高壓鋯鋼復合板設備熱氣循環試驗參數研究

蘆紅生 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

隨著石油化工乙二醇裝置、醋酸裝置、PTA裝置及氯堿裝置技術的快速發展，有色金屬由于其優良的耐腐蝕性能從而得到廣泛的使用，如鈦材、鋯材、鉭材等[1]。但隨著裝置大型化，設備的壓力及尺寸不斷增大，使得設備的壁厚不斷增加。由于鋯(鈦)材價格昂貴，使得其相應的復合板得到了廣泛的應用，鋯(鈦)鋼復合板能夠顯著降低有色金屬用量，從而大大降低成本。但由于作為覆層的鋯(鈦)材與作為基材的碳鋼之間存在性能差異，主要是線膨脹系數差異較大，使得該類設備失效的案例時有發生[2]。這是因為有色金屬與碳鋼之間不能直接焊接，因此，縱、環焊縫之間都是采用增加搭接蓋板的方法來保證介質不與基層碳鋼接觸。丁字焊縫位置情況更加復雜，需要采用多層蓋板結構，由于角焊縫承載面積較小，當基層與覆層熱膨脹差較大時，角焊縫位置容易發生失效，從而導致設備腐蝕，嚴重時發生事故，造成巨大的生命財產損失[3]。

為了保證鋯(鈦)鋼復合板設備在全壽命運行過程中的可靠性，在設備制造過程中要求進行熱氣循環試驗，該試驗在設備水壓試驗合格后進行，水壓試驗合格預示著設備的承壓性能及安全性能得到保證，但該設備的承溫性能并沒有得到驗證。鑒于此原因，在相關標準規范中推薦該類設備進行熱氣循環試驗來進一步驗證設備蓋板處角焊縫的耐溫可靠性。目前，國內外標準并沒有統一的方法進行熱氣循環試驗，《鋯制壓力容器》(NB/T 47011—2010)只簡述了應該進行該試驗，但并未明確具體的試驗過程及試驗參數。目前，典型的做法都是參考國際著名工程公司的工程規定，即采用設計壓力和設計溫度或操作壓力和操作溫度進行熱氣循環試驗[2]。

對于常規壓力適中的壓力容器，本文作者認為采用上述的任意一種試驗參數完全可行，并能保證設備全壽命運行的可靠性。隨著石油化工行業的發展，出現了一些高壓的鋯(鈦)材反應器，設計壓力達幾百公斤甚至更高。針對此類設備進行設計壓力和設計溫度下的熱氣循環試驗則變得非常困難且安全隱患較大。本文以某項目中的一臺高壓鋯材反應器為分析實例，通過將熱氣循環試驗溫度升高，試驗壓力顯著下降后能夠得到與在設計壓力和設計溫度下進行試驗時一樣的效果。

1 熱氣循環試驗方案

1.1 設備案例

某項目中的一臺反應器，該反應器的正常操作壓力為19.5MPa，操作溫度為195℃，設計壓力為22MPa，設計溫度為220℃。反應器內直徑為DN3900mm，筒體切線長為11800mm。由于反應器操作介質中存在有機酸及無機酸，選用鋯鋼復合板作為殼體材料，外側承壓筒材料為SA508Gr.3Cl.2鍛環，內側耐腐蝕層材料為SA516Gr.60+SB551R60700鋯材。該設備的基本設計參數見表1，反應器簡圖如圖1所示。

圖1 反應器簡圖

表1 基本設計參數

該反應器為本項目中的核心設備，從其基本設計參數可以看出：設備制造周期長、制造成本高，能否長期安全穩定的運行對工廠能否穩定的產出合格產品至關重要。因此，該設備在設計時在需考慮水壓試驗合格后進行熱氣循環試驗，來驗證反應器的耐溫性能。由于反應器設計壓力為22MPa，設計時通過調研，發現在制造廠進行該壓力下的熱氣循環試驗比較困難且安全隱患較大，因此設計時考慮采用一種替換方法進行該試驗。

