鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、非磁性及線膨脹系數(shù)小的顯著特點(diǎn)?在適當(dāng)氧化性的環(huán)境中?其表面可形成一種能耐大多數(shù)酸、堿腐蝕的堅(jiān)固氧化薄膜。因此?鈦材具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。此外?非磁性及線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)使得鈦及鈦合金率先成為優(yōu)良的宇航材料?隨后又推廣應(yīng)用到艦船制造、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域?并得到了迅速發(fā)展。鈦與其它材料制作成的復(fù)合板不但具有鈦材優(yōu)良的耐蝕性能?同時(shí)又能滿足一些力學(xué)性能?使得鈦及鈦復(fù)合板設(shè)備在石油、化工、醫(yī)藥、冶金及電子等基礎(chǔ)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展?國(guó)內(nèi)對(duì)鈦及鈦復(fù)合板設(shè)備的需求日益增加。近5a來(lái)?國(guó)內(nèi)鈦設(shè)備的需求以每年30％的速度增長(zhǎng)?特別是國(guó)內(nèi)新建化工項(xiàng)目日趨大型化甚至超大型化?促使大型鈦設(shè)備的需求越來(lái)越旺盛?作為系統(tǒng)中熱量交換的主要設(shè)備———管殼式熱交換器也日趨大型化。
大型鈦制熱交換器常指換熱面積大于1000m2的熱交換器?此熱交換器作為工程項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備?其可靠性與安全性要求都非常高。目前?國(guó)內(nèi)鈦設(shè)備制造裝備水平相對(duì)落后?加上鈦制熱交換器等鈦設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等方面?經(jīng)驗(yàn)與理論技術(shù)方面相對(duì)貧乏?國(guó)內(nèi)制造的大型鈦制熱交換器?其可靠性與安全性不能完全滿足國(guó)內(nèi)化工大型項(xiàng)目的需要?大量的關(guān)鍵設(shè)備仍需要從國(guó)外進(jìn)口。文中從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等方面簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)階段制造大型鈦制熱交換器的一些先進(jìn)技術(shù)。
1、鈦制熱交換器應(yīng)用領(lǐng)域
鈦材現(xiàn)階段主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、電子等行業(yè)?特別是在精對(duì)苯二甲酸、燒堿、氯堿、純堿、真空制鹽、無(wú)機(jī)鹽等項(xiàng)目中。在這些領(lǐng)域中?作為熱量交換的換熱設(shè)備則是必不可少[1～4]。
1.1精對(duì)苯二甲酸（PTA）項(xiàng)目
PTA是現(xiàn)代化工基本原料?屬國(guó)內(nèi)短缺產(chǎn)品。
2008年?我國(guó)PTA產(chǎn)能達(dá)到歷史性的1220～1230萬(wàn)t。2009年?我國(guó)PTA產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到1780萬(wàn)t?占據(jù)了全球第一的地位。目前?中國(guó)PTA產(chǎn)能約占全球PTA產(chǎn)能的1／4?亞洲PTA產(chǎn)能的1／3。即便如此?我國(guó)每年P(guān)TA還需進(jìn)口?其原因在于我國(guó)PTA的消費(fèi)也非常強(qiáng)勁。在2010年前后?國(guó)家發(fā)改委又逐步批準(zhǔn)了翔鷺廈門(mén)石化等6個(gè)項(xiàng)目?可新增產(chǎn)能383萬(wàn)t。上述項(xiàng)目完成后?預(yù)計(jì)到2010年可形成PTA生產(chǎn)能力1990萬(wàn)t?屆時(shí)可滿足國(guó)內(nèi)80％左右的PTA需求量。
