浅谈氧化铝蒸发器大直径管板的加工工艺

浅谈氧化铝蒸发器大直径管板的加工工
艺
摘要：蒸发器是拜耳法生产氧化铝的关键设备，蒸发器加热室管板在使用过程中，由于在特定的高温、高浓度碱性介质工况，以及制造过程中焊接应力的影响下，会导致促发碱脆要素，使管板发生碱脆而失效。

本文通过对管板的失效机理进行分析，从原材料选用、制造工艺等方面提出了一种大直径管板新的加工工艺，可以有效提高管板质量、延长蒸发器加热室的使用寿命。

关键词：氧化铝；蒸发器；大直径管板；加工工艺
1.引言
拜耳法生产氧化铝是我国20世纪九十年代引进
的氧化铝生产的先进工艺技术，通过引进、消化、
吸收，并大力创新发展而成为世界产量第一，随着
单线生产能力的增大，溶出蒸发的设备也越来越大，
加热室单体直径甚至已经超过了5米。

但一些关键
的设备技术性能、使用寿命与进口设备相比较，仍
然有较大的差距。

特别是蒸发站蒸发器的加热室，
近年来虽然逐步国产化替代，但是效果不是很理想，
设备的使用寿命明显较短，设备停产检修、更换对
生产的稳定性、生产成本影响极大，是国产化替代
急需解决的问题。

1.蒸发器使用现状
蒸发器加热室的结构如图1。

主要由管箱、上管板、筒体、下管板、换热管束组成，板材材质为Q345R，换热管束材质为20g。

加热室管程的介质为碱性料浆（Na2AlO2），工作温度约为160℃；壳程的工作介质为蒸汽，工作温度约为
200℃。

一体式的蒸发器加热室的下半部分插入分离器内部，使下管板和筒体的
下半部分浸泡在碱性介质的氛围中。

在使用过程中，由于受到Na2AlO2料液的腐蚀作用，大直径管板的拼接焊缝、管板与筒体连接的环焊缝处出现裂纹（如图2），导致泄漏失效。

图2 管板焊缝裂纹
2.管板失效机理
通过对焊缝开裂试件的宏观与微观分析，以及利用残余应力超声测定技术对
试件进行试验表明，裂纹具有应力腐蚀的特征, 即裂纹呈现宏观分叉和显微分叉（如图3所示）;裂缝的宏观传播方向是由内壁向外壁扩展, 其微观走向是沿晶
开裂。

加热室管板的运行环境
具有产生应力腐蚀(碱脆)所必需的三个条件:即高浓
度的碱溶液(浓度大于5 %的碱液即可产生碱脆, 浓
度越高, 碱脆的敏感性越大);最适宜的温度(最易导
致碱脆的温度在溶液的沸点附近, 蒸发器的实际操
作温度为160℃左右)；临界以上的拉伸应力(容器为
承压部件, 焊缝存在焊接应力)。

容器焊缝开裂仅发生在接触溶液部件的焊缝上, 而未接触溶液的部位其焊缝均没发现任何裂纹。

而且焊缝开裂是在设备运行了
一段时间后发生的, 而设备的操作不具备有其它失效模式(疲劳、脆断等)的工艺
条件和使用环境。

在蒸发器加热室运行过程中，既存在由于温度变化而引起的交变工作应力，
又存在设备制造过程中的焊接、加工应力，在应力的作用下，金属表面的钝化膜
发生局部破裂，微小破口暴露的金属成为电池的阳极，周围广大面积的膜成为阴极，阳极电流高度集中，使腐蚀迅速向内发展，形成蚀孔或裂缝源，裂缝形成后，外部为腐蚀产物阻塞，内外的对流和扩散受到阻滞，缝隙内形成独特的闭塞区，
也即闭塞电池，闭塞区的氧迅速耗尽，只剩下金属腐蚀的阳极反应，阴极反应氧
离子化完全移到闭塞区外侧进行，因此孔内很快积累了带正电的金属离子，为了
保持电中性，带负电的 Cl-从缝隙外迁移入孔内，Cl-增浓；金属离子水解产生
H+，使 PH 值下降，H+和 Cl-形成腐蚀强烈的盐酸，如下式：
M2++ 2Cl-+ 2H2O = M(OH)2+ 2H++ 2Cl-
当闭塞区PH值下降到某一临界值，发生加速腐蚀，产生了阴极放H+反应，
由此在裂缝尖端产生氢引起局部脆化，在拉
应力的作用下发生脆性破裂，然后裂纹尖端
又进入碱性溶液，裂缝在腐蚀和脆裂的反复
作用下迅速发展。

