微观组织和力学性能进行分析和讨论，制备材料为Gr.2/Gr.70、面积为29 m2的电站冷凝器用大板幅钛/钢复合管板。结果表明，采用2 250～2 300 m/s的高低爆速和分段布药工艺制备的大面积钛/钢复合板，其力学性能符合ASTM B 898—2020，可以满足大型装备的使用要求。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验用复层、基层材料分别为ASME SB265 Gr.2和ASME SA516 Gr.70，规格及数量分别为5 mm×4 450 mm×6 820 mm，4片；31 mm×4 350 mm×6 720 mm，4片。

1.2 试验方法

1.2.1 爆炸焊接试验

采用高低爆速炸药搭配和分段布药爆炸复合，其中静态工艺参数(药高、支撑距离、飞边余量、聚能直径等)相同，分段布药如图1所示。

炸药爆速Vd1>Vd2>Vd3

1.2.2 爆炸爆速的选择

依据爆炸工艺参数基础理论[14]，进行高低炸药爆速搭配测试，炸药为低爆速膨化硝铵炸药，配方为硝铵炸药+工业盐，爆速的测量方法为单段式探针法。选择4种高低爆速搭配，其方案如表1所示。

表1 高低爆速炸药搭配方案

2 结果和讨论

2.1 爆炸压力分布与复合板均匀性的关系

根据单一炸药平铺布药和多种炸药分段布药，结合炸药爆轰压力公式(1)[15]，以距离起爆点处的长度为横坐标，爆轰压力为纵坐标，绘图如图2所示。

(a)单一炸药平铺装药

(1)

其中：

式中,p(x)为距离起爆点x处的爆轰压力，MPa；x为距离起爆点处的长度，mm；r为多方指数，常为定值;ρ为炸药密度，kg/m3；Vd为炸药爆速，m/s；x0为爆轰波反应区的宽度，与炸药有关，mm；r0为炸药颗粒半径，mm；uc为炸药燃烧速度，m/s。

图2(a)为单一炸药平铺布药的爆炸压力的分布规律，在稳定爆轰后，爆轰压力得到稳定，随着时间的增加，压力冲量直线上升，爆炸复合的长度越长、面积越大，爆轰压力冲量增量越大，造成界面焊接质量均匀性差异越大[16]，说明单一炸药平铺布药对爆炸焊接的板幅有一定限制，尤其对互不相熔的两金属(如钛和钢)，对其爆炸焊接质量危害极大。

单一炸药平铺布药在爆炸焊接中界面结合情况如图3所示。在起爆开始，阵面波近似圆的形式发生碰撞，使两金属产生塑性变形，初使碰撞时炸药爆轰产生热能和两金属变形产生的热能射流比较弱，不足以对结合界面造成危害。当圆的直径完成后，这时炸药爆轰压力冲量逐渐加大；同时炸药爆轰产生热能和碰撞变形的热能形成高温射流；加之两长边产生爆轰稀疏波、复板受爆炸变形扰动等共同影响[17]，使得高温射流在结合界面层内以紊流形式向外喷射，造成高温射流喷射、杂乱无序排放，使结合界面产生不均匀结合变形，整板结合均匀性不一致，造成产品质量不稳定。

图3 单一炸药平铺布药爆轰波阵面示意

图2(b)为多种炸药分段布药的爆炸压力的分布规律，当爆轰压力冲量增大到一定阶段时，通过减小炸药爆速来减缓冲量的增大，对板幅较大的钛钢复合板，在结合均匀性方面可以得到有效解决。

多种炸药分段布药在爆炸焊接中界面结合情况如图4所示，在分段处爆速降低，能够减少爆轰阵面波的曲率半径；同时炸药爆轰压力冲量加大的趋势减缓，能够有效控制炸药爆轰产生热能和碰撞变形的热能形成高温射流，使得结合界面高温射流均匀排放程度得到稳定控制，即以层流形式喷射，极大提高界面结合均匀性，稳定控制复合界面结合质量。

垂直于板面的线为分段界面

基于上述理论分析，本文选用多种炸药分段布药的方式，并选取了4种不同爆速的炸药配比进行爆炸焊接试验。

2.2 超声探伤检测结果分析

运用超声波在不同材质界面的反射率、透射率，通过超声检测可对结合质量的均匀性进行定性评定[18-20]。

钛/钢复合板复合界面的声压反射率r可以根据钛与钢两种材料声阻抗按公式(2)计算如下：

(2)

式中，r为复合界面声压反射率；Z1为纯钛的声阻抗，kg/(m2·s)，Z1=27.32×106kg/(m2·s)；Z2为碳钢的声阻抗，kg/(m2·s)，Z2=45.84×106kg/(m2·s)。

