鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、非磁性及線膨脹系數(shù)小的顯著特點?在適當氧化性的環(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。
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展?國內(nèi)對鈦及鈦復(fù)合板設(shè)備的需求日益增加。近5a來?國內(nèi)鈦設(shè)備的需求以每年30％的速度增長?特別是國內(nèi)新建化工項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?國內(nèi)鈦設(shè)備制造裝備水平相對落后?加上鈦制熱交換器等鈦設(shè)備在設(shè)計、制造、檢驗等方面?經(jīng)驗與理論技術(shù)方面相對貧乏?國內(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內(nèi)化工大型項目的需要?大量的關(guān)鍵設(shè)備仍需要從國外進口。文中從設(shè)計、制造、檢驗等方面簡要介紹了現(xiàn)階段制造大型鈦制熱交換器的一些先進技術(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)?特別是在精對苯二甲酸、燒堿、氯堿、純堿、真空制鹽、無機鹽等項目中。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精對苯二甲酸（PTA）項目
PTA是現(xiàn)代化工基本原料?屬國內(nèi)短缺產(chǎn)品。
2008年?我國PTA產(chǎn)能達到歷史性的1220～1230萬t。2009年?我國PTA產(chǎn)能已經(jīng)達到1780萬t?占據(jù)了全球第一的地位。目前?中國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?我國每年P(guān)TA還需進口?其原因在于我國PTA的消費也非常強勁。在2010年前后?國家發(fā)改委又逐步批準了翔鷺廈門石化等6個項目?可新增產(chǎn)能383萬t。上述項目完成后?預(yù)計到2010年可形成PTA生產(chǎn)能力1990萬t?屆時可滿足國內(nèi)80％左右的PTA需求量。
在PTA行業(yè)中?對鈦冷凝器等大型熱交換器的需求量很大。我國每年P(guān)TA裝置用大型鈦設(shè)備的市場價值約為6億元。以80萬t／aPTA裝置為例?所需大型鈦制熱交換器為6000萬元?全國每年鈦制熱交換器總需求量為2.5億多元。
1.2燒堿項目
燒堿是重要的基礎(chǔ)化工原料。隨著國民經(jīng)濟的增長?近幾年來?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?我國燒堿產(chǎn)量以每年20％以上的速度增長?2008年國內(nèi)燒堿產(chǎn)能在2472萬t?2009年國內(nèi)燒堿產(chǎn)能有望增加494.5萬t。
目前?制造燒堿的工藝為離子膜工藝?此方法也是目前國際上公認最先進的方法。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t／a的燒堿裝置需要鈦-鋼儲罐等大型鈦設(shè)備的費用約5000萬元?全國每年燒堿用鈦設(shè)備總需求的費用達3億多元。
1.3真空制鹽項目
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?造價約8000萬元。全國每年新增真空制鹽設(shè)備的市場總需求造價約為5億元。
1.4其它項目
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。除了新建重化工項目外?我國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?原來從國外早期進口的設(shè)備也已經(jīng)進入了更換期?為此也需要進行工藝技術(shù)提升和更新改造。由此?對鈦設(shè)備的需求也處于不斷增長的新階段。
2、大型鈦制熱交換器設(shè)計、制造及檢驗
在大型鈦制熱交換器制造中?原來的經(jīng)驗與理論已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有設(shè)備安全性與可靠性的需要?越來越多的設(shè)計方法、制造工藝、檢驗手段正在逐漸應(yīng)用到大型熱交換器的制造過程中。
2.1設(shè)計思路與方法[5]
設(shè)計方面?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格較高?合理的設(shè)計應(yīng)當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?做到經(jīng)濟合理。②為了盡量減輕設(shè)備的質(zhì)量并考慮使用安全性?對大型鈦設(shè)備則需要采用應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。③某些設(shè)備就其總體而言?可按常規(guī)設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計?但對其局部需進行詳細的應(yīng)力分析。
與小面積的熱交換器相比較?對換熱面積大于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)流體流速會降低。
因此?必須合理選擇熱交換器的設(shè)計參數(shù)?這就使得換熱管排列、換熱管長度、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。利用計算機模擬分析關(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這些部位進行分析與研究?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封頭熱成型時的表面保護技術(shù)
常溫下?鈦及鈦合金比較穩(wěn)定。鈦材在加熱過程中?在250℃左右開始吸收氫元素?從400℃開始吸收氧元素?從600℃開始吸收氮元素。
鈦鋼復(fù)合板封頭成型時的加熱溫度最高可以達到850℃。在此溫度下?鈦材表面會與空氣中的氧、氫、氮等發(fā)生反應(yīng)。鈦材腐蝕機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。封頭熱成型時的溫度將會導(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?在封頭熱成型過程時?如何確保不損傷鈦材表面的氧化膜是一個重要的課題。
目前?可以采取的有效辦法是避免在高溫時與空氣接觸?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)?從而達到了保護鈦材表面的目的。
