爆炸不锈钢复合板及其在石化设备上的应用.docx

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爆炸不锈钢复合板及其在石化设备上的应用

爆炸不锈钢复合板及其在石化设备上的应用

目前不锈钢复合板的生产方法主要有3种：

爆炸法、轧制法和爆炸－轧制法。

我国目前主要采用爆炸法生产复合板，该方法生产工艺简单，使用的能源丰富，所生产的复合板性能好，已被广泛应用于石油、化工、制药、船舶、水电等行业，产生了很好的经济效益和社会效益。

1　爆炸焊接机理及工艺

　　爆炸焊接是一种高能率的加工技术，是一种以炸药的爆轰为能源，将两层或多层相同的或不同的金属材料结合为整体材料（复合板）的材料加工工艺。

图1是爆炸焊接装置及焊接过程示意图。

当炸药被引爆后，复板在炸药爆炸释放的能量驱动下加速，当速度稳定时，与基板发生碰撞，从而在碰撞点形成足够的再入射流，靠再入射流清理待结合金属表面的氧化物、氮化物、气体薄膜及附着的水分等，使金属露出活性表面。

同时，金属碰撞产生的高压使金属活性表面紧密接触，通过原子间的作用力，实现两种金属间的可靠连接。

图1　爆炸焊接装置及焊接过程

1-炸药;2-缓冲区;3-复板;4-基板;5-基础;6-起爆器；7-爆炸产物;8-再入射流;s-基复板安装间距;VD-炸药爆速;VP-复板运动速度;VCP-碰撞点运动速度;c-碰撞点

