鋯材管道焊接工藝在三聚甲醛裝置中的應(yīng)用

詹澤丞 楊夢穎 陳 煒 王東勝

中國化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司 湖北宜昌 443000

作為“五大工程塑料”之一的聚甲醛塑料（POM），其重要中間體——三聚甲醛（TOX）在生產(chǎn)過程以濃硫酸為催化劑，并且合成反應(yīng)過程中產(chǎn)生甲酸等有機酸，對設(shè)備及管道材料有極強的腐蝕性。因此，在山東某三聚甲醛裝置中，反應(yīng)設(shè)備及其連接的部分管道采用鋯材。因為鋯材在有機酸（醋酸、甲酸等）、無機酸（硫酸、硝酸等）、強堿（NaOH、KOH 等）和一些熔鹽中具有更好的耐腐蝕性能[1]，一般應(yīng)用于核動力工程和醋酸、硫酸等石油化工生產(chǎn)中。

鋯材作為一種稀有金屬，其造價非常昂貴，又因其在高溫狀態(tài)下具有較強的活躍性，因此在制作過程中存在難點，特別是在焊接方面。以下以山東某三聚甲醛裝置的鋯材工藝管道現(xiàn)場焊接為例，簡要闡述鋯材管道焊接工藝及技術(shù)要求，為鋯材管道的現(xiàn)場焊接應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)和參考價值。

1 鋯材管道在三聚甲醛裝置中的焊接性分析

鋯（Zr）作為元素周期表中的第IV- B 族元素，是一種非鐵貴金屬，密度為6.49g/ cm3，熔點1852±2.001℃，沸點4377℃，熱導(dǎo)率為0.18 W/（cm·K），化合價有+2、+3 和+4。三聚甲醛裝置中使用的鋯材，在高溫下易與O2、H2、N2反應(yīng)。在焊接熱循環(huán)過程中，主要表現(xiàn)為[2]：

（1）在200℃時，Zr 開始與H2反應(yīng)生成ZrH2；大約315℃時，因吸收H2而可能導(dǎo)致氫脆；

（2）在300℃時，Zr 與O2可反應(yīng)生成ZrO3；大約550℃以上，會與空氣中的O2反應(yīng)生成一種脆性氧化膜；而在700℃以上，Zr 會因吸收O2使得材料嚴重脆化；

（3）在400℃時，Zr 開始吸收N2；隨著溫度升高反應(yīng)越劇烈，600℃時與N2反應(yīng)生成ZrN；

（4）在400℃以上，Zr 與C 或C 的化合物反應(yīng)生成碳化物，使得材料變得疏松、變脆，容易產(chǎn)生晶間腐蝕；

（5）在Zr 材加熱至焊接溫度時，其材料表面的氧化物很容易被溶解，使焊縫的質(zhì)量受到一定的影響，導(dǎo)致鋯材的耐腐蝕性能下降。

焊接過程中，環(huán)境中的O、H、N 及C 等元素在沒有技術(shù)措施的情況下，很容易與Zr 反應(yīng)并存在于焊縫中，導(dǎo)致焊縫的脆性增加，急劇降低了材料的機械性能和耐腐蝕性能。因此，在焊接的熱循環(huán)過程中，如何做好敏感溫度區(qū)的氬氣保護，以及材料表面的清理，是整個鋯材管道焊接質(zhì)量的決定性因素。

2 焊接設(shè)備及材料

2.1 鋯材管道材料

三聚甲醛裝置中的鋯材管道采用的無縫鋼管規(guī)格為10”（DN250），壁厚為4.5mm，材料牌號ASTM B658 R60702，制造標準ASMEB36.19M，其材料的化學(xué)成分和機械性能分別如表1 和表2 所示。采用法蘭規(guī)格為10”（DN250）- CL150- RF- S- 4.5mm，材料牌號ASTM B493 R60702， 制造標準ASMEB16.5- 2017，其材料的化學(xué)成分和機械性能分別如表3 和表4 所示。

表1 無縫鋼管材料的化學(xué)成分 %

表2 無縫鋼管材料的機械性能

表3 法蘭材料的化學(xué)成分 %

表4 法蘭材料的機械性能

2.2 焊接工機具及材料

（1）焊機：帶有高頻引弧裝置的直流氬弧焊機，設(shè)備型號WS- 400（PNE50- 400）；

（2）焊絲：采用鋯絲，規(guī)格φ2.4 mm×1000mm，牌號ERZr- 2，其化學(xué)成分如表5 所示；

表5 焊絲（鋯絲）材料的化學(xué)成分

（3）氬弧焊焊把、氬弧焊帽、不銹鋼鋼絲輪、磨光機、測溫槍、內(nèi)磨機、氣帶、海綿以及自制的冷卻水箱、拖罩（用于氬氣保護，圖1）等；

圖1 焊接時外部氬氣保護用拖罩實物圖

（4）氬氣（Ar），純度≥99.999%；丙酮或者無水乙醇（用于清洗材料表面油脂）；

（5）現(xiàn)場為半開放裝置，設(shè)置防風(fēng)棚及擋風(fēng)措施，保證焊接環(huán)境的清潔及無風(fēng)狀態(tài)。

3 鋯材管道焊接的焊前準備

3.1 作業(yè)場地環(huán)境準備

（1）焊接所在場地應(yīng)保持清潔、干燥，相對濕度不宜超過80%；環(huán)境溫度低于5℃時，需停止焊接作業(yè)[3]；

（2）鋯材管道焊接所在場地5m 內(nèi)，嚴禁進行其他金屬（如碳鋼等黑色金屬）的切割、打磨及焊接等作業(yè)，需防止其他金屬尤其碳鋼對鋯材管道焊接過程中的材料污染；