在PTA行業(yè)中?對(duì)鈦冷凝器等大型熱交換器的需求量很大。我國(guó)每年P(guān)TA裝置用大型鈦設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)值約為6億元。以80萬(wàn)t／aPTA裝置為例?所需大型鈦制熱交換器為6000萬(wàn)元?全國(guó)每年鈦制熱交換器總需求量為2.5億多元。
1.2燒堿項(xiàng)目
燒堿是重要的基礎(chǔ)化工原料。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)?近幾年來(lái)?PVC行業(yè)、電子行業(yè)中多晶硅的生產(chǎn)都需要消耗大量的燒堿。從2003年起?我國(guó)燒堿產(chǎn)量以每年20％以上的速度增長(zhǎng)?2008年國(guó)內(nèi)燒堿產(chǎn)能在2472萬(wàn)t?2009年國(guó)內(nèi)燒堿產(chǎn)能有望增加494.5萬(wàn)t。
目前?制造燒堿的工藝為離子膜工藝?此方法也是目前國(guó)際上公認(rèn)最先進(jìn)的方法。鈦設(shè)備在燒堿行業(yè)中用量很大?離子膜燒堿中的鈦制熱交換器主要包括脫氯塔冷卻器、酸水冷卻器等鈦制熱交換器?1套30萬(wàn)t／a的燒堿裝置需要鈦-鋼儲(chǔ)罐等大型鈦設(shè)備的費(fèi)用約5000萬(wàn)元?全國(guó)每年燒堿用鈦設(shè)備總需求的費(fèi)用達(dá)3億多元。
1.3真空制鹽項(xiàng)目
真空制鹽行業(yè)中主要鈦制熱交換器有Ⅴ效蒸發(fā)器?一套年產(chǎn)100萬(wàn)t的真空制鹽設(shè)備需大型鈦-鋼復(fù)合板設(shè)備700～800t?造價(jià)約8000萬(wàn)元。全國(guó)每年新增真空制鹽設(shè)備的市場(chǎng)總需求造價(jià)約為5億元。
1.4其它項(xiàng)目
鈦材還被廣泛應(yīng)用于其它石化裝置中?如乙醛、醋酸、乙烯裝置中的冷凝器、反應(yīng)器、甲酸生產(chǎn)中的蒸餾塔、乙酸生產(chǎn)中的精餾塔、分餾塔、蒸發(fā)器等。除了新建重化工項(xiàng)目外?我國(guó)還有大量的在用化工裝置?這些裝置普遍存在著工藝技術(shù)落后、效率低及能耗高的現(xiàn)象?原來(lái)從國(guó)外早期進(jìn)口的設(shè)備也已經(jīng)進(jìn)入了更換期?為此也需要進(jìn)行工藝技術(shù)提升和更新改造。由此?對(duì)鈦設(shè)備的需求也處于不斷增長(zhǎng)的新階段。
2、大型鈦制熱交換器設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)
在大型鈦制熱交換器制造中?原來(lái)的經(jīng)驗(yàn)與理論已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有設(shè)備安全性與可靠性的需要?越來(lái)越多的設(shè)計(jì)方法、制造工藝、檢驗(yàn)手段正在逐漸應(yīng)用到大型熱交換器的制造過(guò)程中。
2.1設(shè)計(jì)思路與方法[5]
設(shè)計(jì)方面?大型鈦制熱交換器與小型鈦制熱交換器及其它材質(zhì)熱交換器相比有很大不同：①鈦制熱交換器由于鈦材的價(jià)格較高?合理的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是不僅要滿足工藝需要?使熱交換器的功效得到發(fā)揮?而且必須考慮設(shè)備的造價(jià)?做到經(jīng)濟(jì)合理。②為了盡量減輕設(shè)備的質(zhì)量并考慮使用安全性?對(duì)大型鈦設(shè)備則需要采用應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。③某些設(shè)備就其總體而言?可按常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)?但對(duì)其局部需進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。
