王　鵬，王婭輝，葉建林，付維軍

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安710201）

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鉭制噴淋器塔節(jié)損壞分析及改進(jìn)措施

王鵬，王婭輝，葉建林，付維軍

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安710201）

摘要：鉭制噴淋器塔節(jié)是某磷酸項(xiàng)目中的核心設(shè)備，主材是鉭-銅-鋼復(fù)合板，其加工難度大，造價(jià)高昂。由于設(shè)備制作方設(shè)計(jì)以及制造原因，塔節(jié)在使用中出現(xiàn)泄漏失效，需要重新制作。通過(guò)對(duì)塔節(jié)損壞原因進(jìn)行深入分析和探討，并總結(jié)出相關(guān)原因。最后為噴淋器的重新制作提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：噴淋器；鉭；鉭-銅-不銹鋼復(fù)合板；焊接熱輸入

金屬鉭能在多數(shù)環(huán)境下迅速生成表面致密的氧化膜，由于這種優(yōu)良的保護(hù)膜，鉭具有極其優(yōu)異的耐腐蝕性能。除了氟、氫氟酸、含氟離子的堿性溶液，發(fā)煙硫酸和強(qiáng)堿以外，鉭在大多數(shù)介質(zhì)中都不受腐蝕［1］。鉭在磷酸中的耐腐蝕性也較好［2］。

隨著國(guó)內(nèi)外化工行業(yè)的飛速發(fā)展，一些新工藝相繼應(yīng)用，加之對(duì)環(huán)保要求的提高，在制藥、化工等行業(yè)針對(duì)硫酸、鹽酸等強(qiáng)酸介質(zhì)的設(shè)備要求也越來(lái)越高［3］。鉭鋼復(fù)合材制設(shè)備的研究和應(yīng)用也越來(lái)越多。其特殊的材料和使用環(huán)境使得在前期設(shè)計(jì)、材料準(zhǔn)備、設(shè)備加工等各個(gè)環(huán)節(jié)均有較高的技術(shù)要求，特別是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、焊接等方面的考慮和控制，對(duì)設(shè)備安全使用有著非常重要的作用。本文對(duì)鉭制噴淋器塔節(jié)損壞原因進(jìn)行分析，并針對(duì)重新制作提出改進(jìn)措施，為相關(guān)使用和制造企業(yè)提供借鑒。

1　設(shè)備說(shuō)明

鉭噴淋器是國(guó)內(nèi)某磷酸項(xiàng)目的核心設(shè)備，是該公司高端磷酸生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因而設(shè)備的質(zhì)量的可靠性對(duì)于產(chǎn)品的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。該公司采購(gòu)的噴淋器在投用后，發(fā)生泄漏，導(dǎo)致無(wú)法生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)原來(lái)制作方幾次修復(fù)后，仍然泄漏。為了維持生產(chǎn)運(yùn)行，業(yè)主委托筆者公司對(duì)損壞噴淋器進(jìn)行檢測(cè)分析，并委托制作新噴淋器。噴淋器設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　噴淋器設(shè)備技術(shù)參數(shù)

噴淋器為立式設(shè)備，內(nèi)筒體采用鉭-銅-不銹鋼復(fù)合板，設(shè)備上分三層各均布4個(gè)噴淋孔。設(shè)備在采用夾套結(jié)構(gòu)，夾套內(nèi)為冷卻水，用于冷卻內(nèi)筒。設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　噴淋器結(jié)構(gòu)示意圖

2　損壞情況分析

結(jié)合設(shè)備的特征和應(yīng)用情況，確定了檢測(cè)內(nèi)容，即外觀檢查、鉭層外表面100%PT、內(nèi)筒鉭焊縫氣密檢測(cè)、鉭鋼復(fù)合板UT、襯筒材料成分檢測(cè)。

2.1外觀檢查

設(shè)備最上層四個(gè)接管中的接管1發(fā)現(xiàn)明顯的破損，大小約1 cm×2 cm；接管2也有明顯的裂紋，內(nèi)襯鉭管母材出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，如圖2所示。

圖2　設(shè)備損壞情況

2.2鉭層外表面100%PT

通過(guò)對(duì)筒體內(nèi)壁進(jìn)行100%PT，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　PT檢測(cè)結(jié)果

2.3內(nèi)筒鉭松襯部位氣密檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果：

（1）除鉭層明顯開(kāi)裂的接管外，還發(fā)現(xiàn)了另外兩個(gè)存在貫穿性裂紋的接管見(jiàn)圖3.

圖3　接管泄漏

（2）在檢測(cè)縱、環(huán)焊縫時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉭層明顯開(kāi)裂的接管松襯腔體與縱、環(huán)焊縫腔體已貫通，推斷該接管周邊復(fù)合板已經(jīng)出現(xiàn)了分層。

2.4筒體復(fù)合板UT

針對(duì)設(shè)備筒體進(jìn)行UT，驗(yàn)證了上述接管內(nèi)翻邊連接處以及周邊復(fù)合板邊沿出現(xiàn)了分層，見(jiàn)圖4.