（3）在施焊場地處，設(shè)置防風(fēng)棚，并做一定的擋風(fēng)措施。當遇到風(fēng)力較強時，為避免焊接過程中的焊縫產(chǎn)生氣孔，以及鋯材與H、O、N 等元素反應(yīng)，應(yīng)停止焊接作業(yè)。

3.2 鋯材管道的切割及坡口加工

（1）切割下料前，需按照圖紙并結(jié)合現(xiàn)場實際情況的尺寸進行，核對好材料的材質(zhì)、規(guī)格及尺寸等，經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)量檢查員及技術(shù)管理人員的復(fù)核后進行管道下料切割。

（2）切割時，建議采用機械切割，以保證鋯材管道材料尺寸的精準?，F(xiàn)場實例中因材料規(guī)格較大，整體焊接量較小，采用磨光機對管道材料進行下料切割。

（3）現(xiàn)場采用內(nèi)磨機及磨光機對鋯材無縫鋼管、管件及法蘭進行坡口加工，坡口加工角度如圖2 所示。

圖2 坡口加工角度

3.3 鋯材的焊前清理

由鋯材的焊接性分析可以看出，材料表面的焊前清理很大程度上影響著焊縫的焊接質(zhì)量，材料表面及坡口的表面油污會造成焊縫的脆化和晶間腐蝕，導(dǎo)致形成裂紋等缺陷。

（1）在坡口加工完成后，對坡口表面及其邊緣50mm 范圍內(nèi)的區(qū)域使用內(nèi)磨機進行打磨，將表面的毛刺和雜物等打磨干凈，使之露出金屬光澤；

（2）采用不銹鋼鋼絲輪對內(nèi)磨機處理的地方再進行清理；

（3）使用丙酮或者無水乙醇對清理之后的表面進行清洗。

對清洗好的焊件采用防塵措施，并對坡口處進行覆蓋保護，放置時間不得超過8h[3]。鋯材在焊接前，再一次對坡口及其邊緣20mm 處用丙酮或者無水乙醇進行清洗。同時，在焊接前也要對焊絲進行一遍清洗，去除其表面的油脂類雜質(zhì)及灰塵等污染物。清洗之后的焊絲使用干凈的手套拿取，避免焊材的二次污染。

4 鋯材管道的現(xiàn)場焊接工藝

4.1 焊接方法

為避免鋯材管道的焊接熔池接觸到空氣中的O、H、N，保證鋯材管道在焊接過程中順利渡過敏感溫度區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場管道的施工清理，采用手工鎢極氬弧焊方法，并對管道的內(nèi)部進行高純度氬氣的充氬保護。同時在焊接過程中，對管道外側(cè)焊接熔池的熱敏感區(qū)域使用自制拖罩進行充氬保護。

4.2 焊接工藝

（1）焊接電流極性為直流正接，采用高頻啟動；

（2）焊前不需要進行預(yù)熱，焊接后其熱敏感區(qū)域需在高純度氬氣的保護下，冷卻至180℃以下，再進行自然冷卻；

（3）組對時采用點焊，電流范圍為120～140A，電壓范圍為14～16V；在進行打底焊接時，電流范圍為120～150A，電壓范圍為14～18V，焊接速度為3.14～4.7 in/ min；在進行中間填充焊及蓋面焊時，電流范圍為160～190A，電壓范圍為16～21V，焊接速度為5.5～7.09 in/ min；

（4）氬弧焊焊槍處的氬氣流量為18～22L/ min，自制拖罩處氬氣流量為37～42 L/ min，管內(nèi)充氬保護的氬氣流量為20～25 L/ min；

（5） 在焊接前，對管內(nèi)空間使用高純度氬氣（99.999%）進行充氬保護，管內(nèi)空間進行氬氣置換合格后，再對管內(nèi)空間充氬15min 后才進行焊接作業(yè)；