與小面積的熱交換器相比較?對(duì)換熱面積大于1000m2的熱交換器?其相應(yīng)的換熱管數(shù)目也在大幅度增加?同樣質(zhì)量流速下的管內(nèi)流體流速會(huì)降低。
因此?必須合理選擇熱交換器的設(shè)計(jì)參數(shù)?這就使得換熱管排列、換熱管長(zhǎng)度、壁厚、熱交換器管板與熱交換器的配合公差、管程數(shù)、殼程數(shù)、折流板形式以及熱交換器外殼直徑等參數(shù)的選擇顯得尤為重要。利用計(jì)算機(jī)模擬分析關(guān)鍵部位的安全性和可靠性也十分重要?如鈦制熱交換器的換熱管與復(fù)合管板的焊接部位以及復(fù)合板設(shè)備接管內(nèi)襯管焊接部位?由于其結(jié)構(gòu)的特殊性和重要性?需要建立合適的模型對(duì)這些部位進(jìn)行分析與研究?以期提高設(shè)備的安全性與可靠性。
2.2制造技術(shù)
2.2.1封頭熱成型時(shí)的表面保護(hù)技術(shù)
常溫下?鈦及鈦合金比較穩(wěn)定。鈦材在加熱過(guò)程中?在250℃左右開(kāi)始吸收氫元素?從400℃開(kāi)始吸收氧元素?從600℃開(kāi)始吸收氮元素。
鈦鋼復(fù)合板封頭成型時(shí)的加熱溫度最高可以達(dá)到850℃。在此溫度下?鈦材表面會(huì)與空氣中的氧、氫、氮等發(fā)生反應(yīng)。鈦材腐蝕機(jī)理是鈦與空氣中的氧氣發(fā)生鈍化反應(yīng)?從而生成一種氧化物。鈦材本身不具有耐腐蝕?鈦材鈍化后生成的致密氧化膜能耐大多數(shù)酸堿等物質(zhì)的腐蝕。封頭熱成型時(shí)的溫度將會(huì)導(dǎo)致氧化膜與氧、氫、氮等發(fā)生反應(yīng)?在一定程度下破壞了這層鈍化膜?從而降低了鈦材的耐腐蝕性能以及設(shè)備的使用壽命。因此?在封頭熱成型過(guò)程時(shí)?如何確保不損傷鈦材表面的氧化膜是一個(gè)重要的課題。
目前?可以采取的有效辦法是避免在高溫時(shí)與空氣接觸?并且在鈦材表面涂一層防高溫涂層。高溫涂層的原理是在鈦鋼復(fù)合板加熱前?在復(fù)合板表面涂一層均勻的水調(diào)和玻璃粉。在復(fù)合板加熱的過(guò)程中?此層玻璃粉可以避免鈦材表面與空氣中的碳、氮、氫、氧等直接接觸發(fā)生反應(yīng)?從而達(dá)到了保護(hù)鈦材表面的目的。
2.2.2接管熱套技術(shù)
在鈦鋼復(fù)合板制造的石化裝置中?焊前檢驗(yàn)以及過(guò)程檢驗(yàn)是否達(dá)標(biāo)顯得更為重要。例如鈦襯板與筒體間隙、接管之間的裝配間隙、鈦蓋板與復(fù)合板之間存在的縫隙等均是導(dǎo)致此類容易出故障焊縫失效的重要因素。目前?此類項(xiàng)目的檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)還很不完備?過(guò)程控制的難度也比較大。
復(fù)合板設(shè)備、接管的防腐主要利用增加襯板或襯管的形式來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)?如果采用過(guò)間隙配合的辦法?在焊接過(guò)程中位于襯環(huán)與接管內(nèi)筒壁的殘存空氣就會(huì)較多。在實(shí)際焊接過(guò)程中?襯環(huán)背面的保護(hù)最主要是從檢漏孔中通入氬氣得以實(shí)現(xiàn)。間隙較大?氬氣雖然可以置換一部分的空氣?但由于氬氣含量沒(méi)有辦法檢測(cè)。因此?間隙中的空氣由于置換不干凈而使得氬氣的濃度不夠?有時(shí)則達(dá)不到有效保護(hù)鈦材的目的。
在試驗(yàn)壓力過(guò)高或者冷熱溫度交替變化比較大的環(huán)境下?在用設(shè)備是比較容易出現(xiàn)泄漏的。研究發(fā)現(xiàn)?通過(guò)采用過(guò)度配合或者過(guò)盈配合?使得鈦焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)鋼導(dǎo)熱?從而可以有效降級(jí)鈦材背部的氧化問(wèn)題。若需要鈦襯管與接管過(guò)盈配合?可以使用氧乙炔對(duì)鋼管加熱?利用熱脹冷縮的原理?當(dāng)加熱到一定的溫度時(shí)?從而將鈦襯管穿入到鋼管內(nèi)部?達(dá)到鈦襯管與鋼管過(guò)盈配合的目的。
