爆炸复合板

爆炸不锈钢复合板及其在石化设备上的应用赵路遇黄维学分类号：TG456.6文献标识码：B文章编号：1003-1545(2000)01-0024-06▲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＋γvP=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/Rs=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/T8165－1997Ⅰ级：0100Ⅱ级：面积≤20cm2长度≤50mm≥99Ⅲ级：面积≤45cm2长度≤75mm≥95JB4733－1996Ⅰ级：0100Ⅱ级：面积≤20cm2长度≤50mm≥98Ⅲ级：面积≤45cm2长度≤75mm≥95JISG3601（日本）Ⅰ级：面积≤20cm2长度≤50mm≥98.5Ⅱ级：面积≤45cm2长度≤75mm≥95ASTMA263、A264（美国）≤φ75mmADW8-80(德国)面积≤50cm2NFA36－250－68（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645450495555525534正火490475505515210430321/16MnR爆炸600615560592NHB－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MPaGB/T8165-1997JB4733-1996JISG3601(日本)ASTMA263、A264（美国）ГOCT10855（前苏联）BS3704(英国)NF36-250-68(法国)Ⅰ、Ⅱ级：≥210Ⅲ：≥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/σsb1.00～1.571.141.00σs/σsz1.02～1.601.151.07σb/σbb1.01～1.331.171.10σb/σbz下1.00～1.271.091.05σb/σbz上0.71～1.000.810.77δs/δsb1.00～1.951.351.42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/SB422＋16、2＋18、2＋20正火1989溶剂罐洛阳炼油厂1Cr18Ni9Ti/20G2＋16、2＋18、2＋20正火1989热交换器管板抚顺炼油厂0Cr18Ni9/16MnR4＋40爆炸1990溶剂罐天津炼油厂316L/3C3＋16、3＋18正火1990常减压塔洛阳炼油厂0Cr13/20G3＋16、3＋18正火1991溶剂罐洛阳炼油厂316L/20G3＋12、3＋14、3＋16正火1991减压塔济南炼油厂304/20G2＋14、2＋16、2＋18正火1992减压塔兰州炼油厂316L/20G2＋16、2＋18、2＋20正火1993溶剂罐兰州炼油厂254SMO/16MnR2＋14退火1993溶剂罐辽阳炼油厂304/16MnR3+16、3+18正火1993气体塔洛阳炼油厂0Cr13/16MnR2+12、2+14正火1994热交换器管板扬子石化公司304/16MnR4+20爆炸