不锈钢复合板在井矿盐蒸发设备上的应用

程京山，夏德富

(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450)

1 前言

现代井矿盐生产主要采用MEE、MVR及TVR蒸发设备, 单套装置整体向大型化、规模化的方向发展，单线的产能不断扩大。由于蒸发设备工作介质为高温盐卤，具有非常强的腐蚀性，普通碳钢设备根本无法长周期运行。经过几十年的探索，我国在井矿盐蒸发装置的防腐蚀技术方面已经取得了非常成熟的经验。目前，加热室换热管选用钛材已成为我国业内共识，为了降低工程造价，大型设备之蒸发室选用不锈钢复合板制造也是国内通用做法。

各企业盐卤成分不尽相同，蒸发工艺各有千秋，选用的不锈钢型号也不完全一样，设备的耐腐蚀效果相差较大，有的企业设备运行比较稳定，但有部分企业设备在短时间内发生严重腐蚀，不能正常生产，造成了很大浪费。

2 不锈钢型号选择

我国井矿盐资源广泛分布于18个省市，主要分硫酸钠型(简称硝型)卤水和硫酸钙型(简称钙型)卤水，蒸发制盐工艺流程因所用原料而不同，硝型卤水一般是盐硝联产工艺，原料卤水均需净化除去钙、镁离子后进罐蒸发，钙型卤水分为卤水净化与非净化工艺。各种蒸发工艺的设备型式与结构大体一样。

目前，国内大型真空蒸发制盐蒸发设备之蒸发室大部分选用316L复合板加工，少部分厂家使用2205复合板制造，2205是双相不锈钢材质，在抗氯离子腐蚀能力、耐磨性等方面优于316L材质，但价格较高，过去需要进口，目前，国内有几家钢企能够生产，因此，在井矿盐行业已经逐步推广使用。

实践证明，在高压、高温、高浓度氯离子介质中，316L和2205不锈钢复合板均有一定的腐蚀，希望能引起业内注意。表1中列出了一些企业选用的不锈钢的型号及使用情况。

表1 国内企业选用不锈钢型号情况Tab.1 Selection of stainless steel models by domestic enterprises

3 不锈钢复合板制造工艺及特点

不锈钢复合板是将不锈钢薄板采用热扎或爆炸法牢固地“焊接”在基层较厚碳钢板之上，不锈钢的厚度占总厚度比例不超过20%，因其兼有不锈钢的耐蚀性和普通碳钢的低价格，并具有较高的强度、刚度，在井矿盐蒸发设备设计制造中优势特别明显。

不锈钢复合板都是由具有许可资质的专业厂家按合同进行生产。不锈钢板和碳钢板分别订货，采用热轧或爆炸工艺将二者在结合面形成冶金结合，基层与复层之间具有很高的结合强度。

我国井矿盐业普遍采用爆炸不锈钢复合板，执行的标准是NB/T 47002.1，按复层与基层的贴合率的高低，分为3个等级B1、B2、B3，蒸发室用复合钢板要求达到B3级板以上，复层与基层贴合率不低于95%。

在基层与复层进行爆炸复合加工前，必须分别对不锈钢和碳钢结合面进行机械清洁与抛光处理，小幅面复层材料还需要先焊接拼接后再与基层板整体复合，除锈、抛光和拼接均在工厂车间内完成，再集中运至爆炸现场，爆炸作业都是在山中野外平整土地上进行的，在爆炸场地上，加工好的基层与复层加工面相对，基层板在下，复层板在上，两两组合，复层板与基层板中间用铝质垫子预置出间隙，炸药均匀平敷在不锈钢上面，引爆雷管置于中心特定位置，炸药爆炸的能量使不锈钢板高速撞击碳钢基板，复层结合面产生瞬间高温高压，从而使两种材料的界面实现冶金固相结合。爆炸后的复合板严重翘曲变形，需运回工厂后进行退火处理，消除应力，然后在大型油压机上进行校平，校平后的复合板进行抛光、检测、修复、切边、酸洗等加工，检测到的未复合部位，需要挖补焊接处理，产品合格后喷码包装。

不锈钢复合板的制造工艺使其和单层不锈钢板的耐蚀性能具有很大的不同，整体耐蚀性能大大下降，不同厂家的工艺不同，复合板的质量差异明显，耐蚀性能相差很大。因为，不锈钢之所以具有耐蚀性能在于其表面具有一层牢固致密的氧化膜，在复合板加工过程中，这层膜的完整性被破坏了，拼接焊缝和爆炸缺陷补焊，增加了使用隐患，至于爆炸后的高温退火，如果热处理温度和保温时间控制不好，容易引起不锈钢发生敏化反应，从而在腐蚀介质中发生晶间腐蚀；如用户要求进行酸洗钝化，如果没有成熟的工艺技术及严格的操作，反而可能造成对不锈钢耐蚀层的破坏。如此多的隐性缺陷，从表面根本不能发现，因为复合板出厂时，所有的焊缝及修补全部磨平了，甚至是复层拼接焊缝及修补点都看不到。因此，不锈钢复合板设备制造要特别注意复合板的加工质量，不仅要保证不锈钢复层材料的来源及品质，还要关注厂家复合板爆炸复合加工工艺及现场执行，这一点应引起业内同行重视。

4 不锈钢复合板设备加工要求

不锈钢复合板是由两种不同材料组合在一起，由于材料复合性质和耐腐蚀性能要求，在制造中应充分考虑保护复层不锈钢，避免不锈钢渗碳和铁离子污染，而要保证产品质量，必须严格按规定进行全工序工艺试验与评定，根据复合板的特点采取特殊的措施，并保证严格执行。