熱氣循環試驗的目的就是為了驗證有色金屬蓋板的搭接接頭在操作狀態下能否承受由于有色金屬板與低合金鋼板之間線膨脹系數的較大差異而引起的變形協調應力。該試驗并不是為了驗證壓力容器殼體的強度，只要使得兩異種材料的變形差異在某個壓力與溫度的組合參數下，與在設計壓力及設計溫度時變形差異相同就能達到熱氣循環試驗的目的，且不難發現溫度對變形的影響比壓力對變形的影響更大。因此，本設備在設計時通過升高溫度使得反應器殼體變形，與采用設計壓力和設計溫度時變形量相同，最后給出一個保證兩層筒體不分層的最小壓力，最終獲得該反應器熱氣循環試驗的試驗參數。

1.2 驗證過程

以下驗證過程針對熱氣循環試驗的溫度和所需最小壓力進行計算，這一過程驗證了反應器鋯材蓋板角焊縫在該溫度下承受的變形與采用設計壓力及設計溫度條件下的變形相同，最小壓力能夠保證內層筒體與外層承壓環變形同步。

1.2.1 基本參數

計算壓力(包含靜壓頭)：Pc=22.18MPa

設計溫度：Td=220℃

鋯覆合層內徑：DiZr=3900mm

鋯覆合層厚度：tZr=6mm

碳鋼基層內徑：Dics=Dic+2tZr=3912mm

碳鋼基層厚度：tcs=14mm

承壓層內徑：Div=Dic+2tZr+2tcs=3940mm

承壓層厚度：tv=202mm

1.2.2 計算過程

鋯鋼復合板之間的熱膨脹量：

碳鋼基層與鋯覆合層在設計溫度下的膨脹量差值：dlT=dlvT-dlZrT=5.6mm

在設計壓力和設計溫度下的總變形差異：dltotal=dlvP+dlT=10.8mm

作者認為此種條件下受壓筒與復合板基層厚度相差幾十倍，變形協調部分影響變得非常小，對變相差異影響不大，從而從工程角度進行了一定的簡化。

設定熱氣循環試驗溫度：THGCT=360℃

碳鋼基層與鋯覆合層在熱氣循環試驗溫度下的膨脹量差值：

由于dlHGCT=dltotal=10.8mm，因此THGCT=360℃溫度足夠。

由于承壓層材料SA508Gr.3Cl.2與碳鋼基層材料SA516Gr.60在熱氣循環試驗溫度下的熱膨脹系數有細微的差別，這會導致在熱氣循環試驗溫度下，兩層材料之間會有一個間隙。為了消除這個間隙，在熱氣循環試驗時還應施加一個內部壓力，下面確定所需的最小壓力：

在熱氣循環試驗溫度下兩層的間隙為：

縮小這一間隙的最小應力：

縮小這一間隙的最小壓力：

通過計算發現，對于該反應器可采用熱氣循環試驗溫度為360℃，壓力大于0.3MPa的試驗參數，就能得到壓力為22MPa，設計溫度為220℃時相同的變形，但是由于溫度提高后鋯材應力水平降低較多，此時應針對具體情況對局部接管和丁字焊縫等變形不協調處進行校核，因此，作者認為采用此試驗參數進行熱氣循環試驗就能滿足設備可靠性的要求。

2 結語

由于高壓有色金屬復合板設備熱氣循環試驗具有危險性但又非常必要，本文提出一種能夠降低試驗壓力、提高試驗溫度的替代方法。通過對一個實際案例的計算驗證鋯(鈦)材搭接接頭的受力變形情況與采用設計壓力及設計溫度時受力變形狀態完全相同，作者認為采用此方法在降低了試驗安全隱患的同時又達到了熱氣循環試驗的目的，且經濟性更高。尤其是在容器設計壓力過高從而難以實現的情況下，或某些國家地區的法律法規不允許進行時能夠有效地解決該問題，從而驗證設備的耐溫可靠性。

值得注意的是，針對不同設備的不同設計參數，通過本文的計算都能得到一個壓力降低、溫度升高的熱氣循環試驗參數，在該參數條件下的熱氣循環試驗能夠保證設備的安全性與可靠性，通過本文的論述，作者希望給設計人員或制造人員在今后的工作中提供一個新的思路。但應注意，雖然設備外部有絕熱層，但仍應進行傳熱計算，提供各層達到所需溫度的時間(如復合板層)；另外較高溫度下的試驗，應考慮初期的不穩定傳熱情況，并進行各層溫度計算及相應應力應變校核，最終獲得一個低壓力、高溫度，并保證局部可靠的新熱氣循環試驗方案。