醋酸工廠工程中鋯材管道焊接關鍵技術

劉文光

(中石化上海工程有限公司配管工程室，上海 200121)

0 前言

在醋酸工廠生產設備中，由于鋯(Zr)的耐蝕、可焊性較好、壽命長等優點，(其主要設備)包括閥門及管道、換熱器、冷凝器、汽提塔、反應容器、泵等用料大量使用鋯材，其中鋯材管道數量最多，焊接技術也比較典型。

在工程實踐中發現，鋯材在鎢極氬弧焊(GTAW)中，對保護氣體(Ar)的質量(純度)、鋯材表面清理和焊接時(Ar)保護措施有較高的技術要求，同鈦(Ti)相比要嚴格得多，于是形成了鋯材焊接特有的技術。

本研究以某醋酸工廠管道鋯材焊接工程為例，闡述鋯材焊接主要關鍵技術，揭示其技術內涵實質。

1 鋯(Zr)在醋酸工廠應用的焊接性分析

目前，鋯材主要有5種牌號，各種牌號之間性能差別不大，一般在力學性能稍有區別，其共同的特點是耐蝕能力強。

在某醋酸工廠的主要設備中，采用了Zr702(ASTM B658 GR.R60702)、Zr705(zirconium 705)鋯材。Zr702是工業純鋯(Zr)，其成分為w(Zr)(95.5 ～99.2)%+w(Nb)(0.8 ～4.5)%。

Zr705 由 w(Zr)87.5%+w(Nb)2.5%。

鋯(Zr)的熔點高于鈦，純鋯(Zr)熔點高達1 852℃。密度比鈦大，熱導率比鈦稍大，與奧氏體不銹鋼接近，屬熱導率較差的有色金屬。鋯(Zr)及鋯合金在許多有機酸、無機酸、強堿和熔融鹽中具有優異的耐蝕性，是優異的化工耐蝕結構材料。

在焊接熱循環過程中，鋯(Zr)呈現以下特性:

(1)鋯(Zr)和鋯合金在200℃開始吸收氧、氫;與氫在200℃可生成ZrH2，在大約315℃可能導致氫脆。

(2)鋯(Zr)和鋯合金與氧在300℃可生成ZrO3，大約550℃以上與空氣中的氧氣反應生成脆性氧化膜，在700℃以上因吸收氧氣而使材料脆化。

(3)鋯材在400℃開始吸收氮，溫度越高反應越加劇烈，在600℃吸收氮氣生成ZrN。

(4)鋯(Zr)在400℃以上與碳或碳的化合物反應形成碳化物，使得焊縫疏松、變脆和易于晶間腐蝕。

(5)在焊接熱循環過程中，當鋯材被加熱到焊接溫度時，很容易溶解其表面的氧化物，影響焊接質量。

有害元素及其化合物存在焊縫中，使得焊縫金屬中脆性的組織增加，使其機械性能與耐蝕性能急劇降低。

通過鋯材的上述焊接熱循環特性不難發現，鋯材焊接的重點是:在焊接高溫條件下，敏感溫度區的惰性氣體(Ar)保護和焊前金屬表面的清理。

某廠鋯材 Zr702(ASTM B658 GR.R60702)管道焊接，形成了特色技術，為鋯材焊接提供了技術支持。從程序上看，鋯材焊接同黑色金屬焊接程序一樣，需要經歷以下幾個重要環節。

2 焊接工藝評定(PQR)

根據有關標準和國際ASME標準通行作法，在工程開始前應作焊接工藝評定(PQR)，根據焊接工藝評定編制本工程的焊接技術規程(WPS)或焊接專用方案。焊接工藝評定(PQR)是一個十分重要的環節，具有質量否決權。

本工程焊接工藝評定(PQR)涉及的技術規定如下。

(1)坡口角度。管道的坡口角度見圖1。

圖1 管道的坡口角度

(2)焊接方法及焊材。

采用鎢極氬弧焊(GTAW);焊接電壓12～15 V;鎢極直徑 φ2.4 mm(管道 δ＜6.02 mm)，φ =3.2 mm(管道 δ≥6.02 mm);氬氣純度99.999%;噴嘴直徑φ=10～16 mm。

鋯與鋯合金采用鎢極氬弧焊焊接，選用的焊絲一般與母材相同。焊絲含氧量應比母材規定值低，一般約0.10%。按圖紙規定，本工程焊絲按ANSI/AWSA5.24要求，采用 ERZr2 R60702焊絲直徑φ1.6 mm;

(3)焊接技術規范。

焊接極性為直流正接;無需預、后熱;焊接電流80～120 A;焊接電壓12～15 V;焊槍氬氣流量18～20 L/min;托罩氬氣流量35～40 L/min;管內保護氬氣流量20 L/min。

3 鋯材管道下料切割

鋯材管道的切割與坡口加工應采用機械加工，并配合水冷卻液降溫，也可采用砂輪機打磨焊件坡口。但應采用較低轉速進行打磨，當無法機械加工時也可以切割后手工銼刀進行修整，如圖2、圖3所示。

圖2 鋯材管道的機械切割與坡口加工

機械加工目的:

(1)保證鋯材管道(管件)坡口尺寸精度。

(2)減小熱加工時出現的坡口邊緣硬化現象，避免一次熱循環，從而避免一次通過鋯材的敏感溫度區的循環，減少一次與各種元素的結合機會。有利于鋯材管道的焊接質量。

圖3 鋯材管道、管件手工修整

4 鋯材管道的焊前清理

鋯材管道(管件)焊接接頭的質量在很大程度上取決于管道、管件尺寸精度和焊前清理。當清理不徹底時，會在焊件和焊絲表面形成吸氣層，并導致焊接接頭形成裂紋和氣孔，因此焊接前應對坡口及附近區域進行清理。

