锆复合板换热器制造工艺技术_朱平勇 (1)

项目 设计压力 /MPa
介质 腐蚀余量 /mm
焊缝系数 材质
换热面积 /m2 列管与管板连接
容器类别
表 1 技术参数
壳程
管程
1.0
4.3
冷凝液
有机混合液
3.0
0
0.85
1.0
16 MnR
SA- 516Gr55/R60702
402
强度焊 + 贴胀
三类
1.2 制造难点 1.2.1 焊接
为避免复合板基层焊接时的热量和熔融金属对 复层的影响，复合板对接接头形式的选择至关重要。 金属锆属活性金属，锆在高温下与 H、N、O 有极强的 亲和力，碳钢焊接时若有锆的渗入会使碳钢焊缝硬 度增加甚至焊缝开裂；反之，锆材焊缝的焊接绝不能 有铁的污染，否则会使锆焊缝耐腐蚀性下降；碳钢焊 接时热输入量不宜过大，否则会影响锆层与碳钢之 间的剪切强度。 1.2.2 复合板筒体及封头的成型
锆的热导率小，熔点高，焊接时易出现热量集 中、高温停留时间长，会导致融合区晶粒粗大，降低 焊接接头的综合机械性能。 2.3.1 焊接方法及保护措施
管箱碳钢基层焊接:采用氩弧焊打底,埋弧自动 焊盖面。基层焊接时，用氩气可靠保护复层表面，同 时采取措施防止复层表面的焊接飞溅。
复层锆板焊接：采用 TIG 焊，在 250~300 ℃以 上区域的焊接熔池和冷却中的焊缝必须严密地置于 氩气的保护之下。 2.3.2 焊接工艺参数确定
由于基层和复层材料的热膨胀系数不同, 复合 板筒体、封头成型时,材料会发生较大的弯曲变形,且 锆的加工硬化倾向较大,缺口敏感，封头锆衬里成形 过程中容易产生裂纹，因此温度的确定十分关键。 1.2.3 热处理工艺及热循环试验
合适的热处理工艺既要有效去除复合板成形、 焊接的残余应力, 又要尽量避免加热对复层锆板与 碳钢结合力下降的影响。热循环试验的主要目的是
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上海化工 Shanghai Chemical Industry
Vol.35 No.11 Nov. 2010
装备技术 锆复合板换热器制造工艺技术
朱平勇
上海吴泾化工有限公司 （上海 200241）
摘 要 介绍了锆复合板换热器制造特点和技术难点，在实际制造中，通过详细的试验对比，制定了合理的加工技 术参数，为下一步大型锆复合板容器的制造提供了依据。
关键词 锆复合板 焊接 热处理 氦检漏 中图分类号 TF 066.2+2
锆属于钝化型活性金属，能在表面生成紧密的 惰性防腐氧化膜，且氧化膜的稳定性和受损后自身 修复能力强，是核工业和石油化学工业中的一种重 要结构材料。工业纯锆能耐大多数有机酸、无机酸、 强碱、熔融盐的腐蚀，在 55%，132 ℃的硫酸中，锆的 腐蚀率＜0.002 5 mm/a，而镍基合金 C- 276 在此介质 中腐蚀率达到 5.44 mm/a。锆具有比铁基 Cr- Ni- Mo 不锈钢、镍基合金及钛更优异的耐腐蚀性能，其力学 性能和工艺性能也很适合制造容器和换热器，且蒸 汽在锆表面为滴状冷凝，尤其适合制造冷凝器，正逐 渐被越来越多的化工企业采用。
（1） 焊接工艺评定 基层：钨极氩弧焊打底，钨极直径 覫2.4 mm，焊 机直流正接，背面氩气保护，气体流量：主喷嘴 15 L/min，背面 10 L/min，打底焊共两道，焊接电流初定 为 105/120 A；盖面采用埋弧自动焊，焊丝直径 覫4.0 mm，共 5 道焊缝，焊接电流 500 A，如图 2。
Abstract: Introduced the manufacture characteristics and technical difficulties of the zirconium-clad-plate heat exchanger. In the actual testing manufacturing, developed a set of reasonable process technology parameter which provided a basis for the next manufacture of large-scale zirconium-clad-plate vessel with reliable of detailed test model.
