鋯材焊接新工藝在醋酸項(xiàng)目中的應(yīng)用

張 翼，郭學(xué)會(huì)，曹彥恒，張翼鵬，王衛(wèi)東

(河南煤氣(集團(tuán))有限責(zé)任公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

鋯材作為一種稀有金屬，具有耐腐性極強(qiáng)、強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、核能等行業(yè)廣泛使用。義馬氣化廠投資建設(shè)的20萬(wàn)t/a醋酸項(xiàng)目有鋯材管道500余米。目前化工建設(shè)行業(yè)的鋯材焊接多為室內(nèi)加工預(yù)制，研究、討論鋯材管道如何在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接作業(yè)，對(duì)于節(jié)約建設(shè)費(fèi)用、節(jié)省建設(shè)時(shí)間十分必要和迫切。針對(duì)義馬氣化廠20萬(wàn)t/a年醋酸項(xiàng)目的鋯材焊接，我們配合施工單位技術(shù)人員擬定了焊接工藝指導(dǎo)書，在現(xiàn)場(chǎng)選取了施焊試件并按指導(dǎo)書要求進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)焊接。焊接完畢后采用了射線探傷的方法檢驗(yàn)了焊縫，未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷。在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的努力下，提出了醋酸項(xiàng)目鋯材焊接工藝評(píng)定報(bào)告并對(duì)擬定的焊接工藝指導(dǎo)書進(jìn)行了評(píng)定。為鋯材焊接環(huán)境由室內(nèi)轉(zhuǎn)向室外提供了一套新的可行方案，也為特材設(shè)備、管線的焊接維修提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)總結(jié)如下:

1 焊材的選擇

鋯與鋯合金采用的鎢極氬弧焊焊接選用的焊絲一般與母材相同。其外觀必須光滑、圓整，不允許存在毛刺、皺皮、重疊、裂紋、孔隙等缺陷，必要時(shí)進(jìn)行金相微觀檢查，不允許存在偏析、夾渣等缺陷。

2 施工環(huán)境要求

①設(shè)立專用的預(yù)制場(chǎng)地，同時(shí)焊接場(chǎng)所應(yīng)保持清潔、干燥。②環(huán)境溫度應(yīng)大于5℃。③焊接場(chǎng)所嚴(yán)禁有黑色金屬焊接、切割、打磨等工作。④現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)應(yīng)有防風(fēng)，防雨措施，當(dāng)風(fēng)速大于0.5m/s，相對(duì)濕度大于80%時(shí)，禁止施焊。

3 施工準(zhǔn)備

3.1 人員

從事鋯材施工的人員必須熟識(shí)鋯材的特殊物理性能和化學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上正確從事鋯材的搬運(yùn)、切割、組對(duì)等工作。

3.2 焊件的坡口形式和組對(duì)

在一般情況下坡口形式和尺寸的選用應(yīng)重點(diǎn)考慮，遵守易于保證焊接接頭質(zhì)量、減少填充金屬量、便于操作和減少焊接變形等原則。當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)定時(shí)焊件的坡口形式和尺寸可參照?qǐng)D1所示形式。

圖1 鋯材焊接坡口形式

3.3 鋯材的清理

鋯材管子切割前應(yīng)核對(duì)材質(zhì)和規(guī)格，并做好材質(zhì)標(biāo)記的移植工作。應(yīng)使用無(wú)腐蝕的記號(hào)筆，嚴(yán)禁打鋼印。鋯材切割應(yīng)使用機(jī)械方法，若使用等離子或砂輪切割，切割時(shí)管子轉(zhuǎn)動(dòng)，使其始終處于最佳位置，采用等離子切割時(shí)應(yīng)采取措施保護(hù)管子內(nèi)外表面，以防表面被火花灼傷，并用機(jī)械方法去除污染層。經(jīng)常清理工具上的污物，每次使用前應(yīng)清潔，無(wú)任何雜物。鋯材管子機(jī)械加工或鋸切后，還應(yīng)使用銼刀修磨切口，然后用不銹鋼刷或電動(dòng)不銹鋼絲輪等工具，進(jìn)一步加工，使坡口表面平整光滑，無(wú)毛刺、凹坑、沙粒等缺陷。管子、管件組對(duì)過(guò)程中，不允許強(qiáng)力組對(duì)，嚴(yán)禁錘擊或劃傷材料表面。