1.1　实现焊接的必要条件（边界条件）

　　爆炸焊接属于冷焊，要实现良好的焊接必须具备以下3个条件：

（1）碰撞速度要超过某一最小值，产生的碰撞压力要大于材料的动态屈服极限，在碰撞点附近产生流体区。

Whitman等人［1］提出的最小碰撞速度vpmin＝（σb/ρ）1/2。

（2）形成足够稳定的再入射流，产生自清理过程。

产生再入射流，必须具备2个条件，一是动态碰撞角β必须大于某一临界值；二是碰撞点运动的速度要小于声音在该材料中的传播速度。

Crossland等人［1］提出最小碰撞角βmin=k0（Hv/ρvcp2）1/2

　　（3）碰撞点运动的速度要大于某一临界值，界面才能呈波状结合特征，否则界面平直、结合强度低。

Cowan等人［1］提出最小碰撞点运动速度vcpmin=［2Re（Hv1＋Hv2）/（ρ1+ρ2）］1/2

式中

　　　　　　ρ—材料密度；

　　　　　　Hv—硬度；

　　　　　　σb—材料拉伸强度；

　　　　　　Re—雷诺数；

　　　　　　k0—材料表面状态系数。

1.2　爆炸焊接参数及其相互关系

　　爆炸焊接参数包括焊接前的初始参数（静态参数）和焊接过程的运动学参数（动态参数），初始参数对焊接质量的影响是通过运动学参数来实现的。

初始参数包括炸药的爆速vD、安装间距s、初始安装角α等；运动学参数包括复板的运动速度vP、碰撞点运动速度vCP、复板的弯折角γ或碰撞角β等。

根据Wyle等人［1］提出的焊接过程几何模型可得出焊接参数间的以下3个关系式：

β＝α＋γ

vP=2vDsin（γ/2）

vCP=vDsinγ/sinβ

　　按Deribas等人［1］提出的物理模型，运动学参数与初始参数间有如下关系：

vP=1.2vD［（1+32R/27）1/2-1］/［（1+32R/27）1/2+1］

　　另外，由长期的试验和实践经验得出以下两个关系式［1］：

1/β=a0+b0/R

s=0.2（He+Hf）

式中　R单位面积炸药质量与复板质量的比值；

　　　　　　a0、b0—试验常数；

　　　　　　He、Hf—炸药和复板的厚度。

1.3　不锈钢-钢爆炸焊接参数

　　利用焊接的边界条件和焊接参数间的关系式，采用计算机辅助设计，并通过试验修正，可得到合理的爆炸不锈钢复合板的爆炸焊接参数。

对于300系不锈钢与低碳钢的大面积爆炸焊接，成熟的爆炸焊接工艺与参数为：

α＝0°（平行法安装）；采用低爆速炸药（vD=2000～3500m/s），点状起爆或线性起爆；vP＝300m/s,vcp=2400m/s,β=7.2°。

2　爆炸不锈钢复合板的材料选用和性能分析

2.1　材料的选用和交货状态

　　石油、化工行业使用的爆炸不锈钢复合板，其复层不锈钢大多采用304、321、316L等300系不锈钢，也采用0Cr13、0Cr13Al、SMO254（Cr20Ni18Mo6Cu）、2205（0Cr22Ni5Mo3N）、G817（0Cr13Ni5Mo）等特种用途的不锈钢;基板大多采用Q235A、Q235B、20G、20R、3C、16MnR，偶尔也用SB42和15CrMoR等低碳钢。

复层厚度一般为2mm或3mm,某些管板为5～12mm；基层厚度大于8mm,板面尺寸不小于1500mm×6000mm；复层不锈钢板有拼板和整板两种情况。

爆炸不锈钢复合板的交货状态一般为正火态，某些特殊材料为中温退火态，管板一般为爆炸态。

2.2　界面分析

2.2.1界面的复合状态

　　界面复合状态通常采用全面积100％超声波探伤检验的方法进行检验，对于复层不锈钢未经拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，其未复合区域一般出现在起爆点（垂直碰撞）和边缘部位（边界效应）。

对于复层不锈钢经过拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，焊接应力造成的复板瓢曲，可通过改进爆炸焊接工艺，使之获得与前一种爆炸不锈钢复合板同样的复合状态。

图2是大面积爆炸不锈钢复合板界面复合率的统计分布曲线，从中可以看出，复合率超过99％的爆炸不锈钢复合板占总数的98％以上，其交货态复合率均为100％。

图2　界面复合率统计分布曲线

　　表1是国内外标准中规定的不锈钢复合板界面复合状态。

由表1、图2可知，爆炸不锈钢复合板界面复合状态完全能满足国内外标准的要求。

　　表1　国内外标准对不锈钢复合板界面复合状态的要求

标准

未复合区及要求

单个未复合区

复合率

／％

GB/T8165－

1997

Ⅰ级：

0

100

Ⅱ级：

面积≤20cm2

长度≤50mm

≥99

Ⅲ级：

面积≤45cm2

长度≤75mm

≥95

JB4733－

1996

Ⅰ级：

0

100

Ⅱ级：

面积≤20cm2

长度≤50mm

≥98

Ⅲ级：

面积≤45cm2

长度≤75mm

≥95

JISG3601

（日本）

Ⅰ级：

面积≤20cm2

长度≤50mm

≥98.5

Ⅱ级：

面积≤45cm2

长度≤75mm

≥95

ASTMA263、

A264（美国）

≤φ75mm

ADW8-80

（德国）

面积≤50cm2

NFA36－250－

68（法国）

长度≤50mm，宽度≤50mm,未结

合区间距超过500mm

　　图3是爆炸不锈钢复合板界面宏观照片，由图3可知，采用合理的爆炸焊接工艺可以使复合板界面具有准正弦波纹状结合的特征。

进一步的微观分析表明，这一波纹状结合是由直接结合区和旋涡区连续交替排列而成，两区均达到了冶金结合。

图3　爆炸不锈钢复合板界面结合特征

2.2.2界面结合强度

　　用剪切强度和拉脱强度（按GB/T6396进行）评定界面的结合强度。

表2是几种爆炸不锈钢复合板的拉脱强度，表3是国内外标准对不锈钢复合板剪切强度的要求。

图4是大面积爆炸不锈钢复合板剪切强度的分布曲线，由表3和图4可知，爆炸不锈钢复合板剪切强度的稳定值在240～360MPa之间，远高于国内外有关标准的要求；由表2可知，爆炸不锈钢复合板的拉脱强度同基板的拉伸强度相当。

