鋯及鋯合金管道施工技術(shù)簡介

左 彬，韓利強(qiáng)，王婭輝

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201)

鋯與鋯合金的耐腐蝕性能優(yōu)異、強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、膨脹系數(shù)低等，在醫(yī)學(xué)、原子能、核工業(yè)、航天、航空等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1]?，F(xiàn)階段，鋯與鋯合金制造的設(shè)備，在腐蝕環(huán)境以及其他惡劣環(huán)境中應(yīng)用廣泛。加工鋯與鋯合金設(shè)備時(shí)，焊接是重要的連接方法。本文以350kt/a的醋酸設(shè)備中鋯與鋯合金的管道工程為例進(jìn)行研究。

1 鋯與鋯合金焊接特性

鋯與鋯合金焊接殘余應(yīng)力低，液態(tài)流動(dòng)性突出，彈性模量小，焊接性能良好。然而，在315℃條件下，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈吸氫現(xiàn)象；在400℃條件下，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈吸氧現(xiàn)象，產(chǎn)生ZrO2；若超過800℃則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈吸氮現(xiàn)象，產(chǎn)生ZrN。氧氣會(huì)嚴(yán)重影響鋯與鋯合金韌性以及塑性，氮?dú)鈺?huì)嚴(yán)重影響鋯合金耐腐蝕性能。焊接施工時(shí)，金屬吸收這些氣體后，其耐腐蝕性能以及力學(xué)性能會(huì)急劇下降。所以，鋯合金管材施工過程中對(duì)于保護(hù)措施、工藝參數(shù)與操作環(huán)境等方面具有較高要求[2]。

2 鋯與鋯合金的焊接工藝

2.1 焊接方法

因?yàn)殇喤c鋯合金對(duì)氫氣、氮?dú)?、氧氣等非常敏感，具有較強(qiáng)的高溫親和力，常規(guī)氬弧焊接與電弧焊接結(jié)合的方法缺乏良好適用性。所以，可以使用低能量焊接線，采用氣體保護(hù)手工鎢極氬弧焊方法，借助管道充氬、焊縫保護(hù)罩與大口徑焊槍噴嘴方式進(jìn)行空氣，進(jìn)而保證焊縫不會(huì)出現(xiàn)氧化問題。

2.2 焊縫材料

鋯與鋯合金選擇填充焊絲過程中，需要在母材成分良好匹配基礎(chǔ)上進(jìn)行，焊絲成分見表1。

表1 鋯與鋯合金的焊絲成分

禁止焊絲表面出現(xiàn)氧化、重皮等現(xiàn)象，禁止存在夾雜物缺陷。使用焊絲前需要予以清洗處理，之后進(jìn)行干燥處理。

2.3 保護(hù)氣體

鎢極氬弧焊方法選擇純度在99.999%以上的高純氬作為保護(hù)氣體，雜質(zhì)含量應(yīng)該滿足GB/T 4842規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。焊接作業(yè)保證充氣連續(xù)性，禁止出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。所以，需要對(duì)多個(gè)氬氣瓶進(jìn)行串聯(lián)處理，以提高供氣能力，借助分氣缸保證多個(gè)焊接人員同時(shí)開展焊接施工工作。

2.4 坡口形式與加工清理

①坡口加工。盡可能借助切割一體機(jī)開展坡口加工作業(yè)，鋯與鋯合金存在加工硬化現(xiàn)象，所以加工時(shí)需要選擇大進(jìn)口量以及慢速方法。另外，需要應(yīng)用大量潤滑劑與冷卻劑，避免坡口溫度升高造成氧化問題。若是無法應(yīng)用切割一體機(jī)，則可以選擇砂輪機(jī)開展切割作業(yè)，切割片需要選擇碳化硅砂輪片，切割時(shí)應(yīng)間斷進(jìn)行，避免工件表面溫度持續(xù)增加。同時(shí)保證打磨粉末可以直接落入水中，不然在大量積累之后會(huì)出現(xiàn)自燃問題。選擇硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼需要滿足YS/T552規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。②坡口清理。開展管道組對(duì)焊接作業(yè)前，應(yīng)該選擇不銹鋼銼刀、不銹鋼刷等，將坡口與兩側(cè)70mm范圍內(nèi)的毛刺、氧化膜與切削物等清除。作業(yè)時(shí)采用專用工具，同時(shí)需要保持清潔，同時(shí)需要避免交叉污染導(dǎo)致焊縫質(zhì)量受到影響。借助丙酮清洗油脂，同時(shí)借助棉布擦拭，作業(yè)前可對(duì)坡口干燥。③清理焊絲。選擇化學(xué)或是機(jī)械方法對(duì)焊絲進(jìn)行全面清理，根據(jù)坡口清理要求進(jìn)行作業(yè)[4]。

2.5 焊接組對(duì)以及點(diǎn)固焊

1)焊縫組對(duì)。對(duì)于焊縫組對(duì)處理，需要對(duì)組對(duì)錯(cuò)邊量以及間隙進(jìn)行嚴(yán)格控制。應(yīng)該選擇內(nèi)坡口加工手段，以確保內(nèi)部的錯(cuò)邊量滿足要求，保證無應(yīng)力組對(duì)焊縫。

2)焊縫點(diǎn)固焊。各個(gè)組對(duì)電焊距離通常保持在 125 mm 左右，點(diǎn)焊長度在 12.5 cm 左右，電焊工藝與正式焊接條件并無較大差異。

2.6 焊接管口氣體置換以及保護(hù)