阳极极化曲线和碱脆物理
模型如图4。

综上所述，蒸发器加热室在运行过程中，由于存
在适宜的温度、碱液浓度和焊接应力，导致管板应力腐蚀(碱脆)，焊缝开裂失效。

3.管板加工工艺
从管板失效机理可以得出，要消除管板的碱脆，需要从触发碱脆的因素进行
着手。

加热室的运行环境决定了温度和碱液浓度是不可改变，只能从消除或减小
应力因素进行改进。

管板制造加工过程应力的影响因素主要包括材料、加工工艺
及焊后热处理等。

3.1管板的材料
管板的材料一般采用材质为Q345R或Q245R，采用钢板下料加工。

大直径管
板一般厚度为90～140mm，普遍存在钢板轧制残余应力、内部缺陷等，采用钢板
焊接拼接后下料，钢板拼接的焊缝还存在焊接残余应力和焊接缺陷，很容易导致管板发生碱脆而失效。

为了减少管板内部质量缺陷、降低轧制和焊接残余应力、避免管板触发碱脆因素，采用整体锻造的加工工艺可以有效提高管板质量。

3.2加工工艺
管板锻造加工的工艺流程如图5。

（1）坯料投料计算根据蒸发器加热室管
板的直径、厚度及锻造加工余量，计算管板坯料
的重量，可以减少板材下料损耗的边角料，节约
钢材使用量；
（2）坯料锻造采用加热炉将坯料加热至1220℃～1280℃，时间4小时，将坯料进行锻打得到所需直径和厚度的管板坯件；
（3）超声波检测采用超声波探伤仪对锻造得到的管板坯件内部进行无损检测，质量达到Ⅱ级超声波探伤的要求为合格；如不合格，则将管板坯件重新进行坯料锻造；
（4）坯件正火将无损检测后质量符合要求的坯件进行正火热处理，采用电炉红外加热将坯件加热至930℃，保温时间根据管板厚度按1h/30mm计算（即按照每30mm延长保温时间1h来计算）；正火热处理的次数为3次，得到晶粒更细化和碳化物分布更均匀化的管板坯件；
（5）坯件机加工对正火热处理后的坯件按管板设计要求对其进行平面、外圆、管孔、胀管槽、焊接坡口进行机加工至形体尺寸合格，得到管板。

3.3焊后热处理
管板与加热室筒体组焊后，对管板和加热室筒体组焊后的整体进行消除应力退火，退火温度为620℃±20℃，保温时间按容器中最厚的焊接板厚选取，一般管板板厚δPWHT≥50mm，最短保温时间为（2+ ）h。

4.结束语
蒸发器加热室管板的失效形式主要是应力腐蚀（碱脆），通过采取适当的工
艺措施，如大直径管板采用整体锻造加工工艺，管板与筒体组焊后进行整体热处
理消除应力等，可以有效消除大厚钢板轧制的内部质量缺陷，避免钢板拼接焊缝
的质量缺陷和焊接应力，消除或减小应力腐蚀出发条件，有效提高设备技术性能
和使用寿命。

参考文献
[1]刘素娥，朱自勇，柯伟.氧化铝溶出过程压力容器用钢高温碱脆研究[J].
腐蚀科学与防护技术，1992（4）：283-288.
[2]蔡元兴，刘科高，郭晓斐.常用金属材料的耐腐蚀性能 .冶金工业出版社，2012.3
[3]杨文清，金先凯.蒸发器应力腐蚀裂纹的防治[J].轻金属，1998
（2）:19-21.。