钽制压力容器的应用

张蒲根* 林金峰 王胜辉

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 前言

钽具有熔点高、延展性好、热导率大、化学稳定性好等优异性能，且钽对切口不敏感，因而其主要腐蚀方式为均匀腐蚀，不易发生腐蚀疲劳和腐蚀破裂等局部腐蚀。正因为钽具有以上优点，近年来越来越多被应用于特种化工领域，且以钽衬里压力容器为主。

1 钽制容器的应用背景

金属钽是一种稀有金属，其熔点高达2 996 ℃，一般只能通过电子束或真空电弧熔炼而成。金属钽的硬度较高，但具有较好的韧性和延展性，因此其高温强度和加工性能良好；钽在自然界的含量低，其熔炼能耗较高，因此成本昂贵，所以钽一般使用在其他金属难以替代的情况下，其主要用于强酸(盐酸、硫酸及硝酸)、双氧水、溴、氯及石油工业等生产过程，主要应用形式包括反应器、换热器等压力容器。钽直接用于制造压力容器耗资巨大且浪费资源,因而主要采用复合板衬里结构。为降低造价，在制造时，国外厂家使用钽板或钽，管厚度一般为0.4～1 mm。由于钽材厚度较小，因此在实际使用中容易损坏。

目前我国压力容器用钽/钢复合板暂无国家或行业标准，TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》仅从安全角度考虑，规定了其使用状态和最高设计温度。

（1）规范2.2.5.6 条对材料进行了规定：钽金属用于压力容器受压元件时，应当在退火状态下使用，钽和钽合金设计温度不高于250℃。

（2）规范8.3.3 条对压力容器定期检验进行了规定：衬里层的破损、腐蚀、裂纹、脱落，查看信号孔是否有介质流出痕迹；发现衬里层穿透性缺陷或者有可能引起压力容器本体腐蚀的缺陷时，应当局部或者全面拆除衬里，查明本体的腐蚀状况和其他缺陷。

在质量检验或验收方面，邵峰[1]在制造6 台钽衬里反应釜的监督检验过程中，按照ASTM B898《活性及难熔金属复合板规范》进行验收，验收内容主要包括以下几方面：

（1）钽金属化学成分验收标准为GB/T 3629—2017 《钽及钽合金板材、带材和箔材》；

（2）基层金属化学成分和力学性能验收标准为GB 6654—1996 《压力容器用钢板》；

（3）覆层金属与基层金属界面剪切强度验收标准根据ASTM B898 规定执行；

（4）界面结合率测定。根据ASTM A578《特殊用途的复合钢板直束探伤法》的规定，按图样要求为B 级，单块未结合区的最大尺寸不得超过75mm，整体界面结合率需大于97%。

目前国内压力容器用钽/钢复合板暂无相关国家及行业标准，建议生产企业自行编制企业标准来保证产品质量。

2 钽制容器的工艺要点

2.1 胀接和焊接

金属钽对杂质浸入敏感，因此对焊接环境要求较高。加热到300 ℃以上时，空气中的氢、氧、氮等气体会与钽发生剧烈反应，生成脆性化合物；此同时，钽也会与硅、碳、硼反应，生成脆性化合物，使其塑性、韧性降低。因此，控制焊接环境是必须要考虑的因素。另外，由于温度升高后钽换热管和管板的热膨胀系数存在差异，容易引起胀接拉脱力降低，焊接时必须考虑保护焊接接头背面的惰性气体通道[2]。钽材焊接场所应保持空气洁净，且无尘、无烟；焊工应保持衣着鞋帽清洁；钽材焊接场所应划分独立区域，避免与钢材作业的车间交叉作业。

2.2 内衬贴条及检漏结构

钽衬里制压力容器应该考虑设置检漏结构，该结构既可以检验焊接接头的焊接质量，也可以用于检验容器运行期间衬里是否损伤。为了在检漏过程中快速找到衬里损伤部位，建议将纵环缝上的检漏通道隔开，在各通道上设置单独的检漏结构，较长的通道则应设置2 个以上的检漏结构，并且将位置尽量朝重力下方设置，以便提高检漏效率。在检漏结构中，锆与钽具有相似的检漏需求，可以参考NB/T 47011—2010《锆制压力容器》标准中的检漏结构，如图1 所示。

图1 常见检漏结构

由于钽的熔点与钢相差较大，因此钽不能直接与钢基层焊接。在施焊前，应将坡口两侧的钽层打磨去除，待钢基层焊接完成并打磨平齐后，采用合适的垫条材料来填充空缺部分。垫条主要用于机械支撑，其厚度应与钽衬里层一致。邵峰[1]结合现场经验指出：在钽复合板釜体纵环缝处可采用锆垫条（两种金属性能相近），其余采用钛垫条。制造完成后，往检漏结构内通入10%（体积分数）氨气进行检查，保压时间为0.5 h，压力为0.15 MPa。

2.3 压制封头

复合板封头成型方法需要根据钽材和基材来确定。当加热到300 ℃以上时，空气中的氢、氧、氮等气体会与钽发生剧烈反应，生成脆性化合物，因此长时间高温加热会对钽衬里的强度造成极为不利的影响。如果壁厚较大，压制温度太低则会导致成型困难，因此选择合适的加热温度和保温时间非常重要[3]。

在冲压前，应先清理磨具，避免其对钽材表面造成机械损伤和污染。在封头压制过程中，可以采用涂覆专用高温防氧化涂层的方法来隔绝空气，有效避免钽材和基材发生高温氧化。

3 结论

随着钽制压力容器使用数量逐年增加，该类设备的制造技术及检验需求也逐步提升。基于钽的特殊物理化学性能，介绍了钽衬里压力容器目前的应用情况、相关法规标准以及工艺要点。衬里压力容器主要工艺包括管板胀接及焊缝连接、内衬贴条及检漏结构和压制封头，建议将纵环缝上的检漏通道隔开，各通道应设置单独的检漏结构，较长的通道应设置2个以上检漏结构，并且其位置应尽量沿重力方向往下，以便提高检漏效率。目前国内压力容器用钽/钢复合板暂无相关国家及行业标准，建议生产企业自行编制企业标准来保证产品质量。