[摘要]新疆换热器厂家介绍锆材换热器的制作工艺。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。
介绍锆材换热器的制作工艺。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。
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。
1、设备概述
我公司300 kt/a醋酸工程的配套设备———反应器放空冷凝器属三类容器，介质为易燃易爆的有机物，壳程、管程主体材料分别为SB-551R60702和16MnR。管子与管板连接为强度焊+贴胀，设备制造、检验和验收按GB151—1999《钢制管壳式换热器》、HG20584—1998《钢制化工容器制造技术要求》、《年产30万吨醋酸项目—特材设备技术规定》、同时参照ASTN第Ⅷ卷第一册2004版及增补和TEMA(R级)标准进行，并受《压力容器安全技术监察规程》的监督。设备主要设计参数见表1，结构示意见图1。
2、设备制造难点及制作方案
1)锆材筒体的成形
锆(Zr)在常温下呈银灰色，有延展性，工业纯锆的熔点为1 852℃，密度为6。5 g/cm3，常温线膨胀系数为5。85×10－6℃－1，热导率为88。34 W/(m·K)，有比不锈钢、镍基合金及钛更优异的耐腐蚀性能。我公司虽已制造了各种压力容器近400台，但这种特材容器还是第1次碰到，无制造经验可供借鉴，且中国还没有锆和锆合金的容器规范，从制造技术角度来讲，难度很大。于是决定从分析锆材702(R60702)的机械性能(见表2)入手，着手制定制作工艺。
从表2可以看出锆材在室温时的塑性很差，所以冷加工性能不好，压制时极易产生裂纹，用已有17。8 mm锆板试验压制也验证了冷成形难度很大。但由于锆的弹性模量低，因而热加工后残余应力较小，变形量小，因此决定采用热压，即加热后压制。据相关资料介绍，锆板在260～427℃加热温度范围内适合进行热成形。考虑钢板加热后从出炉再转移到压机上有一段时间，中间有一冷却过程，决定将加热温度控制在420～450℃。于是自制了模具，用同样厚度的碳钢板试验，模具经过几次修整，试验结果良好。最后模拟了筒体加热后压头、轧圆、校圆整个加工过程，为正式加工提供借鉴数据。
2)设备检验要求严格
《年产30万吨醋酸项目—特材设备技术规定》中要求:A、B类焊接接头对口错边量≤1。5 mm，焊接接头环向和轴向形成的棱角≤2。0mm。由于管板与筒体对接焊接，组对尺寸要求严格，显而易见该容器较GB150—1998标准高得多。采用管板对接尺寸按筒体成形实测尺寸配作，管板环缝坡口金加工后满足组对要求。
3、主要工艺
1）材料复验
锆管板、锆板按ASTM标准的要求复验机械性能、化学成分，并进行超声波检测。
2）筒体成形
划线采用记号笔，锆板表面禁止采用硬印标志。经复核下料尺寸合格后进行材料标记移植，采用水下等离子切割，下料后清除毛边。筒体规格为DN700 mm×25 mm×4 206 mm，按来料尺寸将筒体分为DN700 mm×25 mm×2 100 mm、DN700 mm×25 mm×2 106 mm 2节预制，同时划出产品试板1副。考虑端面错边、喇叭口及热影响区等因素，筒节长度两端各预留30 mm余量，实测板厚25。8 mm，周长根据中径展开放3mm收缩余量。
筒体预弯、压头均在加热后进行。加热前涂高温防氧化涂料2遍，第1遍涂料干后再涂第2遍，待涂料干后进行加热。将筒体板材加热至420～450℃保温20～30 min。在600 t油压机上用自制专用模具压头(见图3)，两端压头一次完成。压头后，再涂高温防氧化涂料，等涂料干后进行第2次加热，然后上数控卷板机一次完成卷圆。在卷圆前，火焰加热轧辊，将轧辊预热至150～200℃。在轧制过程中保持轧辊表面整洁，避免锆板表面附着铁屑和机械损伤。