(1)板材切割应采用等离子切割法和机械加工法，为了避免切割电弧污染不锈钢复层，等离子切割方向由复层向基层切割；采用剪板机切割时，也应由复层切向基层，以避免界面分离和切口毛刺出现在复层表面上。

(2)不锈钢复合板的硬度、强度明显高于基材和复材，塑性低于基材和复材，筒体卷制成型下料时考虑复合界面影响，中性层是向复合界面方向偏移，中性层比按中径计算小，下料时要先进行工艺试验。

(3)封头等部件采用热压成形时，冲压前后的温度及时间要严格控制，保证材料的耐蚀性能和机械性能。按经验，热压加工后温度应高于850 ℃，且不超过950 ℃，复层不锈钢不得在550 ℃～850 ℃较长时间加热。

(4)为了保证复合板复层耐腐蚀要求，筒节组对时必须严格控制相邻筒节周长偏差，控制错边量不大于2 mm；对筒节的棱角度严格要求。

(5)不锈钢复合板的焊缝由过渡层、基层和复层三部分组成。过渡层选用焊材的铬镍含量应高于复层中含量；基层和复层焊材选用与基层碳钢和复层不锈钢单独焊接时的焊接材料相同，并以同样的焊接工艺进行施焊。焊接时，先焊接碳钢层，合格后焊接界面碳钢侧的的过渡层，焊接过渡层时, 在保证熔合良好的前提下, 要尽量减少基材金属的熔入量，过渡层厚度不得小于2 mm。组装时的点焊应在碳钢侧进行。

不锈钢复合板厚度较厚，基层焊接采用埋弧自动焊，复层焊接建议采用手工氩弧焊，焊接工艺采用小直径焊丝及较小的焊接线能量。

根据同行及制造业多年的经验，不锈钢复合板焊缝坡口推荐采用图1所示的外坡口型式，能够保证基层、过渡层、复层的焊接质量。当然，根据焊接接头位置，也可以开成内坡口；对于大厚度不锈钢复合板要开成X形坡口，使内外焊缝金属体积基本相当，减少设备的焊接变形。焊缝坡口形式的选择必须进行工艺评定，包括耐腐蚀性试验。

图1 不锈钢复合板焊缝坡口Fig.1 Weld groove of stainless steel composite plate

(6)由于复合板设备基层一般都采用普通碳钢或低合金钢，在筒体外部焊接碳钢或低合金钢结构件(例如裙座筒体、加强圈等)时，要注意控制焊接线能量，避免焊接电流过大，导致焊接热影响区复层不锈钢材料长时间处于敏化范围，从而使其在腐蚀介质中引起晶间腐蚀倾向。

(7)在卷筒、压弧时, 要注意保护复层，应采用不锈钢辊筒或采取其它隔离防护措施，不得用铁锤锤击复材表面,不得在复材表面随意引弧、焊接卡具、吊环及临时支架等。为防止焊接飞溅物损伤复板表面,焊接前应在坡口两侧200 mm范围内均匀喷洒防飞溅涂料, 同时在焊接过程中用厚2 mm紫铜片覆盖焊缝两侧，加快复层焊接的冷却速度，避免复层在600 ℃～1 000 ℃停留时间过长，而影响其耐蚀性能。

(8)复层不锈钢焊接完成后，必须进行酸洗和钝化处理。

5 不锈钢复合板设备设计特点

(1)设备设计时，由于不锈钢复层只用来抗腐蚀，故复层厚度一般不计入强度计算，仅当作腐蚀裕量。内压设备计算厚度同一般的碳素钢或低合金钢制容器一样。由于复合板的生产过程中会额外增加基层和复层的负偏差，其中基层厚度负偏差增加了0.5 mm，这一负偏差在设计计算时必须要给与考虑，在选取设备名义厚度时留有足够的余量；当不锈钢复合板容器为外压容器时，复层应计人有效厚度，但复合板的负偏差应相应减去。

(2)设备接管当接管公称直径小于DN300 mm时，一般采用不锈钢管。

(3)设计文件应根据容器的操作条件、所用材质以及结构等因素明确提出无损检测的方法与监测比例。

(4)在结构设计上要防止不必要的缝隙、死角等，尽量消除缝隙和滞流区的存在，以减轻或避免孔蚀和缝隙腐蚀。

(5)不锈钢设备应避免焊后热处理，如果当基层厚度达到一定程度，按照规范要求要进行热处理时，应制定正确的热处理工艺，控制热处理温度和保温时间，应避免复层母材和焊接接头中高铬碳化物析出和形成σ相，降低不锈钢的耐晶间腐蚀性能。设备是否进行热处理必须在图纸上注明，如需进行焊后热处理，图纸应提出详细要求。

(6)施工图必须注明不锈钢材料和焊接接头(包括复层不锈钢材料及其焊接接头)应按GB/T4334.5进行晶间腐蚀倾向试验，材料应经敏化后进行试验，焊接接头在焊态进行试验，还应确定试验的合格标准。

(7)图纸必须注明复层焊接接头表面按JB/T4730.5-2005进行滲透检测，符合Ⅰ级要求为合格。

6 结束语

不锈钢复合板的加工制造工艺，导致其在耐腐蚀性能方面有较大的下降。在井矿盐蒸发设备中，介质的腐蚀性特别强，因此，容器的设计与制造都应具有较高的技术水准。

设备的设计，应选择合理的结构，针对复合板可能存在的各种隐患，详细制定出保证质量的技术要求；作为设备制造者，要严格按照不锈钢设备制造相关标准、规定、规程和工艺进行加工操作。只有设计与制造各个过程的严格质量保证，才能使井矿盐不锈钢复合板设备长周期安全运行，达到节省投资成本、提高经济效益的目的。