（6）使用塑料細管對焊炬的氬氣氣帶5m 區(qū)域進行冷卻水降溫措施，使得焊炬處的氬氣能夠更迅速地降低焊接熔池溫度；

（7）焊接時焊炬稍微向前傾斜，與管道軸線的夾角為80°～85°，采用直進焊方式，焊炬做直線移動，不要橫向擺動；

（8）在焊接過程中，焊絲末端應(yīng)在保護氣體內(nèi)；

（9）在焊接前，焊炬處氬氣的送氣時間應(yīng)提前2min；在焊接后，焊炬處氬氣的送氣時間應(yīng)滯后2min。

5 鋯材管道焊接技術(shù)要求

5.1 定位焊

（1）定位焊采用與正式焊接相同的焊接方法及工藝，使用同樣的焊絲材料，在組對時嚴禁強力組對，使用木錘或者其他較軟材料的工具敲打。

（2）定位焊接時電流比正常焊接電流高10%～15%，且焊接焊縫的高度不能超過管子材料壁厚的2/ 3。

（3）焊縫起頭及結(jié)尾處應(yīng)該圓滑過渡，且在一側(cè)打底完成后，將焊點打磨干凈并重新對其進行清理。

（4）在定位焊接過程中，若發(fā)現(xiàn)焊縫處存在裂紋、氣孔，以及因氬氣保護問題導(dǎo)致的氧化變色，應(yīng)該將此焊縫處缺陷清除并重新焊接。

5.2 焊接的起弧和收弧

（1）起弧前，焊炬焊槍處氬氣先進5～10s，且起弧之前是在管內(nèi)空間的充氬保護置換空氣合格之后，拖罩處氬氣也同步開始送氬氣。起弧要采用高頻引弧，不允許摩擦引弧。

（2）收弧時，通過電流衰減來完成，并在氬氣保護的狀態(tài)下，將弧坑填滿；在電流終止之后，焊炬應(yīng)繼續(xù)保持在焊接熔池之上；同時，管道內(nèi)部空間及拖罩處的氬氣繼續(xù)進行送氣，直到焊縫和熱影響區(qū)冷卻至敏感溫度（200℃）之下。

5.3 高溫保護

在連續(xù)焊接過程中，隨時用測溫槍對焊接處的熱影響區(qū)域及焊接熔池邊緣位置進行溫度測量，監(jiān)控鋯材管道處的溫度。當溫度超過180℃時，需立即用氬氣進行冷卻，降低升溫速度。

當鋯材管道焊縫處溫度超過300℃時，立即停止施焊，采用經(jīng)過冷卻水冷卻的氬氣對焊縫處進行降溫保護，并使用無水乙醇對焊縫的邊緣處進行降溫處理，使得溫度降低至180℃以下，然后進行焊接作業(yè)。

6 鋯材管道焊縫質(zhì)量檢驗及判定

6.1 焊縫質(zhì)量的外觀成形檢查

6.1.1 焊接接頭外觀

焊縫表面不得有熔渣、咬邊、裂紋、凹陷、氣孔、弧坑、飛濺及未熔合等缺陷。同時，焊縫成形呈現(xiàn)細密波紋狀，表面為明亮的銀白色，熱影響區(qū)單側(cè)不變色區(qū)域的最小寬度大于10mm。圖3 為現(xiàn)場焊縫實物圖片。

圖3 現(xiàn)場焊縫實物圖片

焊縫色澤檢驗合格標準如表6 所示。

表6 鋯材管道焊縫色澤檢驗合格標準

6.1.2 焊縫寬度及余高檢查

焊縫的寬度要求每側(cè)不超過坡口邊緣的2mm 為合格；焊縫余高根據(jù)GB50683- 2011《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中的要求，管道母材壁厚≤6mm，余高≤2mm （其中I、II 級檢測等級為1.5mm）；6mm＜母材壁厚≤13mm，余高≤4mm（其中I 級檢測等級為1.5mm，II 級檢測等級為3mm）；13mm＜母材壁厚≤25mm，余高≤4mm（其中I、II 級檢測等級為3mm）；母材壁厚＞25mm，余高≤5mm（其中I 級檢測等級為3mm，II 級檢測等級為4mm）。圖4為現(xiàn)場鋯材管道焊縫的余高檢查。

圖4 現(xiàn)場鋯材管道焊縫的余高檢查

6.2 焊縫質(zhì)量的無損檢測

現(xiàn)場鋯材管道焊接接頭經(jīng)外觀檢查合格后，根據(jù)設(shè)計要求并按照NB/ T 47013- 2015 的規(guī)定對管道焊縫再進行無損檢測。其中對接焊縫采用100%RT 檢測，不得低于II 級合格；角焊縫采用100%PT 檢測，I 級合格。圖5 為現(xiàn)場鋯材管道焊縫的RT 部分檢測結(jié)果，焊縫符合I 級合格標準。

圖5 焊縫的RT 檢測底片（部分）

7 結(jié)論

（1）嚴格按照焊接工藝技術(shù)要求對鋯材管道進行焊接，控制好氣體保護措施環(huán)節(jié)。在施焊過程中，通過焊槍與自制拖罩的相互配合，嚴格避免出現(xiàn)空檔，這對焊縫的質(zhì)量有著重要的影響；

（2）只要嚴格控制鋯材管道焊接工藝要求中的各個環(huán)節(jié)，對焊接過程做好高溫保護，最終會得到優(yōu)質(zhì)的鋯材管道焊縫；

（3）通過鋯材管道焊接工藝在三聚甲醛裝置現(xiàn)場的應(yīng)用情況來看，現(xiàn)場焊接的鋯材管道焊縫符合設(shè)計及規(guī)范要求，且三聚甲醛合成反應(yīng)器處管道情況良好。