引言
近年来，随着煤化工装置向大型化、高参数方向发展，系统中所采用的气-水热交换设备面临日益严苛的腐蚀介质环境，传统不锈钢材料在多组分气体条件下易出现点蚀、缝隙腐蚀等失效问题。钛及其合金因其优异的耐腐蚀性能、良好的热导性及力学稳定性，已在化工换热设备中得到日益广泛的应用。汽提气水冷器是某煤化工技改工程中的关键设备，其结构复杂，采用钛材与碳钢、不锈钢等多种异种材料复合构成，制造过程中对焊接连接、管板结构加工及表面洁净度控制等提出了较高要求。
本研究以该设备的工程制造过程为基础，围绕钛钢复合板钻孔与去钛、钛材焊接质量控制、洁净制造环境验证等关键技术节点进行系统分析,并针对实际制造中出现的结构裂纹、胀接泄漏、焊缝变色等问题，提出可行性改进措施，以期为钛制换热器类压力容器的设计与制造提供工程技术参考。
1设备结构及技术特点
汽提气水冷器作为气相介质与水介质间的热量传递装置，其结构为典型的壳程-管程型管壳式换热器，主要由壳体、管箱、换热管、管板等部件组成，如图1所示。设备壳程材质选用奥氏体不锈钢S30408，管程则采用工业纯钛TA2，以满足在弱酸性、多组分腐蚀气体介质环境下的长期稳定运行需求。
该设备采用TA2+Q345R复合板制成的管箱结构，换热管为Φ32x2mm的TA2无缝钛管，管板结构则为TA2+16MnIII复合材料，整体构造实现了强度与耐腐蚀性的有机结合，同时也对焊接工艺、材料连接及制造精度提出了更高要求，具体技术参数见表1。执行标准为GB/T150《压力容器》、GB/T151《换热器》、JB/T4745《钛制焊接容器》及相关钛复合材料标准。
该设备结构紧凑、钛复合板应用多、制造难度大，尤其在异种金属之间的过渡连接、焊缝质量控制以及钛材表面保护等方面,对制造工艺及生产环境提出了严格要求。
表1主要技术参数
| 技术参数 | 具体数值 |
| 设备外形尺寸/mm | 6757.526002600 |
| 设计压力/MPa | 壳程0.6,管程0.15 |
| 设计温度/℃ | 壳程35/70,管程117.7/85 |
| 换热管规格/mm | Φ322,材质为TA2 |
2、制造工艺流程与关键控制点
钛制换热器的制造过程需严格控制环境洁净度、材料加工方式及焊接工艺，尤其在复合板材料加工、管端焊接接头质量控制及异种金属连接方面具有一定难度。为保障制造质量与结构完整性，本项目在实施过程中构建了完整的制造工艺流程，并对关键工序进行了针对性的过程控制。
2.1清洁环境控制与铁离子污染检测
钛材料具有高度化学活性,极易与环境中游离铁离子发生反应，从而影响焊接接头性能及表面质量。为此，制造现场需满足高洁净度要求。如图2所示，本工程选用菲绕啉显色试验法对不同制造场地进行铁离子污染评估。该方法通过在检测区域布置处理试纸,并与配制的显色试剂反应,借助颜色变化判断环境中是否存在金属颗粒沉积。
2.2钛钢复合管板加工与钛层去除技术
如图3所示,本项目中所采用的复合管板为TA2+16Mn爆炸焊接复合板,具有较高的界面结合强度，但加工难度大。加工过程中，首先通过深孔钻床使用BTA钻头完成管板管孔的高精度加工，随后采用定制J型倒角刀具进行管口处理，以提升后续换热管连接质量。
在封头边缘钛层去除工序中，为避免损伤基体钢层，采用1.2mm厚度薄型砂轮片进行初步切槽，再借助气动风铲实现钛层分离与撬边，实践表明该方法操作性强、切深可控，平均控制在0.8mm以内，未见明显过切现象。
2.3钛材表面防护与异种金属焊接工艺
钛及其合金在加工过程中需避免划伤、污染和氧化，故在原材料进场后即进行表面临时性防护，常采用牛皮纸贴覆处理，并在施工过程中持续修复与更换，防止暴露区被污染。钛材之间焊接采用钨极氩弧焊[TIG]，焊接过程中使用高纯氩气保护，并采用双面保护装置保障焊缝成形。TA2与16MnIII之间的异种材料连接采用银基钎焊方式，温度控制在650℃~750℃范围内，有效控制钛基热影响区脆性相生成。
焊缝质量依据JB/T4745《钛制焊接容器》标准进行评定，焊后颜色应控制在金黄色至银白色范围内，杜绝出现蓝色、紫色及灰黑色等高温氧化迹象，必要时采用细砂纸打磨处理。
2.4管端焊接成形与管板胀接控制
换热管与管板连接为钛换热器制造中的关键工序之一，需同时满足密封性与机械强度双重要求。在管端焊过程中，由于部分换热管长度偏差及管板平面度控制不足，导致个别管端伸出长度不一。针对该问题，需通过去除管端余量方式，确保管端连接区达到图纸要求。
在胀接过程中，采用液压胀管方式实现换热管与复合管板的胀接，但由于部分钛管在装配前存在冷作硬化迹象，个别胀接点出现微裂纹及泄漏。为此，在施工前增加胀接性能试验，并预留备用换热管，施工中对开裂部位换热管予以更换，确保结构完整性和使用可靠性。
3、典型制造问题及解决方案
如表2所示，在钛制汽提气水冷器的制造过程中，受到材料特性、产品结构及现场条件等多因素影响，出现了若干典型制造问题。为确保产品性能和交付进度，针对问题成因进行了分析，并提出了相应的解决策略，积累了具有推广价值的工程经验。
表2 典型制造问题及解决方案
| 问题 | 主要表现 | 解决措施 |
| 钛层原材料采购受限 | 圆板采购困难 | 改为方板+深孔钻+环槽去钛 |
| 钛材冷压裂纹 | 折弯出现裂纹 | 减小变形率,加热至150℃后压制 |
| 焊缝变色 | 氩气保护不足 | 焊后打磨处理 |
| 水压支撑不稳 | 存在变形风险 | 提升支座数量,增强稳定性 |
4、结论
本文以钛制汽提气水冷器为研究对象，梳理了其在制造过程中涉及的关键工艺环节，并总结了现场实际中遇到的典型问题及对应对策，研究表明:清洁环境控制和钛材表面防护是确保焊接质量的前提;钛钢复合板加工和焊接需合理选用工艺手段，保障结构强度与密封性能;制造过程中常见问题如钛材冷裂、管端偏差和胀接开裂等，应通过预试验和工艺优化加以规避。
本研究为钛制换热设备的工程制造提供了实践参考，具有一定的应用推广价值。
参考文献
[1]师红旗，周灿旭，丁毅，等.钛制换热器氢腐蚀破坏失效分析[J].腐蚀科学与防护技术，2009,21[02]:137-145.
[2]李悦，王建峰，马龙飞，等.保温时间对钛合金板翅式换热器真空钎焊过程温度场及残余应力的影响[J].焊接学报，2024，45[02]:33-40.
[3]陈力勤，霍红磊，谢仁尧，等.印刷电路板式换热器子通道程序开发及多目标优化方法研究[J].原子能科学技术,2024,58[12]:2505-2514.
（注，原文标题：钛制汽提气水冷器制造工艺研究_刘振）
相关链接