3.4 定位焊

由于鋯材焊接時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng)性特別好，管子坡口組對(duì)裝配時(shí)鈍邊、間隙應(yīng)嚴(yán)格按工藝指導(dǎo)書規(guī)定，以免焊接時(shí)燒穿。管子管件定位焊的工藝措施及焊接材料應(yīng)與正式焊接一致，點(diǎn)焊高度不得超過(guò)管壁厚的2/3，定位焊的焊縫不得有裂紋、氣孔或不允許存在的氧化變色等缺陷，否則應(yīng)打磨。

4 焊接

焊前清理。鋯材的切割和坡口加工，可以采用機(jī)械方法，也可以采用氧—乙炔焰、等離子弧等熱切割方法，但熱切割會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的火煙，切口周邊材料被嚴(yán)重污染，必須打磨清除，造成浪費(fèi)。因此在切割工件時(shí)，盡可能采用機(jī)械方法，如鋸、車、銑、鉆、刨等加工方法，配合水冷卻液降溫，避免溫升造成材料損傷。坡口周邊25 mm內(nèi)外表面較厚的氧化膜，可使用銼刀、電磨、砂輪機(jī)進(jìn)行清理。坡口表面應(yīng)光潔，無(wú)毛刺、凹坑、殘存沙粒等缺陷，最后還應(yīng)使用不銹鋼鋼絲刷仔細(xì)清理。加工使用的工具應(yīng)專用，保持清潔。加工產(chǎn)生的屑、沫堆積在空氣中會(huì)產(chǎn)生自燃，應(yīng)存放在盛水的容器中。另外在加工完成的坡口周邊75 mm范圍內(nèi)的外表面，還應(yīng)使用合適的溶劑(丙酮、酒精)擦洗，除去油脂、水分、灰塵，擦洗應(yīng)采用干凈的海綿或白綢布，不得使用毛巾、棉紗。不允許帶橡膠手套。清洗過(guò)程中應(yīng)反復(fù)擦拭焊件直到海綿上無(wú)污色為止。清洗好的焊件應(yīng)立即焊接，焊件置放時(shí)間不得超過(guò)8 h，否則應(yīng)再次清理。

填充焊絲使用前應(yīng)用溶劑清除表面上的油脂，殘留潤(rùn)滑劑和灰塵等污物，清理好的焊絲應(yīng)放在干燥和干凈的場(chǎng)所保存。焊接用氣體為高純氬，純度應(yīng)達(dá)99.999%，當(dāng)瓶裝氬氣壓力低于0.1 MPa時(shí)，應(yīng)停止使用。鎢極在施焊前應(yīng)修磨成如圖2所示的形狀。

圖2 鎢極磨制的形狀

鎢極氬弧焊電源采用直流正接。板材焊接時(shí)應(yīng)盡可能在平焊位置;管材焊接時(shí)盡量采用轉(zhuǎn)動(dòng)焊。當(dāng)母材溫度低于15℃時(shí)，應(yīng)對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為20℃左右，焊接時(shí)層間溫度應(yīng)控制在100℃以下。鎢極氬弧焊采用高頻引弧和熄弧電流衰減措施，注意引弧和收弧質(zhì)量。在起弧之前，先給焊槍送幾秒鐘的氣體(拖尾保護(hù)送氣時(shí)間可長(zhǎng)些時(shí)間)，熄弧應(yīng)通過(guò)電流衰減來(lái)完成，在終止電流之后，焊矩應(yīng)繼續(xù)保持在焊接熔池之上，直到金屬冷卻，拖尾和背面保護(hù)送氣應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直到焊縫和熱影響區(qū)冷卻到300℃以下為止。如果送氣時(shí)間不夠，焊縫將是淡黃色或藍(lán)顏色。對(duì)于手工送絲來(lái)說(shuō)，焊絲應(yīng)連續(xù)地送入熔池。斷續(xù)送絲可能導(dǎo)致從保護(hù)的惰性氣體中得出熱焊絲端頭，如果焊絲不注意從保護(hù)的惰性氣體中取出，則該端頭應(yīng)剪去25 mm左右清除污染的金屬，才能繼續(xù)施焊。如果熔敷焊縫金屬呈銀白色，則不要求層間清洗，淡黃色或淡藍(lán)色應(yīng)使用干凈的奧氏體不銹鋼刷擦去。在繼續(xù)進(jìn)行焊接之前，污染的焊縫應(yīng)采用打磨和仔細(xì)的清洗法全部擦去。對(duì)污染嚴(yán)重的焊縫必須鏟除干凈，并進(jìn)行必要的修復(fù)方可進(jìn)行下一步焊接工作。保護(hù)裝置及拖罩的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)根據(jù)接頭形式和構(gòu)件尺寸確定。用導(dǎo)熱性能較好的材料制成，形狀宜與焊件邊緣相似并能夠貼近焊件表面。應(yīng)用獨(dú)立的氣路提供各區(qū)域的保護(hù)氣體，保護(hù)氣輸送時(shí)應(yīng)保持均勻，非絮流并不相互干擾，氣路中不允許殘留水分和任何泄漏，氣路管道不允許采用橡膠管或其他吸潮材料管子。焊接過(guò)程中，若鎢極碰觸焊絲或焊縫，應(yīng)停止焊接，鏟除污染的焊肉、修磨或更換鎢極。若需雙面焊接時(shí)，應(yīng)采用機(jī)械方法清除焊根，直至顯露出沒有任何缺陷的焊縫金屬。

