钛制盐水冷却器的制造

王文涛+白晓琳

（沈阳东方钛业股份有限公司）

摘 要：金属钛作为一种活泼金属，焊接时极易被氧化。须在专用场地施焊，将焊接表面严格清理，钨极氩弧焊时辅以拖罩方式保护，可以避免气孔和裂纹缺陷，接头质量通过颜色来检验。

关键词：钛材；氧化；氩气保护；颜色检验

钛及其合金由于密度小质量轻，并且具有良好的力学性能，大量地使用在航空、航天等尖端领域，随着石油、化工行业的飞速发展，由于钛及其合金在盐水及大多数酸、碱、盐类介质中均具有较优良的抗耐蚀性能，此外还有良好的力学性能和低温冲击韧性，因此钛及其合金越来越受到石油化工行业的青睐，被广泛制造成复合板、反应釜、分离塔或各类换热器等。石油化工行业由于使用了钛制化工设备，大大降低了维修及更换设备次数，从而节约了时间和生产成本。在钛材化工设备制造过程中，公司对钛材的技术要求及工艺性能、焊接性能进行了分析，克服了主要技术难点，圆满地完成了制造任务，并顺利地通过了各方检验。

1、钛材盐水冷却器的结构特点

钛制盐水冷却器的结构并不复杂，与一般的管壳式换热器并无过多的差别，但因其工作介质腐蚀性较强，因此在管程设计上选用了钛材TA2。管箱采用8mm的TA2板材卷制而成，换热管是Φ25X2的TA2换热管，管板是16MnIII锻件与TA2板材爆炸复合而成。壳体部分选用的是Q345R。

2、钛材的焊接特点

液态金属钛流动性较好，表面张力大，因而采用钨极氩弧焊焊接时焊缝成型非常均匀、美观；由于钛是一种活泼金属，高温下钛与氧、氢、氮反应速度较快，因而焊接钛及其合金时，要用保护气体重点保护300℃以上的焊缝及热影响区。在钨极氩弧焊时，仅依靠喷嘴保护是不够的，要辅以拖罩局部或整体保护方式，否则会造成焊缝吸氧、吸氢、吸氮，从而导致焊缝塑性下降，脆化程度加重，甚至出现焊后裂纹。钛及合金的焊接保护是否正确或合适，可通过焊缝及热影响区的颜色来检验。

此外，钛及其合金只要焊前进行严格的清理工作，选择合适的焊接填充材料和氩气做保护气，气孔和裂纹等缺陷是可以避免的。

3、管箱的制造

3.1 管箱短节焊缝应采用机械刨边加工坡口，坡口表面不得有分层，裂纹等缺陷，并保证外周长的偏差不超过标准规定。短节卷制形成过程：先进行端部预弯，经弧形样板检测合格，用滚板机弯制成形，组对定位焊，检测错边量，检测对接间隙，符合工艺要求，清除坡口及其两侧25mm范围内的油锈、杂质，按焊接工艺要求在筒节纵缝延长部位组对引、熄弧板，组焊纵焊缝后进行筒体校圆。

3.2 管箱封头用钛板应切割下料，做材料标记移植后采用冷成形工艺制造。检查封头几何尺寸表面形状：直边部位不得有纵向皱折；最小厚度满足图纸要求；用弦长相当于封头内径的间隙样板检查封头内表面形状偏差；内直径公差；直边部位最大最小直径差；直边高度允差；直边部位外圆周长；直边倾斜度；封头总深度公差；尺寸检测合格后按焊接工艺加工坡口。

3.3 图纸要求管箱的所有A、B类焊缝进行100%射线检测，II级合格；所有的C、D类焊缝以及支耳与短节间的角焊缝进行100%渗透检测，I级合格。

3.4 整个组装过程应在钛材专用区域进行，组装中要特别注意对钛材表面的保護，必须用软质材料加以保护，防止铁离子污染和表面划伤。

4、管束的制造

4.1 按照设计要求钛管与管板间采用强度焊加贴胀。产品正式胀接前先对试样进行模拟试验，确认工艺成熟了再进行产品胀接。为防止焊接变形影响胀接质量，焊接管头过程中严格采取对称焊，胀接工作必须要在焊接全部完成后方可进行。

4.2 对管板不平度进行检查，然后进行100%UT检测，贴合率100% 。按图加工管板各尺寸符合图纸技术要求，管板密封面应与轴线垂直；管孔应严格垂直于管板密封面，孔表面不允许存在贯通的纵向条痕。管板加工完后按规定清洗，无任何污物、杂质、毛刺等，并擦干。

4.3 钛的机械加工应采用较大的进刀量和较低的切削速度，在切削过程中不应停止走刀。应使用足够的切削润滑冷却液，以防止加工表面发热氧化。管板的管孔采用先钻后铰。铰孔的余量控制在单边0.4mm 左右，适当降低管孔表面粗糙度，避免出现毛刺和划痕，切忌出现纵向划痕。

4.4 管束组装：按图纸要求组装拉杆、定距管、折流板与管板，并在穿入数根换热管后拧紧螺母，然后逐根穿入换热管，穿管时不得强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或轴向划痕，同时穿管时不能施加过大外力，防止钛管变形或造成换热管表面划伤。

4.5 换热管与管板的焊接：用丙酮擦洗管板与换热管施焊处，按焊接工艺要求点焊换热管与管板；用削平器削管头保证换热管伸出长度；用丙酮擦洗管板与换热管施焊处；按焊接工艺要求焊接换热管与管板接头。对换热管与管板焊接接头进行100% PT检测，焊接接头质量不低于I级为合格。

5、钛材的焊接

工业纯钛的焊接主要解决焊缝和热影响区的表面保护和焊缝中产生气孔问题。由于钛在高温下（大于300℃）对氧氢氮有极大的亲和力，所以钛材在焊接时应在空气洁净无尘无烟的专用场地进行，场地铺设橡胶等软垫。此外还要采取以下措施：

（1）对母材、焊材表面进行处理，用酒精或丙酮仔细清洗。焊接时所用的辅助装置也应注意清洁。

（2）保护气体氩气选用纯度为高于99.99%。

（3）控制保护气流量，气流量过小保护不好，过大易形成涡流。焊钛时喷嘴的气流量为15-18L/min左右，背面气流量为15L/min左右，拖罩的气流量为20L/min左右。

焊接TA2纵环焊缝及角焊缝采用的是脉冲氩弧焊机，是Φ2.0的STA2R焊丝；而焊接换热管与管板使用的是管头氩弧自动焊机，是Φ0.8的STA2R焊丝。正式生产前我公司按照JB4745-2002附录B对钛材进行了焊接工艺评定，其焊缝经过外观及射线检测合格，其拉伸、弯曲结果表明，强度、韧性等机械性能均达到标准要求。

按焊接工艺评定确定的焊接规范焊接此台钛材盐水冷却器，焊后对钛焊缝的进行外观检查，要求不应有咬边、未焊透、未熔合，并按标准规定判断其颜色是否合格。颜色检查合格后再进行100%射线检测，结果其主体A、B类焊缝一次合格率达到96%，焊接质量非常好。

6、结束语

（1）钛制盐水冷却器的制造，关键是要控制好钛材焊接接头的质量。选择适当的焊接材料和合理的焊接规范参数，正确地进行氩气保护，防止钛焊缝表面氧化。

（2）对胀接的换热管与管板结构，最主要是控制好换热管与管孔间的间隙，除了要控制好管板孔的直径的加工精度，还应选用高精度尺寸的钛管以保证间隙的基本一致。这样才能保证贴胀的胀接质量。