1)完成管口組對(duì)施工后，需要置換管口內(nèi)氣體。為了提高置換質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約氬氣，對(duì)于預(yù)制管口或是在內(nèi)部隔離條件下，應(yīng)該將堵頭設(shè)置于管道內(nèi)部，采用局部沖氬手段。若是現(xiàn)場焊口無法展開堵頭式隔離，則開展焊口組對(duì)之前應(yīng)該將易溶質(zhì)設(shè)置于焊縫兩側(cè)。完成組對(duì)之后，采用氬氣在焊縫適當(dāng)部位展開置換處理，或是結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，借助焊縫兩側(cè)法蘭進(jìn)行堵頭安裝，實(shí)現(xiàn)氬氣置換作業(yè)。

2)置換管口外部氣體。因?yàn)殇喤c鋯合金具有活潑的高化學(xué)性能，開展焊接施工時(shí)，僅僅結(jié)合氬弧焊噴嘴提供氬氣保護(hù)高溫焊道、熔池，無法充分提高焊接質(zhì)量。要想符合保護(hù)時(shí)間以及氣體隔離等方面要求，應(yīng)該在管道外部安裝特制氣體保護(hù)設(shè)備，對(duì)于氣體托罩來講，主要根據(jù)管道規(guī)格進(jìn)行確定。托罩涵蓋輸氬管嘴、外殼、焊炬等構(gòu)件。在使用過程中，需要安裝輸氬軟管。

2.7 氣體保護(hù)檢查

熱影響區(qū)與焊縫完成焊接作業(yè)之后，可以借助其表面顏色對(duì)氣體保護(hù)質(zhì)量進(jìn)行確定?；诟邷貤l件，鋯與鋯合金表面會(huì)出現(xiàn)氧化膜，而氬氣保護(hù)程度不同，氧化膜顏色也會(huì)存在一定差異。銀白色保護(hù)膜的保護(hù)質(zhì)量最佳，此時(shí)可以繼續(xù)開展焊接作業(yè)。其次是金黃色、淡黃色，此時(shí)應(yīng)該借助不銹鋼刷進(jìn)行清理，之后可以繼續(xù)施焊。若是氧化膜為灰色或是黑色，則表明保護(hù)質(zhì)量不合格，需要將之前焊道與相鄰部位切除，之后繼續(xù)施焊。需要注意，對(duì)于多道焊與多層焊條件下，不能只依靠表面顏色對(duì)接頭位置保護(hù)效果進(jìn)行判斷，需要對(duì)各層焊道是否合格進(jìn)行判定。

2.8 焊接參數(shù)

以R 60702管材為例，見表2。

表2 R60702鋯材管道焊接參數(shù)

3 鋯與鋯合金的焊接工藝

對(duì)焊接線能量進(jìn)行嚴(yán)格控制，進(jìn)而充分控制焊接熱量的輸入問題，降低焊接厚度，可以對(duì)區(qū)域溫度進(jìn)行有效控制，同時(shí)促進(jìn)冷卻速度，焊接層間溫度應(yīng)該保持在 100 ℃ 以內(nèi)。開展焊接作業(yè)時(shí)，應(yīng)該保證對(duì)內(nèi)部氣體進(jìn)行全面置換，同時(shí)對(duì)外保護(hù)罩進(jìn)行合理制作以及正確使用，氬氣純度保持在99.999%以上。另外，焊炬噴嘴規(guī)格應(yīng)該保持在φ20～φ25 mm；對(duì)于噴嘴溢出氬氣流量，保證其足夠穩(wěn)定，進(jìn)而充分保護(hù)焊接的熱影響區(qū)、焊縫、熔池等部位，以隔離角度提高焊接質(zhì)量。

在起弧過程中，焊槍應(yīng)該先送氣，進(jìn)行保證焊絲在熔化之前就可以得到氬氣保護(hù)，同時(shí)進(jìn)行高頻引弧。熄弧時(shí)需要選擇電流衰減設(shè)備，填滿焊接弧坑。開展焊接活動(dòng)時(shí)，需要在焊接進(jìn)程不斷實(shí)現(xiàn)過程中，揭開坡口位置的高溫膠帶。需要通過高純氬對(duì)填充焊絲融化端進(jìn)行全面保護(hù)，熄弧之后需要在融化端充分冷卻后，才可以脫離保護(hù)狀態(tài)，焊絲頭若是出現(xiàn)氧化問題或是污染問題，應(yīng)該將此部位切除。另外，需要對(duì)焊道色澤情況進(jìn)行全面觀察，進(jìn)而充分提高焊接質(zhì)量與保護(hù)效果。若是焊接環(huán)節(jié)中，焊縫氧化問題較為顯著，則需要停止施焊，并對(duì)氧化區(qū)域進(jìn)行打磨，對(duì)氧化原因進(jìn)行明確，采取糾正措施予以處理，之后才可以繼續(xù)開展焊接作業(yè)。施工時(shí)，會(huì)應(yīng)該對(duì)表面溫度與打磨量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證坡面不會(huì)發(fā)生氧化問題[5]。

開展焊口現(xiàn)場安裝過程中，對(duì)于灰塵、大氣環(huán)境等情況，需要制定良好的防風(fēng)措施。可以通過帆布篷，對(duì)焊接現(xiàn)場和外部環(huán)境之間進(jìn)行良好隔離，創(chuàng)造可以促進(jìn)施工作業(yè)的空間環(huán)境，以充分提高焊接質(zhì)量。