钛制压力容器制造监检要点

田小丹*

（江苏省特种设备安全监督检验研究院昆山分院）

某石化公司新建的燃料气转化装置中需要1 台氨汽缓冲罐，其物料包含NH3和水，还有微量H2S 和CO2，由于钛合金具有优良的抗腐蚀能力、耐高温性能，并且强度高，其比强度是不锈钢的3 倍。所以业主选用钛材制造该设备，其制造应满足TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和JB/T 4745—2002《钛制焊接容器》标准要求。设备的主要受压元件材料为TA3，设计压力为0.6 MPa，设计温度为140 ℃，使用地的月平均最低气温为-16.1℃（钛材许用温度下限为-269 ℃，上限为300 ℃，完全满足使用温度要求）。

1 板材、管材要求

该容器要求板材和管材都使用TA3 牌号钛材，设计规定钛及钛合金板标准为GB/T 3621—2007《钛及钛合金板材》；钛及钛合金管制造标准为GB/T 3624—2010《钛及钛合金无缝管》。材料供货状态要求退火（并不得采用俄罗斯钛代用）以及无缝管应符合JB/T 4745—2002 建造标准要求。由于JB/T 4745—2002 标准执行时间较早，监检人员可以建议设计单位增加一份使用材料标准最新版本的说明。

钛板在材料入库前，应根据GB/T 3621—2007 标准要求按批次进行化学成分、力学性能和工艺性能检验[1]。逐张对板材进行外观质量和尺寸偏差检验，当其尺寸和外观质量不合格时，该张板材不合格；当其化学成分不合格时，该批次产品不合格。从每批板材中任取2 张，每张各取2 个横向试样，分别对4 个试样（如果只有1 张板材，则取2 个试样）进行力学性能和工艺性能检验。若有1 个试样不合格，则取双倍数量试样重复试验该不合格项目，重复试验若仍有1个试样不合格，则该批次板材不合格。此时允许供方逐张重复检验不合格项目，合格的重新组批入库。管材应按GB/T 3624—2010 标准进行类似检验[2]，合格后方可编号入库。

2 加工要点

受压元件须有材料标记，钛材的耐腐蚀面不应用硬印作材料确认标记[3]，若其非耐蚀面用硬印打标识，工具应使用钛合金或不锈钢材质，同时该标识应由圆滑的点线构成，使其残余应力尽可能小。钛材容器制造场地应铺设软质地垫，避免损伤材料表面。无论是制造现场，还是切割、加工成型场地，都应经常清理氧化铁皮或铁屑等杂物，以免钛材被铁污染。

在钛材上划线时应尽量采用金属铅笔，一般不允许打冲眼。该设备板材和管材均选用TA3 牌号钛材，但为了兼顾经济性有些设备会选用复合板材料，此时钛钢复合板加工划线应在基层钢板上进行，以免污染钛金属，切割时为了防止分层，应注意将钢基层朝下，从而避免钛复合层变形过大。

封头在压制时应尽量采用热成形，且应关注热处理曲线温度或是封头合格证标示的始压温度，为了防止钛材表面氧化，加热温度不应超过800 ℃。如果采用冷成形，在成形后应尽量采用100～350 ℃热校形。

3 焊接要求

该设备要求使用铈钨电极的钨极氩弧焊，坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷。施焊过程中钨极碰到焊缝金属应立即停焊，去除污染层，必要时可以修磨钨极尖端后再焊。钛的导热性较差，其熔点为1 668 ℃，比钢和许多其他金属高，熔融状态下会形成金属中间化合物，导致焊接接头脆化，所以钛和钢不仅不能熔焊，在钛熔焊过程中严禁混入钢铁和其他金属。同时钛在高温熔化情况下还原性极强，可与多种元素和化合物发生反应，所以施焊时所有焊缝正面和A 缝的背面应进行惰性气体保护。

焊接作业人员需满足铝及铝合金或钛及钛合金中某类别任一牌号材料钨极气体保护焊考试合格。焊接环境对焊接质量和接头性能影响较大[4]，施焊时应处于无烟无尘的独立环境。如果同车间里有钢制设备作业，应采取隔断措施保证钛材施焊时不被铁污染。