具體要求:管道和罐壁的坡口打磨好后，采用砂輪磨光機將坡口機坡口周圍50 mm范圍內的污物或雜質打磨干凈，直到露出金屬光澤，再用細砂布(紙)或不銹鋼絲刷擦拭焊接區域50 mm以內的母材及坡口。

首先用銼刀去掉機械加工產生的毛刺，然后用角向磨光機和內磨機打磨坡口內外側50 mm范圍內的金屬，使之露出金屬光澤，之后用不銹鋼絲輪或刮刀清理、拋光輪拋光，最后用丙酮清洗，如圖4所示。

圖4 鋯材管道的清理

清理好的焊件應立即進行焊接或采取防塵措施，放置時間不得超過8 h。鋯材臨焊前，應使用溶劑對坡口再清洗一遍。填充焊絲使用前必須用砂紙打磨，用丙酮清洗，清除其表面上的油脂、殘留潤滑劑和灰塵等污染物，并置于干凈的場所保存。清理過的坡口和焊絲必須戴干凈的手套拿取，以避免污物和手印污染，導致焊縫氧化而形成氣孔。

5 鋯材管道焊接關鍵技術

5.1 鋯材管道焊接對環境的要求

(1)焊接場所應保持清潔、干燥;相對濕度不宜超過80%，環境溫度低于5℃時，停止施焊。

(2)鋯材管道焊接工場，嚴禁黑色金屬進行切割、打磨、焊接等工作;防止鐵粒子對鋯材管道焊縫的污染。

(3)鋯材管道在現場施工時，應搭設防風、防雨、防雪設施;當風力過大，防風設施效果差時，應立即停止施焊。

5.2 焊接方法

由于鋯材管道焊接對空氣中的氧、氮、氫等有很強的親和力，因此須在焊接區采取良好的保護措施，采用拖罩和內、外氬氣雙保護焊接技術，以確保焊接熔池安全順利渡過鋯材焊接的溫度敏感區。

根據現場的化工工藝管道情況，焊接采用手工鎢極氬弧焊，配合管道內外高純度氣體保護的焊接方法。焊接電源采用直流正接，如圖5～圖7所示。

圖5 鋯材管道拖罩和內、外氬氣雙保護焊接技術示意

5.3 焊接要求

(1)鋯材管道的定位焊。

定位焊采用一點過橋法定位，采用與正式焊接相同的焊絲和工藝，定位焊焊點在一側打底完成后磨掉并重新清洗。

(2)注意起弧和收弧處的質量。

采用高頻引弧，不允許摩擦引弧;在起弧之前，先給焊槍送幾秒鐘的氣體(拖罩保護送氣時間可長些);熄滅弧應通過電流衰減來完成，在終止電流之后，焊炬應繼續保持在焊接熔池之上，直到金屬冷卻，拖罩和背面保護送氣應繼續進行，直到焊縫和熱影響區冷卻到200℃以下為止。如果送氣時間不夠，焊縫會呈淡黃色或藍色。

(3)近縫區進行預熱、層間溫度的控制。

當母材溫度低于5℃時，應對近縫區進行預熱，加熱可采用遠紅外電加熱，也可采用噴燈，但應避免火焰直接接觸焊接坡口，以防止污染。

圖6 鋯材管道拖罩實物

圖7 鋯材管道現場焊接

預熱溫度應在18℃以上，焊接層間溫度應控制在100℃以下。

(4)鋯材管道采用多層小擺幅錯位焊接技術。

采用短弧、小擺幅擺動焊，使用稍大的電流配合快焊速和較大氣流量來限制熱輸入量(線能量)，保證將整個接頭的熱輸入控制在較低水平。焊接過程中將層間接頭錯開50 mm，收弧時應填滿弧坑。鋯材焊縫要與鋯材圓滑過渡;余高不得超過3 mm;焊縫兩側增寬1～2 mm;表面無氣孔、焊瘤、裂紋等焊接缺陷;焊縫及母對表面無飛濺。

(5)鋯材管道高溫保護技術。

在連續焊接時，當鋯材管道溫度超過180℃時，立即用氬氣進行冷卻，降低升溫速度;當鋯材管道焊縫及HAZ將要超過300℃時，應停止施焊，并用無水酒精對焊縫邊緣鋯材進行降溫處理，如圖8所示。

圖8 無水酒精對焊縫邊緣鋯材進行降溫處理

5.4 焊接過程的控制

在焊接過程中，焊絲應始終處于保護氣體的保護區內，當熱的焊絲接觸到空氣時，應立即停止焊接并切除掉25 mm長的受污染焊絲端部，再繼續施焊。

在焊接過程中，發生鎢級碰觸焊絲或熔池時，應立即停止焊接，去除受污染的焊縫，修磨或更換鎢棒后再繼續施焊。

在焊接過程中，當焊道表面出現變色后應立即停止焊接，查明原因并采取相應措施，經檢驗合格后再進行焊接。

6 鋯材管道焊縫質量判定

(1)RT:焊接完后須經100%射線檢查，其質量等級不得低于II級;對不合格的焊縫進行返修，同一部位返修不得超過兩次，否則切除返工，重焊。

(2)PT:角焊縫進行100%著色滲透檢驗。

(3)外觀檢查:焊縫外表面不得有熔渣、裂紋、飛濺、氣孔、夾渣和弧坑等缺陷。表面呈明亮的銀白色，表面波紋細密，熱影響區單側不變色最小寬度大于10 mm，結果合格。

鋯材焊縫及HAZ表面顏色的判定，如表1、圖9所示。

表1 鋯材焊縫及HAZ表面顏色的判定

圖9 工程實體鋯材管道焊縫及HAZ表面質量