纵缝组装时控制筒体椭圆度≤3。5 mm、纵缝错边量≤1。5 mm、棱角度≤2。0 mm。第1节筒体带产品焊接试板，按焊接工艺焊接筒体纵缝和产品试板，焊缝按JB/T4730—2005标准100%射线检测，Ⅱ级合格，100%着色检测，Ⅰ级合格，合格后割除试板。焊后实测:筒体两端椭圆度1#为5～6 mm，2#为2～4 mm;错边量≤1。5 mm;棱角度≤2。0 mm。焊后局部变形通过加热筒体、上数控卷板机校圆使椭圆度达到上述要求。校圆后测得2节筒体棱角度均为1。0 mm，椭圆度:1#为2～3 mm，2#两端均为1 mm，符合设计要求。焊缝表面质量检验合格后，进行焊缝100%射线探伤和100%着色检查。加热时产品试板随炉。
3）壳体热处理、环缝组焊
壳体热处理、环缝金加工2节筒体预组装。考虑筒节所放长度余量和纵缝位置，按总图管口方位划线定各接管中心，镗床加工接管焊接坡口，接管与筒体焊接(活套法兰预先套入)。为了防止焊接时发生筒体变形，在管口两侧增加支撑工装。接管组焊完毕，2节筒体同炉热处理，最后上镗床加工4个接管的锆衬环密封面，同时去除筒体长度余量并加工环缝焊接坡口。加工后测得2节筒体端口内直径为700～701 mm，完全满足组对要求。
产品试板随筒体进炉加热(整形加热)，之后将其一分为二，一半做常规机械性能(拉伸、弯曲)试验，另一半随筒体消除应力热处理后再取样试验3。试板检验合格后，2节筒体环缝组装焊接，之后按JB/T4730—2005标准进行100%射线检测，Ⅱ级合格，100%着色检查，Ⅰ级合格。焊后实测环缝最大错边量为1。0 mm。将筒体内外涂层清除干净并进行喷砂处理。筒体与右管板组焊，焊后实测环缝最大错边量为1。0 mm。焊缝进行100%射线检测，Ⅱ级合格，100%着色检查，Ⅰ级合格。
4）壳程总装
右管板拉杆、折流板、定距管(挡管、挡板、防冲板)组装前，管板表面、管孔及管端长度150 mm范围内严格进行清洗，清洗液采用丙酮。穿换热管时严禁强行敲打，换热管表面不得出现凹瘪或划伤。壳体套入管束并引头，左管板与壳体组焊，焊接时注意筒体内壁充氩保护。焊后实测环缝最大错边量为1。0 mm。焊缝经100%RT、100%PT检验合格。管子与管板的连接采用强度焊+贴胀。按焊接工艺焊管子与管板焊缝，采用液袋胀进行贴胀。为了确定液袋贴胀压力，经过多次试胀，并进行拉脱力试验，最终确定液袋贴胀压力为150 MPa。壳程几何尺寸检验合格;C、D类焊缝100%着色检验，Ⅰ级合格;试水压8。13 MPa;气密试验3。4 MPa;0。05 MPa干燥、清洁的氦气检漏合格，氦气检漏的合格标准为≤1×10－5Pa·m3/s。换热管和管板外侧表面酸洗钝化处理，充0。05 MPa氮气保护。
5）焊接工艺
SB-551 R60702焊接工艺评定按ASME第Ⅸ和技术要求进行。开双面X形坡口，焊接接头力学性能试验合格，合格指标均与母材相当，按此制定了以下纵、环缝手工氩弧焊焊接工艺:焊接电流正接170～200 A，焊接电压14。5～18。5V，焊接速度170～220 mm/s，焊丝直径2。4～3。0 mm，钨极直径2。4～3。0 mm，喷嘴直径18～20 mm，氩气流量18～20 L/min。
焊前将焊缝坡口及坡口两侧30～50 mm范围内用电锉和钢丝刷进行机械清理，再用丙酮清除干净。施焊时，焊层采用多层单道焊与多层多道焊相结合的焊接方法。对焊接部位超过200℃的区域应进行局部保护。焊丝始终在氩气的保护区域之中运行，采用纯度为99。999%的氩气拖罩保护形式对焊缝金属正面及背面进行保护。严格控制层间温度≤60℃。产品焊接试板各项性能检验结果见表3。
6）热处理工艺
为消除组焊过程中产生的残余应力，2节筒体接管组焊完毕后同炉进行热处理。产品试板随炉。热处理前筒体内外涂高温防氧化涂料2遍。
由于制定了严谨的制作工艺并在施工中严格执行，攻克了锆筒体制造成形的难点，设备最终几何尺寸检验均符合图纸技术要求，且成形美观，受到国内外同行的一致称赞。目前该锆材换热器已投入使用1 a多，运行情况稳定，说明以上制作工艺是可行的。
（1）锆复合板换热器的研制成功，解决了锆复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。
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