表 4 拉伸试验结果
σb/MPa 507 502
断裂位置 母材 母材
3.2 封头 封头采用整体冲压成型，材料变形量大，锆板的
加工硬化倾向大，采用热冲压工艺。冲压时封头复层 一面涂耐高温涂料。 3.3 接管鞍形锆衬里
管箱复合板筒体的接管是采用鞍形锆衬里结 构，该锆衬里由阳模冲压而成，要求尺寸准确，弯曲 变形过渡圆滑，如图 3。
朱平勇：锆复合板换热器制造工艺技术
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热处理前，复层锆表面涂刷耐高温涂料进行保 护。热处理炉采用电炉，避免火焰直接与锆材接触， 减少锆的吸氢现象，炉内气氛控制为中性。管箱在热 处理温度下保温时间不小于 1.5 h。
5 热循环试验
（1） 热循环试验的目的是为了检验管箱复合板 复层焊缝在设计温度和设计压力下的工作可靠性。
筒体材料复合板名义厚度为 28+4 mm，筒体直 径为 覫1 400 mm，由于弯曲曲率不是很大，弯曲成型 不会改变复合板的贴合质量，考虑采用冷弯曲成型， 成型后通过局部的 UT 复验抽查复合板的贴合率。
其中冲压前坯料内孔直径 覫 可按下式来确定： 覫=［D2- 4dh- 6.28（r d+0.726 8r）］1/2 3.4 热成型压制工艺 经反复试验，确定热成型的压制工艺： （1） 入炉加热前，工件涂耐高温涂料； （2） 模具与工件共同加热不超过 550 ℃； （3） 出炉压制时间不超过 12 min； （4） 终压温度不低于 400 ℃。
目前国内制造锆设备的材料需要进口，且价格 十分昂贵，每吨价格在 50 万 ~60 万元人民币，因此 通常在耐腐蚀设备中，用锆与碳钢板经爆炸复合成 复合板来作为设备主材。复合板设备的壳体,靠基层 来保证设备的强度,复层来抵抗介质的腐蚀,从而达 到减少锆板的使用量，节省设备制作成本的目的。
锆和锆合金的容器规范，我国目前还正在制订 中，美国制订了非核用锆和锆合金材料标准，ASME 推荐了两个非核用锆和锆合金材料牌号：R60702 用 于化工压力容器制造；R60705 用于制造紧固件。
（2） 将两个管箱组装在一起，进行压力为 4.3 MPa，设计温度下的热模拟试验两个循环。考虑到加 热炉炉膛气氛，热循环试验在电炉中进行，以氮气为 压力介质。
（3） 热循环试验后，管箱检漏孔先通以 0.1 MPa 干燥、清洁的氮气检漏，合格后再以 0.05 MPa 干燥、 清洁的氦气检漏，合格指标为≤1×10-5 Pa·m3/s。
合金钢铁公司（AMERICAN ALLOY STEEL）提供。
复层材料：锆板 R60702，厚度 4.77 mm,美国华
昌公司（Wah Chang）提供。
焊丝：牌号 ERZr2。
基层 SA- 516Gr55 的化学成分见表 2。
表 2 S A- 516Gr55 化学成分
（%）
元素 C Mn P S Cu Si Ni Cr Mo 含量 0.20 0.92 0.008 0.001 0.12 0.35 0.09 0.12 0.03
弯曲试验结果见表 5。
表 5 弯曲试验结果
试验项目 侧弯
弯曲半径 4T
弯曲角度 180°
结果 合格
2.3.3 复层焊接结构的可靠性试验 由于锆 R60702 的热膨胀系数为 5.8×10-6/℃，
碳钢的热膨胀系数为 11.2×10-6/℃，两者几乎相差 一倍，换热器实际操作温度 200 余摄氏度，因此锆复 层焊缝在工作温度下承受较大的拉伸应力，锆板焊 缝容易产生裂纹，最终可能造成内衬的泄漏及碳钢 壳体的腐蚀，直至容器失效。
从焊接试板入手,确定合适的制造工艺,锆复合 板换热器经过强度试验、热循环试验、氦检漏试验均 顺利通过，符合产品技术条件及 ASME 相关标准的
要求，进一步验证了制造工艺的正确性。 本锆复合板换热器自 2006 年制造，2007 年投
入使用至今，设备运行正常。
6 结论
（1） 锆复合板换热器的研制成功，解决了锆复
的焊接带来很大困难。目前国内外都采用间接式焊 接接头，如图 1。
2.3 焊接工艺 锆与常用金属一样具有良好的可焊性。但值得
重视的是在焊接过程中焊缝的污染和热影响问题。 焊缝只要受到少量有害杂质的污染，就会严重影响 焊缝的质量。所以复层锆板在焊接前必须在焊缝两 侧严格打磨清洗，清洗液选用丙酮等有机溶剂。
为验证锆垫板和盖板焊接接头的可靠性，按照 实际焊接接头尺寸，制作一块试板，焊接后做了从常 温加热到设计温度再冷却至常温的多次热循环，试 验结果表明，锆层盖板未发现裂纹等异常现象。