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?焊前檢驗以及過程檢驗是否達標顯得更為重要。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?此類項目的檢驗方法和標準還很不完備?過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得以實現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)?如果采用過間隙配合的辦法?在焊接過程中位于襯環(huán)與接管內(nèi)筒壁的殘存空氣就會較多。在實際焊接過程中?襯環(huán)背面的保護最主要是從檢漏孔中通入氬氣得以實現(xiàn)。間隙較大?氬氣雖然可以置換一部分的空氣?但由于氬氣含量沒有辦法檢測。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?有時則達不到有效保護鈦材的目的。
在試驗壓力過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)?通過采用過度配合或者過盈配合?使得鈦焊接過程中產(chǎn)生的熱量可以通過鋼導(dǎo)熱?從而可以有效降級鈦材背部的氧化問題。若需要鈦襯管與接管過盈配合?可以使用氧乙炔對鋼管加熱?利用熱脹冷縮的原理?當加熱到一定的溫度時?從而將鈦襯管穿入到鋼管內(nèi)部?達到鈦襯管與鋼管過盈配合的目的。
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[6]給出了鈦和鈦合金換熱管的管板管孔直徑及允許偏差。在實際的使用過程中?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)值對于大型鈦制熱交換器而言?在使用過程中也會產(chǎn)生比較大的振動。對于管板為鈦鋼復(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)生陽極溶解成為Ti3＋。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值進一步降低?使得鈦具備了活化條件?鈦進一步溶解?其過程完全是一種自催化過程。由此可見?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。當縫隙很小時?由于腐蝕介質(zhì)不能潤濕縫隙內(nèi)表面?即使是浸潤了內(nèi)表面?其流動受到限制?鈦的氧化膜仍未遭到破壞。如果縫隙較大?氧元素的擴散相當迅速足以使得鈦發(fā)生鈍化。由此可以看出?縫隙很小或較大時都不會導(dǎo)致縫隙腐蝕的發(fā)生?縫隙腐蝕一般在縫隙為0.5mm時達到最大?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?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極化處理
鈦是一個高鈍化的金屬?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膜。新鮮的鈦表面一旦暴露在空氣或水溶液中?立即會自動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?此厚度會隨著時間的延長而不斷增加。70d后?氧化膜厚度會增加到5nm?545d后會增厚至8～9nm?4a后可以增厚至25nm左右。因此?可以通過采用提高環(huán)境溫度、化學(xué)氧化、陽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程中?新鮮鈦表面形成新的氧化層?此時氧化膜的厚度較薄。在管板使用過程中?由于管板表面受到流體的沖刷?腐蝕將會比較嚴重。因此?在管板與換熱管焊接完成后?可以采用陽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)備制造過程中?由于鈦基層與鋼復(fù)層的膨脹系數(shù)不同?通過鈦覆板連接時?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)雜性往往會產(chǎn)生腐蝕開裂等問題。對于大型鈦設(shè)備而言?當腐蝕發(fā)生時?如何及時發(fā)現(xiàn)腐蝕以及確定腐蝕的位置也是至關(guān)重要。
在實際制造過程中?通過分區(qū)檢漏的技術(shù)可以對焊縫進行分區(qū)?設(shè)置檢漏孔可以及時有效地檢測出發(fā)生腐蝕的位置?從而在維修過程中節(jié)省人力與物力。分區(qū)檢漏時?縱焊縫、環(huán)焊縫較多時應(yīng)該按照圖樣設(shè)計的結(jié)構(gòu)分區(qū)檢漏?分區(qū)時基層與復(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。無論如何檢漏?每個分區(qū)的檢漏孔應(yīng)該是2個?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[5]與GB151—1999《管殼式換熱器》規(guī)定?設(shè)備的壓力試驗一般采用液壓試驗與氣壓試驗的辦法?液壓試驗與氣壓試驗的試驗溫度是在常溫下進行的。
對于鈦鋼復(fù)合板設(shè)備來說?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?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?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?按照標準規(guī)定進行壓力試驗將與設(shè)備的檢測產(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行檢驗是一個行之有效的辦法。
熱氣循環(huán)試驗就是在鈦鋼復(fù)合板設(shè)備內(nèi)通入氣體并加熱至設(shè)計溫度后?再加壓至設(shè)計壓力下保溫保壓一段時間?待溫度降至室溫后對復(fù)層焊縫進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?然后再配合超聲波及著色檢查?即可找到缺陷位置進行修復(fù)。熱氣循環(huán)試驗的目的是考核容器內(nèi)部缺陷和密封元件在設(shè)計溫度、設(shè)計壓力下是否會發(fā)生擴展開裂、密封失效而導(dǎo)致滲漏?它偏重于檢驗復(fù)合板設(shè)備復(fù)層焊縫在設(shè)計溫度及設(shè)計壓力下是否產(chǎn)生缺陷及缺陷是否發(fā)生擴展等特征?此試驗不能代替壓力試驗。
3、結(jié)語
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、制造與檢驗工藝與方法才可以滿足設(shè)備的工藝需要。通過對大型鈦熱交換器設(shè)備方面的研究?可以提升我國鈦設(shè)備制造在國際上的地位?提高鈦等稀有金屬裝備國產(chǎn)化重大裝備技術(shù)水平?滿足國家重大工程建設(shè)和重點產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興的需要。
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