引言
近年來，隨著煤化工裝置向大型化、高參數方向發展，系統中所采用的氣-水熱交換設備面臨日益嚴苛的腐蝕介質環境，傳統不銹鋼材料在多組分氣體條件下易出現點蝕、縫隙腐蝕等失效問題。鈦及其合金因其優異的耐腐蝕性能、良好的熱導性及力學穩定性，已在化工換熱設備中得到日益廣泛的應用。汽提氣水冷器是某煤化工技改工程中的關鍵設備，其結構復雜，采用鈦材與碳鋼、不銹鋼等多種異種材料復合構成，制造過程中對焊接連接、管板結構加工及表面潔凈度控制等提出了較高要求。
本研究以該設備的工程制造過程為基礎，圍繞鈦鋼復合板鉆孔與去鈦、鈦材焊接質量控制、潔凈制造環境驗證等關鍵技術節點進行系統分析,并針對實際制造中出現的結構裂紋、脹接泄漏、焊縫變色等問題，提出可行性改進措施，以期為鈦制換熱器類壓力容器的設計與制造提供工程技術參考。
1設備結構及技術特點
汽提氣水冷器作為氣相介質與水介質間的熱量傳遞裝置，其結構為典型的殼程-管程型管殼式換熱器，主要由殼體、管箱、換熱管、管板等部件組成，如圖1所示。設備殼程材質選用奧氏體不銹鋼S30408，管程則采用工業純鈦TA2，以滿足在弱酸性、多組分腐蝕氣體介質環境下的長期穩定運行需求。
該設備采用TA2+Q345R復合板制成的管箱結構，換熱管為Φ32x2mm的TA2無縫鈦管，管板結構則為TA2+16MnIII復合材料，整體構造實現了強度與耐腐蝕性的有機結合，同時也對焊接工藝、材料連接及制造精度提出了更高要求，具體技術參數見表1。執行標準為GB/T150《壓力容器》、GB/T151《換熱器》、JB/T4745《鈦制焊接容器》及相關鈦復合材料標準。
該設備結構緊湊、鈦復合板應用多、制造難度大，尤其在異種金屬之間的過渡連接、焊縫質量控制以及鈦材表面保護等方面,對制造工藝及生產環境提出了嚴格要求。
表1主要技術參數
| 技術參數 | 具體數值 |
| 設備外形尺寸/mm | 6757.526002600 |
| 設計壓力/MPa | 殼程0.6,管程0.15 |
| 設計溫度/℃ | 殼程35/70,管程117.7/85 |
| 換熱管規格/mm | Φ322,材質為TA2 |
2、制造工藝流程與關鍵控制點
鈦制換熱器的制造過程需嚴格控制環境潔凈度、材料加工方式及焊接工藝，尤其在復合板材料加工、管端焊接接頭質量控制及異種金屬連接方面具有一定難度。為保障制造質量與結構完整性，本項目在實施過程中構建了完整的制造工藝流程，并對關鍵工序進行了針對性的過程控制。
2.1清潔環境控制與鐵離子污染檢測
鈦材料具有高度化學活性,極易與環境中游離鐵離子發生反應，從而影響焊接接頭性能及表面質量。為此，制造現場需滿足高潔凈度要求。如圖2所示，本工程選用菲繞啉顯色試驗法對不同制造場地進行鐵離子污染評估。該方法通過在檢測區域布置處理試紙,并與配制的顯色試劑反應,借助顏色變化判斷環境中是否存在金屬顆粒沉積。
2.2鈦鋼復合管板加工與鈦層去除技術
如圖3所示,本項目中所采用的復合管板為TA2+16Mn爆炸焊接復合板,具有較高的界面結合強度，但加工難度大。加工過程中，首先通過深孔鉆床使用BTA鉆頭完成管板管孔的高精度加工，隨后采用定制J型倒角刀具進行管口處理，以提升后續換熱管連接質量。