焊縫背面及焊接區(qū)域高于300℃以上的部位保護(hù)的方式:管道焊縫背面氣體保護(hù)一般采用管堵造成密閉氣室，管堵應(yīng)留有進(jìn)氣孔和出氣孔，以便進(jìn)氣和排氣，管堵應(yīng)與內(nèi)壁貼合無(wú)縫隙，并盡量將焊接時(shí)高于300℃區(qū)域焊縫區(qū)域全部包括。板對(duì)接焊縫背面氣體保護(hù)采用墊板。

焊縫后拖保護(hù)裝置。焊縫后拖保護(hù)一般采用拖罩，小型輕便拖罩可以和焊槍連在一起，焊接時(shí)可以直接起到保護(hù)作用，也可由另外一個(gè)人單獨(dú)手持拖罩跟蹤操作保護(hù)。拖罩應(yīng)由導(dǎo)熱性能好的材料制成，如銅、鋁等，拖罩的形狀、尺寸、曲率半徑應(yīng)根據(jù)管徑、焊口形式制作，不得有縫隙，四周應(yīng)圓滑。必要時(shí)罩內(nèi)可增加通水冷卻散熱，具體形式見圖3。

圖3 焊縫后拖保護(hù)裝置

5 焊后質(zhì)量檢驗(yàn)

鋯焊縫可采用液體滲透探傷、X射線進(jìn)行檢驗(yàn)，應(yīng)沒有裂紋、咬邊、未焊透和超標(biāo)的氣孔存在。

暴露在空氣中的鋯，在不同的溫度下，表面將形成ZrO或Zr2O3或ZrO2等氧化膜，從而呈現(xiàn)不同的表面顏色，如表面形成氧化膜很薄，用不銹鋼絲刷清除即可，對(duì)性能影響不大。從深藍(lán)色到灰白或白粉末狀則表明焊縫金屬受到嚴(yán)重的污染，必須全部鏟掉焊縫金屬和臨近的母材。對(duì)于焊縫表面的顏色，比如銀白色僅僅是拖尾保護(hù)有效性的一種顯示，而不能保證焊矩保護(hù)是適當(dāng)?shù)?。淡黃到淡藍(lán)色通常表示焊縫保護(hù)溫度低于538℃，這種顏色在繼續(xù)進(jìn)行焊接之前必須用鋼絲刷刷去。

返修:對(duì)于焊縫的返修，應(yīng)在返修前用機(jī)械方法清除缺陷，并用目視和液體滲透檢查確保缺陷消除干凈，返修的焊接與上述要求一致。返修的部位應(yīng)重新進(jìn)行規(guī)定的檢驗(yàn)。同一部位的返修次數(shù)不宜超過(guò)兩次。

6 管道壓力試驗(yàn)

及時(shí)做好并保存試壓記錄，確保施工記錄與工程進(jìn)度同步。