圖4　筒體UT檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分層

2.5化學(xué)成分檢查

針對(duì)明顯損壞的接管1襯管取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，此部分材料金屬元素W、Fe、Ti，非金屬及Si、O、H、N含量均出現(xiàn)異常。

表3　鉭襯管材質(zhì)化學(xué)成分

3　原因分析

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

鉭從300℃開(kāi)始就強(qiáng)烈的與空氣中的氧、氫、氮等氣體反應(yīng)，生成脆性化合物，使金屬硬度提高而塑性下降，對(duì)金屬鉭塑-脆轉(zhuǎn)變溫度影響較大［4］。噴淋器接管內(nèi)側(cè)以及上端筒體法蘭焊環(huán)由于冷卻水冷卻無(wú)法全部覆蓋，導(dǎo)致鉭表面暴露在550℃的環(huán)境中，鉭發(fā)生吸氫吸氧并且脆化，最終材料發(fā)生性變直至破損，設(shè)備損壞。

3.2接管焊縫失效

原因是焊接過(guò)程中沒(méi)有控制好焊接熱輸入，導(dǎo)致晶粒粗大，導(dǎo)致銅（甚至鋼）層的外翻，最終使焊縫出現(xiàn)失效泄漏。

3.3設(shè)備翻邊R區(qū)裂紋

接管翻邊R區(qū)失效以及法蘭翻邊失效的原因主要同3.1分析，是上部區(qū)域溫度過(guò)高，沒(méi)有得到有效的冷卻，導(dǎo)致鉭吸氫吸氧脆化，而翻邊R區(qū)是成型應(yīng)力集中，且減薄最明顯的部位，在應(yīng)力不斷釋放的過(guò)程中發(fā)生裂紋。

3.4復(fù)合板不貼合

針對(duì)2.5中UT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鉭-銅-不銹鋼復(fù)合板出現(xiàn)明顯不結(jié)合區(qū)域，分析有以下幾種可能原因：

（1）鉭-銅-不銹鋼復(fù)合板爆炸難度大，體現(xiàn)在材料稀有、沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒、從炸藥的裝藥量以及起爆位置的選擇等等都處于摸索階段。所以復(fù)合板制作過(guò)程中不貼合是失效的原因之一。

（2）卷筒工藝缺陷、卷筒設(shè)備缺陷以及人員操作控制不當(dāng)過(guò)程都有可能導(dǎo)致復(fù)合板分層。

（3）焊接過(guò)程由于制作單位采用直流氬弧焊接，焊接熱影響區(qū)較大，焊接使鋼基層與過(guò)渡層之間在焊接熱量作用下形成了金屬間化合物，這些化合物將會(huì)直接影響復(fù)合板的貼合強(qiáng)度［3］，導(dǎo)致出現(xiàn)分層缺陷。

（4）由于設(shè)備多次檢修，在現(xiàn)場(chǎng)施工焊接內(nèi)翻邊時(shí)，熱輸入控制不當(dāng)、翻邊貼合敲擊等均是復(fù)合板分層可能因素。

4　改進(jìn)措施

業(yè)主委托筆者單位重新制作一臺(tái)鉭噴淋器。對(duì)于新的噴淋器，筆者單位通過(guò)多方論證和討論，針對(duì)其它廠家制作的上述缺陷以及相關(guān)原因進(jìn)行總結(jié)。最終提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

4.1夾套冷卻形式

更改夾套結(jié)構(gòu)，采用全夾套形式（見(jiàn)圖5），盡量保證噴淋器上法蘭翻邊以及接管的冷卻。

圖5　接管全夾套形式

4.2焊接控制

焊接是設(shè)備制作的核心過(guò)程，是決定設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以焊接控制是設(shè)備加工中必須重視的環(huán)節(jié)。對(duì)于噴淋器的制作，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和圖紙要求的前提下還應(yīng)注意：一是，嚴(yán)格控制相關(guān)焊接環(huán)境；二是，宜采用熱影響區(qū)更小的交流脈沖氬弧焊。

4.3翻邊控制

翻邊在成型后選用合適工裝，盡量減小翻邊沖壓過(guò)程的減薄；考慮對(duì)相關(guān)翻邊進(jìn)行消應(yīng)力處理。

4.4復(fù)合板控制

主要從材料選擇和控制，炸藥選擇和起爆位置等方面控制，嚴(yán)格遵守企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)鉭鋼復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)，所以復(fù)合板參照NB/T47002.3 -2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第3部分：鈦-鋼復(fù)合板》中B2級(jí)進(jìn)行制造驗(yàn)收，避免分層。

截止筆者發(fā)文，筆者公司制作的噴淋器已經(jīng)交付業(yè)主使用，結(jié)果反饋良好。

參考文獻(xiàn)：

［1］胡忠武，李中奎，張小明.鉭及鉭合金的工業(yè)應(yīng)用和進(jìn)展［J］.稀有金屬快報(bào)，2004，（23）：8-10.

［2］天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院.腐蝕與防護(hù)手冊(cè)第二卷：耐蝕金屬材料及防蝕技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：543.

［3］邢煒，葉建林.鉭鋼復(fù)合板鉭覆層的焊接工藝研究 ［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，（28）：38-40.

［4］黃伯云，李成功，石力開(kāi)，等.中國(guó)材料工程大典（第5卷）：有色金屬材料工程（下）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：198.

Failure Analysis and Improvement Measures of Tantalum Spray Tower

WANG Peng，WANG Ya-hui，YE Jian-lin，F(xiàn)U Wei-jun
（Xi'an United Pressure Vessel Co.，Ltd，Xi'an Shaangxi 710201，China）

Abstract：Tantalum spray tower is the core equipment in phosphoric acid project.The main material is tantalumcopper-steel clad plate；its processing work is difficult and the cost is high.Because of the design and fabricating of original manufacturer，the spray tower leaked in the operation period，and needed to make a new one.The article deeply describes the damage reasons of tantalum sprayer，and summarizes related causes.Finally，the article supplies the improvement measures for spray tower processing.

Key words：spray tower；tantalum；tantalum-copper-stainless steel clad plate；welding heat input

中圖分類號(hào)：TQ050.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0102-03

收稿日期：2015-12-03

作者簡(jiǎn)介：王鵬（1980-），男，西安人，工程師，現(xiàn)從事稀有金屬化工設(shè)備的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和研究工作。