超声探伤时，一次底波B1与复合界面的回波S的差值dB的公式如下：

(3)

式中，dB为一次底波B1与复合界面的回波S的差值；B1为一次底波，常设置为80%；S为界面回波，在探伤仪显示屏上读出。

根据式(3)，当实测值等于或接近理论计算值(11.48)时，说明钛/钢复合板贴合质量良好；实测值明显大于或小于理论计算值(11.48)时，说明结合界面存在某些缺陷、夹杂等[21]，这种情况可能是导致结合强度降低的因素。

由表2可以看出，距离起爆点2 000 mm范围内，几种方案界面回波都在34%左右，这个区域dB值均在9.5左右，在实际产品检测中均获得良好的贴合质量，说明距离起爆点2 000 mm范围内，爆炸压力冲量分布规律，几种方案对贴合质量影响不大。

表2 探伤示波屏幅度调至80%时的各波高数据

在距离起爆点2 000～3 000 mm范围的超声界面回波显示，方案1,2界面回波非常低且差异大，方案1无法读出dB值，说明结合界面产生缺陷多或脆性化合物层厚，反射回波被吸收；方案2仅读出dB值为3～5，说明结合界面产生缺陷或脆化层相对方案1减少；方案3读出dB值为8～8.5，相对方案2进一步减少；方案4的dB值达到11.5～12，达到理论计算值(11.48)。这更加说明大板幅钛/钢复合板用高低爆速搭配和分段布药，对控制爆轰压力冲量上升和界面结合均匀性达到明显效果，结合界面缺陷和脆化层极少或没有产生。

2.3 结合性能检测结果分析

分别在离起爆点50，1 000,1 500,2 000,2 500,3 000 mm两侧取剪切试样(各试样热处理制度均为540 ℃、保温3 h随炉冷却)，将得到的剪切数值绘制如图5所示。

图5 剪切强度数据分布

由图5可以看出，方案1仅是起爆点部位结合强度高，最高达到310 MPa，而其他位置没有超过ASTM B 898—2020中标准要求值(140 MPa)；方案2距离起爆点2 000 mm范围内的结合强度最高257 MPa，但同时又存在低于140 MPa，而距离起爆点2 000～3 000 mm范围少数高于140 MPa；方案3距离起爆点2 000 mm范围内，最高也是257 MPa，无低于140 MPa，而距离起爆点2 000～3 000 mm范围多数超过140 MPa；方案4距离起爆点2 000 mm范围内，最高265 MPa，而距离起爆点2 000～3 000 mm范围结合强度也无低于140 MPa。方案4的数值更能说明，采用适中的高低爆速搭配和分段布药工艺，能够控制结合界面均匀结合问题，尤其对大板幅钛/钢复合板效果明显。

2.4 金相组织检测分析

依据无损探伤底波数据和剪切性能数据，判定界面不均匀性主要分布在距离起爆点2 000～3 000 mm范围，故重点取各方案距离起爆点2 000～3 000 mm范围的金相进行检测分析对比。

图6示出各试验方案距离起爆点2 000～3 000 mm范围处的金相组织。方案1显示出界面波峰波谷存在连续熔化层、孔隙等微观缺陷，这就是高温射流不均匀喷射堆积造成的[22]，致使结合界面的结合强度低甚至直接分层。方案2比方案1相对好一些，但还是存在方案1的问题，隐患是后续加工过程中很容易分层。方案3较大的微观缺陷集中在波谷旋涡内，这种缺陷无法在超声检测中检测出来，可卷筒加工，但是在钻孔加工中很容易局部分层。方案4金相组织显示良好，只是在波谷的旋涡中存在轻微的熔化和孔隙，没有出现连续熔化层，且能保证经受钻孔加工的验证。

(a)方案1

上述结果表明，采用2 250～2 300 m/s的高低爆速搭配和分段布药，可有效地控制界面结合均匀性。合理适中的高低爆速搭配和分段布药，既能避开较高爆速高温射流难以控制的情况；又能避免低爆速的结合强度不足问题，能有效控制界面均匀性，增大钛/钢复合板板幅面积，提高和稳定产品质量。

3 结论

(1)采用高低爆速炸药和分段布药方式，使爆轰压力分布得到控制，从而使焊接界面结合均匀。

(2)分段布药方式使爆轰波阵面曲率得到控制，避免同一横截面上复层钛板不均匀变形。

(3)采用2 250～2 300 m/s的高低爆速炸药搭配和分段布药方式，能控制脆化层、孔洞等缺陷产生的概率。