可见，爆炸不锈钢复合板的界面，不仅结合强度高，而且焊接牢固。

表2　几种爆炸不锈钢复合板的拉脱强度　MPa

材料

状态

实测值

平均值

316L/3C

爆炸

645450495555525

534

正火

490475505515210

430

321/16MnR

爆炸

600615560

592

NHB－1/922

爆炸

343～946（20个试样）

751

表3　国内外标准对不锈钢复合板剪切强度的要求　　　　　　MPa　

GB/T8165-1997

JB4733-1996

JISG3601

（日本）

ASTMA263、A264

（美国）

ГOCT10855

（前苏联）

BS3704

（英国）

NF36-250-68

（法国）

Ⅰ、Ⅱ级：

≥210

Ⅲ：

≥200

≥200

≥140

≥147

≥154

≥137

图4　剪切强度分布曲线

2.3　性能分析

2.3.1拉伸性能

　　爆炸不锈钢复合板的拉伸性能包括通过拉伸试验（按GB/T6396进行）测得的复合板的屈服强度、拉伸强度和伸长率,用来表征复合板经爆炸冲击和热处理后的力学性能。

在国内外标准中,对复合板屈服强度和拉伸强度的要求分两种情况，一种情况规定不得低于基板的相关要求，属于这一情况的标准有GB/T8165-1997、ASTMA263、A264、BS3704及ГОСТ10885等；另一种情况规定不得低于基、复材料的组合强度，属于这一情况的标准有JB4733-1996、JISG3601、ADW8-80及NF36-250-68等。

对于复合板的伸长率，国内外标准中都规定不得低于基板的标准要求。

表4是爆炸不锈钢复合板拉伸性能的统计分析结果。

由表可知，爆炸不锈钢复合板的拉伸性能良好，不低于基板的相关性能，满足了国内外有关标准的要求。

　　表4　爆炸不锈钢复合板拉伸性能统计分析结果

项目

范围

平均值

几率分

布峰值

σs/σsb

1.00～1.57

1.14

1.00

σs/σsz

1.02～1.60

1.15

1.07

σb/σbb

1.01～1.33

1.17

1.10

σb/σbz下

1.00～1.27

1.09

1.05

σb/σbz上

0.71～1.00

0.81

0.77

δs/δsb

1.00～1.95

1.35

1.42

　　表中，σs爆炸不锈钢复合板实测屈服强度，σb爆炸不锈钢复合板实测拉伸强度，σsb基板相关标准要求的屈服强度，σsz爆炸不锈钢复合板的组合屈服强度，σbb基板相关标准要求的拉伸强度下限值，σbz下爆炸不锈钢复合板组合拉伸强度下限值，σbz上爆炸不锈钢复合板组合拉伸强度上限值，δ5爆炸不锈钢复合板实测伸长率，δsb基板相关标准要求的伸长率。

σ1、σ2基、复层材料相关标准中要求的对应值，t材料厚度；组合强度计算公式：

σ＝（σ1t1+σ2t2）/（t1+t2）。

2.3.2　冲击性能

　　基板材料在爆炸加工并经热处理后的冲击性能表征了爆炸不锈钢复合板的韧性,用冲击功来表示（按GB/T2975进行）。

图5是爆炸不锈钢复合板的冲击功分布曲线，从中可以看出冲击功主要分布在28～120J范围内，平均值为71J，曲线分布的峰值是52J。

这表明，基板材料经爆炸冲击后，可以通过合适的热处理工艺恢复其原始韧性。

图5　爆炸不锈钢复合板冲击功分布曲线

2.3.3　冷弯性能

　　不锈钢复合板的冷弯性能表征了通过爆炸焊接获得的复合板的变形能力和界面结合强度。

内外弯试验（按GB/T2975、6396进行）结果表明，经过合理的热处理后，爆炸不锈钢复合板弯曲试样的内外表面均完好，无裂纹，界面无分层。

2.3.4　晶间腐蚀性能

　　对不锈钢复合板的复层进行晶间腐蚀试验（按GB/T3280、4237进行），结果表明，不锈钢复合板没有晶间腐蚀倾向。

3　爆炸不锈钢复合板在石化设备上的应用

3.1　应用状况

　　爆炸不锈钢复合板在石化设备中主要用作耐蚀容器的壳体和管板。

表5列出了不锈钢复合板在石化设备上的部分用例，从中可以看出，最早生产的爆炸不锈钢复合板已使用了十几年。

对克拉玛依炼油厂常减压蒸馏装置减压塔、天津炼油厂溶剂罐、济南炼油厂常减压蒸馏装置减压塔所用的爆炸不锈钢复合板进行了质量跟踪，未发现分层、鼓包等现象，内件与内壁连接的焊缝也完好、无裂纹，附近的复合板仍保持着良好的结合状态。

