鋯復(fù)合板反應(yīng)器加工制造工藝分析

符治

（中核集團西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021）

1 設(shè)備特性及結(jié)構(gòu)概述

R2101反應(yīng)器是合成醋酸工藝中的核心設(shè)備之一，其主要部件包括上下球形封頭、筒體、接緣和接管等。設(shè)備主要材質(zhì)為SA-516+SB-551復(fù)合 R60700，筒體直徑為3658mm，厚度為(48+4)mm。

2 材料的加工性和焊接性分析

設(shè)備材質(zhì)為SA-516+SB-551復(fù)合R60700，其基材SA-516承擔設(shè)備強度和剛性的保障作用，復(fù)材SB-551 R60700起耐介質(zhì)腐蝕。

（1）基層的加工性和焊接性?；腟A-516與我國壓力容器用鋼板Q345R鋼的的冷熱加工及焊接工藝性相近，已廣泛的用于化工行業(yè)的承壓設(shè)備，并作為一定的化工過程工況下的主要用材，其加工性和焊接性較為成熟。

（2）復(fù)層的加工性和焊接性。SB-551 R60702，且具有優(yōu)良的耐蝕性能，且焊接性能優(yōu)良，就熱物理性能而言，鋯及鋯合金的焊接性與Cr-Ni鋼的焊接性能無明顯的差別。鋯的焊接性能優(yōu)良，具有比某些常用的結(jié)構(gòu)材料較好的焊接性，就熱物理性能而言，鋯及鋯合金的焊接性與Cr-Ni鋼的焊接性能無明顯的差別。鋯材的焊接接頭不會產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋以及夾渣缺陷。但由于鋯材活潑且極易被氧化，因此焊接過程中應(yīng)對熔池、未冷卻焊縫、熱影響區(qū)及焊縫背面高溫區(qū)(溫度高于300℃的部分)進行惰性氣體保護。

（3）鋯材焊接操作要點。

①坡口應(yīng)采用機械加工或打磨法進行制備。打磨后的坡口表面需用奧氏體不銹鋼絲刷或用機械方法拋光，以便去除砂輪打磨時可能殘留在坡口表面的砂粒。

②焊接時所有高溫區(qū)域T＞300℃的區(qū)域均應(yīng)采用高純氬（Ar≥99.999%）進行的氬氣保護。保護氣路和保護罩在焊接開始前應(yīng)預(yù)通氣3～5分鐘以驅(qū)除保護氣路及保護罩內(nèi)有害氣體及水分。在焊接前應(yīng)確保使用焊槍、各種保護裝置應(yīng)具有良好的保護效果。

③焊接時焊矩應(yīng)平穩(wěn)的直線移動，并保持弧長恒定，焊矩軸線與焊件表面大約呈70°～90°角，填充絲與鎢極大致保持垂直。

④使用跟隨式拖罩及側(cè)向保護罩時，保護罩應(yīng)隨焊矩均勻移動，焊矩與保護罩尾端距離保持在焊縫脫離保護沒發(fā)生變色的距離內(nèi)。熄弧后保護罩應(yīng)繼續(xù)送氣至工件冷卻，采用整體充氣法保護焊縫背面時，通氣也應(yīng)延續(xù)至工件冷卻。

⑤填加焊絲時要保持焊絲前端始終處于保護氣流之內(nèi)，如端頭發(fā)生氧化變色時，應(yīng)將變色部分剪除再用。

⑥焊接時層間溫度控制在60℃以下。多道焊時焊縫及熱影響區(qū)若有黃色氧化色時應(yīng)采用不銹鋼鋼絲刷清除后再進行焊接。焊逢表面若出現(xiàn)不允許的顏色變化時應(yīng)立即停止焊接，待排除變色原因后繼續(xù)施焊。

3 主要部件的加工方案

（1）球形封頭的成型。球形封頭規(guī)格為R=1830mm，厚度為（24+4）mm。由于直徑大以及復(fù)合層鋯材對成型溫度的要求，整體冷成型制造難度大，因此采用瓜瓣形式。整個封頭分為6個瓜瓣+1個頂圓，頂圓球冠展開直徑為ф1600，各瓜瓣高度方向留量，單瓣成形拼裝后機加大、小口尺寸及坡口，小口尺寸與頂圓配做。大口尺寸按理論尺寸，瓜瓣寬度方向留焊縫收縮量2～3mm。封頭成型后用全弦長內(nèi)樣板檢查封頭內(nèi)表面的形狀偏差，其最大間隙不得大于封頭內(nèi)徑Di的1.25%，且小于3mm。其他尺寸公差均均滿足相關(guān)標準要求。由于鋯材隨著溫度升高強度降低而延伸率增加，因此球形封頭瓜瓣的成型采取加熱成型，加熱溫度小于400℃，成型溫度控制在350℃左右，壓型方法采用整體胎具整瓜瓣成型，為兩次沖壓成型，加熱前鋯材表面涂保護涂料防止其表面氧化。為保證封頭瓜瓣形狀尺寸，利用整形胎對其進行整形，整形采用點式冷壓型。

（2）筒體成型。筒體采用冷卷成型，為了保證筒體與上下封頭在組裝時基層內(nèi)壁平齊減少錯邊量以及成形質(zhì)量控制點如下：筒體基層厚度較厚，考慮縱焊縫的收縮量和卷制時的伸長量差，筒體的展開長須加長3～5mm。為了保證筒體成型時不出現(xiàn)調(diào)角及錯邊，在加工筒體時須保證兩對邊平行，相鄰邊垂直，兩筒體板的兩對角線差應(yīng)小于3mm。加工拼接筒體坡口同時剝離復(fù)層，對焊縫剝離層點焊不銹鋼襯條并進行筒體校圓，校圓完成后再焊接復(fù)層并按要求進行焊縫檢測。