根据NB/T 47014—2011 标准规定，TA3 母材类别号为Ti-2。NB/T 47014—2011 标准规定，选用厚度为6 mm 母材焊制对接焊缝试件就可以覆盖母材厚度≥1.5 mm 的不等厚对接焊缝焊件，同时材料标准无冲击试验要求，所以6 mm 对接焊缝焊评可覆盖母材厚度1.5～12 mm 的对接焊缝焊件。该设备最大筒体厚度为10 mm，最薄接管厚度为3.5 mm，而且所有焊接接头都要求使用钨极氩弧焊，所以本着用最少焊接工艺评定数量覆盖最多焊接产品的原则，只要进行1 次母材厚度为6 mm 的对接焊缝焊接工艺评定，即可满足此设备的所有焊接生产[5]。

设备主体焊接接头均采用常规对接焊缝形式，焊接时需根据合格的焊接工艺评定报告编制的焊接工艺规程。人孔盖和接管法兰盖用16Mn Ⅱ锻件加TA3衬板进行制造，一般采用螺钉固定，再在螺钉表面堆焊钛层熔敷金属。因为钛和钢不能熔焊，不能存在过渡层，所以螺钉也采用TA3 材质，不需要耐蚀堆焊工艺评定支撑，只要母材厚度为6 mm 的对接焊缝焊接工艺评定就可以满足该堆焊接头工艺要求。密封面须在衬板与法兰盖焊好后加工，焊接接头见图1。

图1 人孔盖、法兰盖焊接示意图

人孔及接管选用活套法兰，在接管上增加挡块，规格为20 mm×20 mm×6 mm，材质为TA3,DN ≤80 mm的接管用2块挡块，DN＞100 mm的接管用4块挡块。焊接接头如图2所示。接管与材质同为TA3的焊环焊接完成后，再对密封面精加工进行。

图2 接管活套法兰焊接示意图

JB/T 4745—2002 标准要求毒性程度为极度或高度危害的容器，或者设计压力≥1.6 MPa 的中高压容器需要按台制备产品焊接试板，因此该设备可以免做产品试板。

4 检验注意要点

焊接时因为焊嘴所带氩气只能保护焊接熔池，而凝固的焊缝及其热影响区无保护气体作用，但这部分金属仍处于较高温度，当钛金属高于400 ℃时开始吸收氧，高于600 ℃时开始吸收氮。随着氧化程度增加，焊缝的颜色会发生变化，焊缝的力学性能也逐渐劣化。焊缝为银白色说明无氧化，金黄色说明轻微氧化，蓝色说明氧化稍严重，灰色则说明氧化严重[6]。对所有焊缝及热影响区表面进行颜色检查:表面是银白色和金黄色时可不用处理；蓝色的焊接接头在除蓝处理后可用于非重要部位；其他颜色的焊接接头则要进行返修，返修的次数也要注意。所以，该设备在焊接过程中必须注意线能量，控制焊接速度，严格按焊接工艺规程执行。

设计规定焊缝和热影响区用10 倍放大镜100%检查表面，不得有咬边，对A、B 类焊缝要求100%射线无损检测，Ⅱ级为合格。如果发现超标缺陷，应先清除缺陷后再补焊，并用射线重新检测，直至合格。所有焊缝（对接及角接）表面在水压试验前后均应进行渗透检测，发现不允许缺陷可以进行修磨，必要时应补焊，再用渗透方法重新检测，直至合格。该设备对焊缝的无损检测要求明显高于建造标准，在制造过程中应加以注意。

设备制造完毕后应检查设备内表面是否有机械损伤，对可能影响耐腐蚀性能的损伤进行修磨。修磨可采用尼龙掺合氧化铝的专用砂轮，不可和打磨过钢材的砂轮混用，以免铁污染设备。氨汽提气/冷凝液介质为易爆介质，毒性危害程度为中度，规程和技术标准均未强制要求进行泄漏试验，但设计文件中应另加空气气密性试验要求，制造过程监检中也应注意该项检测。

最后对设备进行清污、去油处理，其内表面还需要酸洗并做铁污染试验。如果忽略容器表面处理导致铁污染残留，设备投用不久就会出现规律分布的黄锈斑。其台反应器定期检验发现内表面不到1 m2区域的内有数百个锈斑，斑点大小均一，其直径约为1 mm，用铁指示剂检测显蓝色，推测在容器制造过程中喷溅的铁水污染了设备。酸洗时要选取合适的酸洗钝化液，条件允许时可入加缓蚀剂，酸洗时温度不宜过高，结束后用洁净水冲洗干净，防止酸洗造成钛材的吸氢脆化[7]。铁污染试验合格后，设备应及时包装保护，防止被再次污染。