2.2.3換熱管與管板連接技術(shù)
GB151—1999《管殼式換熱器》[6]規(guī)定了常用換熱管與管板之間的配合公差?文獻(xiàn)[6]給出了鈦和鈦合金換熱管的管板管孔直徑及允許偏差。在實(shí)際的使用過(guò)程中?換熱面積較大的熱交換器?其流體質(zhì)量流量比較大。因此?此數(shù)值對(duì)于大型鈦制熱交換器而言?在使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生比較大的振動(dòng)。對(duì)于管板為鈦鋼復(fù)合板與換熱管為鈦或者鈦合金管制成的熱交換器?由于管板與換熱管之間存在縫隙或積滯區(qū)?縫隙區(qū)或積滯區(qū)內(nèi)陰極反應(yīng)將消耗大量的氧?因此造成貧氧及縫隙內(nèi)的鈦發(fā)生陽(yáng)極溶解成為T(mén)i3＋。尤其在含有氯化物的溶液中?隨著氯離子不斷遷移到縫隙中和不斷產(chǎn)生的Ti3＋發(fā)生水解反應(yīng)?縫隙內(nèi)的pH值進(jìn)一步降低?使得鈦具備了活化條件?鈦進(jìn)一步溶解?其過(guò)程完全是一種自催化過(guò)程。由此可見(jiàn)?縫隙腐蝕的發(fā)生將造成鈦設(shè)備局部損壞。
縫隙腐蝕的發(fā)生與縫隙的大小也有關(guān)系。當(dāng)縫隙很小時(shí)?由于腐蝕介質(zhì)不能潤(rùn)濕縫隙內(nèi)表面?即使是浸潤(rùn)了內(nèi)表面?其流動(dòng)受到限制?鈦的氧化膜仍未遭到破壞。如果縫隙較大?氧元素的擴(kuò)散相當(dāng)迅速足以使得鈦發(fā)生鈍化。由此可以看出?縫隙很小或較大時(shí)都不會(huì)導(dǎo)致縫隙腐蝕的發(fā)生?縫隙腐蝕一般在縫隙為0.5mm時(shí)達(dá)到最大?縫隙變小或縫隙變大都可能減輕縫隙腐蝕[7?8]。因此?在大換熱面積熱交換器的制造中?應(yīng)當(dāng)盡可能使得換熱管與管板之間的間隙小一些。但另一方面?小的裝配間隙會(huì)極大增加設(shè)備的裝配難度。所以?在設(shè)備制造中?合適的裝配間隙既可以減小設(shè)備的振動(dòng)?又可以防止縫隙腐蝕的發(fā)生。
2.2.4大直徑管板與鈦接管密封面表面陽(yáng)極化處理
鈦是一個(gè)高鈍化的金屬?其優(yōu)異的耐蝕性主要是由于表面容易生成一層牢固附著的致密氧化物保護(hù)膜。新鮮的鈦表面一旦暴露在空氣或水溶液中?立即會(huì)自動(dòng)形成一層新的氧化膜。在室溫大氣中?鈦表面的氧化膜厚度為1.2～1.6nm?此厚度會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加。70d后?氧化膜厚度會(huì)增加到5nm?545d后會(huì)增厚至8～9nm?4a后可以增厚至25nm左右。因此?可以通過(guò)采用提高環(huán)境溫度、化學(xué)氧化、陽(yáng)極氧化等方法加速鈦表面氧化膜的形成?使之形成較厚的磨層。
在管板冷加工制造過(guò)程中?新鮮鈦表面形成新的氧化層?此時(shí)氧化膜的厚度較薄。在管板使用過(guò)程中?由于管板表面受到流體的沖刷?腐蝕將會(huì)比較嚴(yán)重。因此?在管板與換熱管焊接完成后?可以采用陽(yáng)極化處理的辦法在鈦材表面生成一種致密的氧化膜?以有效減緩鈦表面的腐蝕[9～11]。
2.3鈦復(fù)合板分區(qū)檢漏技術(shù)（釬焊）[12?13]
設(shè)備規(guī)格越大?對(duì)于設(shè)備的安全性以及可靠性的要求也就就越高。制造大型熱交換器所用的復(fù)合板材在某種程度上可以說(shuō)是缺陷不可避免的?不能與單一金屬制作的熱交換器相比較。在復(fù)合板設(shè)備制造過(guò)程中?由于鈦基層與鋼復(fù)層的膨脹系數(shù)不同?通過(guò)鈦覆板連接時(shí)?一般采用角焊縫的方式。在丁字焊縫處?連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性往往會(huì)產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題。對(duì)于大型鈦設(shè)備而言?當(dāng)腐蝕發(fā)生時(shí)?如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕以及確定腐蝕的位置也是至關(guān)重要。