3 管箱筒体、封头及接管鞍形衬里的成型
在 865 ℃以下锆的晶体结构为密排六方晶格的 α 相，865 ℃以上为体心立方晶格的 β 相，865 ℃为 其相变温度。确定合理的加热温度及采取有效的保 护措施，既能保证筒体和封头顺利成型，又能确保锆 的优良耐蚀性。 3.1 管箱筒体
合板筒体成型和封头压制成型的温度控制问题，为
大型锆复合板反应容器的制造积累了经验；
（2） 锆复合板复层的焊接结构及焊接工艺的确
定，对其可靠性的验证，对锆复合板压力容器工艺有
了较大的突破；
（3） 锆复合板容器的热处理和复层焊接后热循
环试验的成功，证明了制造的相关工艺的正确性；
（4） 锆复合板压力容器的制造，成功地借鉴了
锆 R60702 与碳钢爆炸复合后，锆与碳钢结合 面的剪切强度较低，要避免热处理过程中，由于温度 的升高，Zr、Fe、Ni 之间相互扩散，形成脆性中间体， 造成剪切强度下降。因此热处理的工艺，既要满足基 层碳钢的热处理要求，又要确保热处理后锆与碳钢 基层之间的剪切强度大于 137.9 MPa。
第 11 期
作者简介：朱平勇 男 1964 年生 1985 年华东理工大学毕业 工程师 主要从事化工设备制造和管理工作
第 11 期
朱平勇：锆复合板换热器制造工艺技术
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考核该设备在设计温度、设计压力下运行的可靠性。
2 焊接
2.1 材料
本冷凝器管箱筒体、封头材质为锆复合板。
基层材质：SA- 516Gr55，名义厚度 28 mm，美国
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上海化工
第 35 卷
（2） 评定结论 a、外观检验：碳钢基层未发现焊缝表面有气孔、 夹渣、咬边、裂纹等表面缺陷；焊缝表面颜色呈银白 色，表明焊缝气保护效果好。 b、无 损 检 测 ：按 JB4730- 94 对 基 层 焊 缝 进 行 100%射线探伤，Ⅱ级合格。 c、力学性能试验：焊接试板按管箱热处理温度 550 ℃进行热处理，保温 1 h。 拉伸试验结果见表 4。
锆板及焊丝化学成分见表 3。
表 3 60702 锆板及焊丝的化学成分
（%）
元素 C FeCr H
种类
Hf N
O ZrHf
锆板 0.022 0.081 0.004 5 0.18 ＜0.13 ຫໍສະໝຸດ Baidu.13 ＞99.2
焊丝 0.01 0.08 0.000 3 1.1 0.002 0.14 99.5
2.2 复合板焊接接头型式 由于锆与碳钢不能直接焊接, 给锆 - 钢复合板
ASME 规范，表明国内完全有能力制造锆复合板压
力容器，对活性金属复合板压力容器在国内的推广
具有积极意义。
参考文献：（略）
收稿日期：2010 年 8 月
The Manufacturing Technology of Zirconium-CladPlate Heat Exchanger
Zhu Pingyong
本文介绍的锆复合板换热器属固定管板式换热 器，其管板和管箱均为锆复合板，换热管为锆管，换 热器于 2006 年开始研制，解决了锆复合板焊接接头 的结构型式、焊接、热处理、锆复合板成型、封头压制、 热循环试验、无损检验及氦检漏试验等技术难题。
1 设备简介及制造难点
1.1 设备主要技术参数 设备主要技术参数见表 1。
焊接顺序： （1） 焊前先将复层边缘用机加工方法切除,加 工好基层坡口。 （2） 坡口不留间隙，先焊接基层。 （3） 基层焊完后，将焊缝背面磨平并清洗后，垫 上垫板（锆板），进而复层焊接，垫板与复层锆板采用 不焊透密封焊。
锆复层：采用钨极氩弧焊，钨极直径 覫1.6/覫2.4 mm,焊机直流正接，焊机具有高频起弧和保护气提 前及延时供给功能。气体流量：主喷嘴 15 L/min,背面 19 L/min。锆材角焊缝的焊接不少于 2 个焊道，打底 使用 覫1.6 mm 焊丝，以保证角焊缝根部焊接质量。
4 锆复合板管箱的热处理
按照 GB151 及“容规”的规定，换热器管箱须做 消除焊接应力的热处理。由于锆的弹性模量 （9.93X104 MPa）比碳钢（2.1X105 MPa）低，焊接残余 应力较小，因此复合板管箱的热处理是在碳钢基层 焊接、无损检测 100%射线探伤合格后进行，热处理 后再进行复层锆板的垫板及盖板的焊接。