在封頭邊緣鈦層去除工序中，為避免損傷基體鋼層，采用1.2mm厚度薄型砂輪片進行初步切槽，再借助氣動風鏟實現鈦層分離與撬邊，實踐表明該方法操作性強、切深可控，平均控制在0.8mm以內，未見明顯過切現象。
2.3鈦材表面防護與異種金屬焊接工藝
鈦及其合金在加工過程中需避免劃傷、污染和氧化，故在原材料進場后即進行表面臨時性防護，常采用牛皮紙貼覆處理，并在施工過程中持續修復與更換，防止暴露區被污染。鈦材之間焊接采用鎢極氬弧焊[TIG]，焊接過程中使用高純氬氣保護，并采用雙面保護裝置保障焊縫成形。TA2與16MnIII之間的異種材料連接采用銀基釬焊方式，溫度控制在650℃~750℃范圍內，有效控制鈦基熱影響區脆性相生成。
焊縫質量依據JB/T4745《鈦制焊接容器》標準進行評定，焊后顏色應控制在金黃色至銀白色范圍內，杜絕出現藍色、紫色及灰黑色等高溫氧化跡象，必要時采用細砂紙打磨處理。
2.4管端焊接成形與管板脹接控制
換熱管與管板連接為鈦換熱器制造中的關鍵工序之一，需同時滿足密封性與機械強度雙重要求。在管端焊過程中，由于部分換熱管長度偏差及管板平面度控制不足，導致個別管端伸出長度不一。針對該問題，需通過去除管端余量方式，確保管端連接區達到圖紙要求。
在脹接過程中，采用液壓脹管方式實現換熱管與復合管板的脹接，但由于部分鈦管在裝配前存在冷作硬化跡象，個別脹接點出現微裂紋及泄漏。為此，在施工前增加脹接性能試驗，并預留備用換熱管，施工中對開裂部位換熱管予以更換，確保結構完整性和使用可靠性。
3、典型制造問題及解決方案
如表2所示，在鈦制汽提氣水冷器的制造過程中，受到材料特性、產品結構及現場條件等多因素影響，出現了若干典型制造問題。為確保產品性能和交付進度，針對問題成因進行了分析，并提出了相應的解決策略，積累了具有推廣價值的工程經驗。
表2 典型制造問題及解決方案
| 問題 | 主要表現 | 解決措施 |
| 鈦層原材料采購受限 | 圓板采購困難 | 改為方板+深孔鉆+環槽去鈦 |
| 鈦材冷壓裂紋 | 折彎出現裂紋 | 減小變形率,加熱至150℃后壓制 |
| 焊縫變色 | 氬氣保護不足 | 焊后打磨處理 |
| 水壓支撐不穩 | 存在變形風險 | 提升支座數量,增強穩定性 |
4、結論
本文以鈦制汽提氣水冷器為研究對象，梳理了其在制造過程中涉及的關鍵工藝環節，并總結了現場實際中遇到的典型問題及對應對策，研究表明:清潔環境控制和鈦材表面防護是確保焊接質量的前提;鈦鋼復合板加工和焊接需合理選用工藝手段，保障結構強度與密封性能;制造過程中常見問題如鈦材冷裂、管端偏差和脹接開裂等，應通過預試驗和工藝優化加以規避。
本研究為鈦制換熱設備的工程制造提供了實踐參考，具有一定的應用推廣價值。
參考文獻
[1]師紅旗，周燦旭，丁毅，等.鈦制換熱器氫腐蝕破壞失效分析[J].腐蝕科學與防護技術，2009,21[02]:137-145.
[2]李悅，王建峰，馬龍飛，等.保溫時間對鈦合金板翅式換熱器真空釬焊過程溫度場及殘余應力的影響[J].焊接學報，2024，45[02]:33-40.
[3]陳力勤，霍紅磊，謝仁堯，等.印刷電路板式換熱器子通道程序開發及多目標優化方法研究[J].原子能科學技術,2024,58[12]:2505-2514.
（注，原文標題：鈦制汽提氣水冷器制造工藝研究_劉振）
相關鏈接
