锆钢复合板反应器的研制

摘要：本文介绍了锆钢复合板反应器研制过程中的一些关键工艺措施和质量控制要点，以此保证设备的加工质量。

关键词：锆钢复合板;醋酸反应器;制造工艺;可靠性

引言

在掌握先进的甲醇羰基化法合成醋酸、醋酐工艺技术之后，伴随天然气和新型煤化工的蓬勃发展，醋酸、醋酐已成为近年来有机原料的投资热点。国内多个天然气或煤化工基地都以碳化学作为重要的产业链，新建或扩建了多套醋酸、醋酐项目。在这些项目的生产工艺过程中，锆材耐腐性方面占有优势，但锆材相对昂贵，锆钢复合板比较经济，锆钢复合板设备将会占有较大的比重。

1.锆的化学成分性能

容器中常用的锆材有： 锆R700 、锆R702 、锆 R705 ，其化学成分及力学性能见表 1

表 1 常用锆材化学成分及力学性能

2.锆钢复合板特性

锆，钢复合板爆炸成形结合区通常是基、复板之间的成分、组织和性能的过渡区，具有金属的塑性变形、熔化、扩散和波形的明显特征。过渡区一般在0.01―1ITI/n范围，其组织和性能直接与复合工艺有关，也直接影响基、复板之间的结合强度和使用性能。正确的复合参数可以控制波形状态，避免或最小程度产生连续的熔化层和金属间化合物，高质量的锆钢复合板结合界面。

由于爆炸复合过程极短，当爆炸载荷作用后，除了结合区有一定程度的硬化和强化外，锆复板和钢基板的原有化学成分、力学性能、耐蚀性能均不发生变化。成形复合板经过消除应力热处理，适当恢复延伸率，完全可承受容器制造所需的校平、卷筒、切割、焊接、冲压等后续加工。试验表明：采用中等强度的容器用钢和锆组合，可获得良好的复合质量。但随着钢基板强度提高或锆复板厚度增加（>10mm），复合难度相应加大，此时即使复层选用低氧锆（氧含量不超过1000mg・L），从工艺角度仍很难实现复合质量稳定、综合性能达标要求。因此高质量的锆钢复合都采取在两者间增加复合一层厚度为2―3m的纯钛板作为过渡层。至于纯钛和钢的复合，已掌握的成熟工艺可充分保证复合质量。

3.锆钢复合板的焊接接头形式

3.1锆钢复合板对接接头

因锆与钢不相溶性，使用垫板结构将复层构件结合起来。在焊接钢板之前，需要在焊接区域将复层的钛锆去除。钢基层焊接完成后，再采用垫板来填充复层空缺部分。垫板的作用是在盖板里面提供机械支撑，以便抵挡内部介质造成的压力。去除复层后会在耐蚀衬里中引起缺口或空隙，必须采用盖板与复层金属焊接起来。必须在基层上钻Φ6的通气孔，以便为盖板焊缝的背面提供氩气进行保护。同时，也作为装置生产过程中的检漏系统。

3.2锆钢复合板角接接头

先焊接衬管与衬环，加工衬环密封面，再焊接衬管与盖板或复层。 右为接管插入筒体内，钢面焊接时不影响复层，复层须剔边10-15mm宽 ，剔边处填钛板，钛板下面加焊一层宽约50mm锆盖板，衬管与盖板，盖板与复层焊接成型。

4.锆钢复合板的焊接工艺及热处理

4.1基层钢的焊接

锆钢复合板接头的焊接次序是先焊基层钢，一般选用自动埋弧焊接，基层钢焊接时线能量不宜太大，过大的线能量会使锆复层因温度过热发生氧化，或产生复合板界面结合强度下降和界面剥离等问题。同时，要避免电弧焊的飞溅造成锆复层污染，所以基层钢焊接时第一道焊缝应用单面焊，双面成形，以避免在锆复层进行手工电弧焊。待钢焊缝的外观符合要求，并且射线拍片质量检验合格后，才开始焊接锆复层。

4.2锆复层的焊接

锆设备的焊接和装配应在相对封闭的工作车间或相对隔离区域，与其它材料的制造车间分开，保持清洁，且空气中无铁，不允许采用铁质工具。

在锆焊接前，应用试验方法来证明空气中不含铁。用二氮杂菲（C12H8N2）试验方法来检验。

从事锆容器加工工作的操作者应穿戴适宜的不会造成铁离子污染点防护衣和鞋套，专用的防护衣和鞋套应隔离放置并保存在锆制造区域边的房中。

4.3复层焊接质量控制

严格控制焊缝中氧、氢、氮等有害杂质含量也是确保锆焊缝质量的又一重要措施，主要从以下几方面入手：①母材和焊丝中的杂质含量控制在允许范围之内;②焊前仔细清理工件、填条、焊丝的表面，防止污染物质在焊接过程中进入;③焊接过程中气体保护措施要严格，焊缝正面采用喷嘴加拖曳保护罩，焊缝背面采用通气孔通入氩气保护。焊接完毕，可以通过外观检验，观察焊缝区域的颜色来确定锆焊接区域被氧化的程度，以初步确定焊接接头质量是否合格。银白色表示保护良好;浅黄色、深黄色、淡蓝色表明焊缝已被氧化，需要用不锈钢丝刷清除表面;深蓝色、蓝灰色、灰色、白色表示焊缝被强烈氧化，需打磨并修补。

4.4设备热处理

由于反应器在焊后的残余应力较大，在特定的使用介质中容易发生应力腐蚀，一般锆钢复合板容器通常在锆压条焊接完毕后进行热处理。复合板容器的热处理工艺及温度的选择依据基层钢板热处理工艺进行。

4.5表面处理与检验铁污染的清理

锆容器的表面若有铁和碳化物颗粒存在，易产生点腐蚀，在制造过程中，如果锆及有色金属表面（包括内表面）被铁离子污染，可采用如下方法中一种方法进行彻底清理。 a ） 用氧化铝或石英砂（必须不含铁质）进行喷砂处理; b ） 用粘有不含铁质磨料的布抛轮抛磨; c ） 用不含铁质的砂纸砂布打磨; d ） 用含3-5%氢氟酸和不小于30-50%的硝酸（均以容积计）的水溶液进行酸洗，时间2-5分钟，然后用洁净水冲洗干净;

e ） 机械加工;

再采用铁氰化钾溶液法对锆表面及焊缝进行铁离子污染试验，时间不超过15S 。

5.结束语

综上所述，锆钢复合板反应器制造过程中，关键工艺措施和质量控制要点的实践结果表明，由于工艺措施得当，各工序环节严格执行规范要求，因此保证了该反应器制造质量。近年来，通过科研单位、使用单位与压力容器制造厂商的共同努力，在锆钢复合板醋酸反应器的国产化方面做了大量的工作，无论在制造理念、制造工艺以及制造技术等诸方面均取得了长足进步。

参考文献：

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