　　　　　表5　爆炸不锈钢复合钢板在石化设备上的部分用例

设备名称

用户名称

材质、规格

交货状态

使用日期

热交换器管板

天津中和化工厂

1Cr18Ni9Ti/16MnR锻

（10＋103）/mm（下同）

爆炸

1987

减压塔

克拉玛依炼油厂

1Cr18Ni9Ti/SB42

2＋16、2＋18、2＋20

正火

1989

溶剂罐

洛阳炼油厂

1Cr18Ni9Ti/20G

2＋16、2＋18、2＋20

正火

1989

热交换器管板

抚顺炼油厂

0Cr18Ni9/16MnR

4＋40

爆炸

1990

溶剂罐

天津炼油厂

316L/3C

3＋16、3＋18

正火

1990

常减压塔

洛阳炼油厂

0Cr13/20G

3＋16、3＋18

正火

1991

溶剂罐

洛阳炼油厂

316L/20G

3＋12、3＋14、3＋16

正火

1991

减压塔

济南炼油厂

304/20G

2＋14、2＋16、2＋18

正火

1992

减压塔

兰州炼油厂

316L/20G

2＋16、2＋18、2＋20

正火

1993

溶剂罐

兰州炼油厂

254SMO/16MnR

2＋14

退火

1993

溶剂罐

辽阳炼油厂

304/16MnR

3+16、3+18

正火

1993

气体塔

洛阳炼油厂

0Cr13/16MnR

2+12、2+14

正火

1994

热交换器管板

扬子石化公司

304/16MnR

4+20

爆炸

1994

反应釜

锦州炼油厂

0Cr13/20G

2+12

正火

1994

转油线

乌鲁木齐炼油厂

316L/20G

2+14

正火

1994

脱吸塔

安庆石化总厂

321/16MnR

2＋10、2＋14

正火

1995

沥青气体塔

天津炼油厂

0Cr13/A3

2+14、2＋16、2＋18

正火

1996

密封水缓冲罐

扬子石化公司

321/16MnR

2＋12、2＋14、2＋16

正火

1996

分馏塔

浙江新昌化学

总公司

321/20G

2＋12、2＋14

正火

1996

蒸发罐

平顶山盐厂

316L/20G

2＋12、2＋14

正火

1997

　　另外，石化设备制造中常用的一般加工方法都适用于爆炸不锈钢复合板，例如，可用锯切、火焰切割和等离子切割等方法下料，可进行各种冷热成型加工、各类机加工等。

3.2　经济性

（1）与碳钢相比，采用爆炸不锈钢复合板可以根据石化设备内的介质腐蚀性的强弱，通过选用合适的不锈钢作为复层，达到延长设备使用寿命，减少维修次数的目的，从而具有经济性。

（2）与不锈钢相比，采用爆炸不锈钢复合板可以根据石化设备的不同强度要求，选择合适的钢板作基材，从而节约价格昂贵的不锈钢，达到降低造价的目的。

　　（3）与碳钢＋衬里不锈钢相比，由于爆炸不锈钢复合板界面是全面积的冶金结合且结合强度高，可在设备内件的连接上简化制造工艺，同时减少设备的维修次数。

　　（4）与进口复合板相比。

国产的大面积爆炸不锈钢复合板的性能达到甚至超过了国外复合板的性能，且价格便宜30％～40％，同时还缩短了设备的制造周期。

4　结束语

　　爆炸法生产大面积不锈钢复合板，具有生产工艺简单、产品规格齐全、不锈钢复合板的界面复合状态好、结合强度高等特点，通过合理的热处理工艺还可以恢复基板原始的力学性能和耐蚀性能。

爆炸不锈钢复合板还具有优良的综合加工性能，在石化行业得到了广泛的应用，是石化设备等的首选材料。