在實(shí)際制造過(guò)程中?通過(guò)分區(qū)檢漏的技術(shù)可以對(duì)焊縫進(jìn)行分區(qū)?設(shè)置檢漏孔可以及時(shí)有效地檢測(cè)出發(fā)生腐蝕的位置?從而在維修過(guò)程中節(jié)省人力與物力。分區(qū)檢漏時(shí)?縱焊縫、環(huán)焊縫較多時(shí)應(yīng)該按照?qǐng)D樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分區(qū)檢漏?分區(qū)時(shí)基層與復(fù)層之間可用銀釬焊。如果焊縫較少?可以采用縱、環(huán)焊縫串通檢漏?即T形焊縫部位不封死。無(wú)論如何檢漏?每個(gè)分區(qū)的檢漏孔應(yīng)該是2個(gè)?并且分別位于焊縫的兩端。
2.4使用工況條件下的模擬技術(shù)[14]
按照文獻(xiàn)[5]與GB151—1999《管殼式換熱器》規(guī)定?設(shè)備的壓力試驗(yàn)一般采用液壓試驗(yàn)與氣壓試驗(yàn)的辦法?液壓試驗(yàn)與氣壓試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度是在常溫下進(jìn)行的。
對(duì)于鈦鋼復(fù)合板設(shè)備來(lái)說(shuō)?由于復(fù)合板設(shè)備基層的材料與復(fù)層的材料不同?線膨脹系數(shù)有較大的差異?加上設(shè)備在使用時(shí)?一般加熱到比較高的溫度?隨著加熱溫度的升高?線膨脹的差值也越大。鈦鋼復(fù)合板設(shè)備升溫時(shí)?鈦復(fù)層及鈦焊縫受到拉伸熱應(yīng)力?如果鈦焊縫焊接質(zhì)量較差?則很可能使該處焊縫產(chǎn)生裂紋。可以看出?按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行壓力試驗(yàn)將與設(shè)備的檢測(cè)產(chǎn)生一定沖突。為此?模擬設(shè)備的使用工況?使設(shè)備加熱到使用溫度下進(jìn)行檢驗(yàn)是一個(gè)行之有效的辦法。
熱氣循環(huán)試驗(yàn)就是在鈦鋼復(fù)合板設(shè)備內(nèi)通入氣體并加熱至設(shè)計(jì)溫度后?再加壓至設(shè)計(jì)壓力下保溫保壓一段時(shí)間?待溫度降至室溫后對(duì)復(fù)層焊縫進(jìn)行滲漏檢查的一種方法。該方法可使復(fù)層焊縫的缺陷或隱藏缺陷顯露出來(lái)?然后再配合超聲波及著色檢查?即可找到缺陷位置進(jìn)行修復(fù)。熱氣循環(huán)試驗(yàn)的目的是考核容器內(nèi)部缺陷和密封元件在設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力下是否會(huì)發(fā)生擴(kuò)展開(kāi)裂、密封失效而導(dǎo)致滲漏?它偏重于檢驗(yàn)復(fù)合板設(shè)備復(fù)層焊縫在設(shè)計(jì)溫度及設(shè)計(jì)壓力下是否產(chǎn)生缺陷及缺陷是否發(fā)生擴(kuò)展等特征?此試驗(yàn)不能代替壓力試驗(yàn)。
3、結(jié)語(yǔ)
大型鈦制熱交換器與小型鈦制熱交換器相比較?由于結(jié)構(gòu)的不同?需采用合理的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)工藝與方法才可以滿足設(shè)備的工藝需要。通過(guò)對(duì)大型鈦熱交換器設(shè)備方面的研究?可以提升我國(guó)鈦設(shè)備制造在國(guó)際上的地位?提高鈦等稀有金屬裝備國(guó)產(chǎn)化重大裝備技術(shù)水平?滿足國(guó)家重大工程建設(shè)和重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興的需要。
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