（3）封頭軸承座孔的加工。上、下封頭安裝攪拌器的兩個軸承座孔，軸承座孔的凸緣密封面平行度要求不大于凸緣直徑的0.098%，兩凸緣孔同軸度要求不大于ф0.5mm。為保證圖紙各形位公差，故凸緣采用焊前留機加余量，在設(shè)備整體熱處理后精加工。

（4）熱處理。雖然復(fù)合板SA-516+SB-551 R60700兩種材料的線性膨脹系數(shù)存在一定差異，但是鋯材復(fù)層和鋯蓋板、填板焊縫的強度能夠抵抗熱處理時兩種材料的線性膨脹差，并且熱處理后鋯材表面將形成一層致密的氧化膜。焊接部位的表面氧化層難以清除干凈，會對鋯焊縫質(zhì)量留下隱患，因此采取焊后整體熱處理，整體熱處理前應(yīng)組焊所有鋯填板及鋯蓋板。熱處理時復(fù)層應(yīng)涂保護涂料；熱處理后不再打磨復(fù)層氧化層，這層氧化膜更有利于提高鋯材的耐腐蝕性，熱處理主要參數(shù)如下：升溫速度：20～30℃/h(50℃max/h)；加熱溫度：550±15℃，保溫時間：

（5）h；降溫速度：≤55℃/h。

4 焊接接頭的設(shè)計（如圖1、圖2）

（1）坡口型式。

圖1 A、B類對接頭

圖2 接管與筒體、封頭焊接

（2）組焊順序。先組焊基層（序號①），為減少焊接熱對鋯復(fù)層的影響，采用單面坡口（坡口向外），同時采用較小的規(guī)范焊接。基層焊完探傷合格后點焊鋯材墊板與復(fù)層（序號②），再組焊鋯材蓋板與復(fù)層（序號③）。

在縱焊縫和環(huán)焊縫上各設(shè)置2個檢漏孔，并在墊板及蓋板處給以封閉，以便各條焊縫分區(qū)檢漏。該檢漏孔焊接時兼作背面充氬氣保護鋯材的接口。

5 設(shè)備檢測

（1）焊接接頭的無損檢測。焊接完成后對基層縱、環(huán)焊縫和封頭拼焊焊縫按NB/T 47013-2013要求進行100%雙片射線和超聲波UT檢查，對復(fù)層焊縫表面按進行100%液體滲透檢查。

（2）復(fù)層和墊板焊縫的氮氣檢漏。采用真空法檢查設(shè)備縱、環(huán)焊縫和接管墊板以及復(fù)層板的致密性。方法如下：將鋯墊板與基層、復(fù)層與墊板之間的夾層空間抽至真空度為1.0Pa，氦氣檢漏儀的靈敏度調(diào)為1×10-8Pam3/s，在墊板或復(fù)層板兩側(cè)的密封焊縫上噴吹氦氣，如出現(xiàn)泄漏率超過1×10-5Pam3/s的信號反應(yīng)，做好標識，對有泄漏部位進行返修，重復(fù)以上步驟至無泄漏信號為合格。

（3）熱氣循環(huán)試驗。設(shè)備在制造完成后進行了一次模擬設(shè)備運行工況的熱氣循環(huán)試驗。采用一定壓力的過熱蒸汽對設(shè)備進行升溫、保溫、冷卻的循環(huán)過程。試驗結(jié)束后將對所有焊縫重新進行了氦氣滲漏檢查。

（4）焊接試板的檢查。在產(chǎn)品制造時制作了焊接試板，試板采用與產(chǎn)品相同的焊接工藝參數(shù)進行焊接、無損檢測及熱處理等工序后對試板進行了性能檢測，焊接接頭橫向側(cè)彎在彎曲180°，彎曲面完好。檢測數(shù)據(jù)見表1。

從拉伸、彎曲試驗和復(fù)層焊縫金屬的化學(xué)成分試驗結(jié)果看，焊接接頭具有良好的強度和塑性，各項指標均滿足規(guī)范的要求。復(fù)層焊縫金屬及熱影響區(qū)硬度測試的結(jié)果表明，焊縫金屬以及復(fù)層熱影響區(qū)的硬度與母材相當，沒有顯著的增高，因而也就證明復(fù)層焊縫金屬沒有受到O、H、N等氣體的污染。

6 結(jié)語

對鋯鋼復(fù)合板接頭的焊接次序是先焊基層鋼，一般選用TIG焊進行打底焊接，基層鋼焊接時線能量不宜太大，過大的線能量會使錯復(fù)層因溫度過熱發(fā)生氧化或產(chǎn)生復(fù)合板界面結(jié)合強度下降和界面剝離等問題。

同時，在焊接過程中要避免電弧焊的飛濺造成錯復(fù)層污染，基層鋼焊接應(yīng)用單面焊；并在復(fù)層焊接時要求對焊接接頭區(qū)域的保護。通過對產(chǎn)品焊接試板的檢測：焊接接頭組織分布均勻，無明顯的晶粒長大現(xiàn)象出現(xiàn)，接頭性能滿足相關(guān)標準要求，具有較高的強度和良好的塑性和韌性。

表1 焊接試板性能檢測數(shù)