锆材(Zr702)焊接

摘要：江苏索普（集团）60万吨/年醋酸三期工程由于工艺介质腐蚀性较强，在生产中使用了较多的耐腐蚀性较强的锆材，且锆材管道的规格有21种，壁厚等级有SCH10S,SCH40S,SCH80S三个等级，焊接条件各不相同，所以锆材的焊接情况将直接关系到装置的稳定生产。本文将主要介绍锆材的特性，锆材的焊接及锆材焊接过程中的技术进步。关键词：锆材，焊接，技术进步1引言1.1锆材介绍锆是化学元素周期表第Ⅳ-B族元素，锆及锆合金是一种银色稀有金属，它具有熔点高（1850℃），密度适中（6.5g/cm3），良好的强度及塑性匹配。锆与钛一样在诸多酸碱介质中表现出优良的耐蚀性能，因此锆和锆合金也是一种优秀的化工耐蚀结构材料。锆和高合金的加工材共有5种牌号，它们中的每一种都具有优良的耐蚀性能，这几种牌号材料的物理和力学性能仅有略微的差别，在化工中广泛应用的主要是Zr702和Zr705两种，其中Zr702是工业纯锆，它是95.5-99.2%的锆和铪组成，其中铪的最大含量为4.5%，Zr705是含有2.5%铌的锆合金。江苏索普（集团）60万吨/年醋酸三期工程使用的是牌号为Zr702的工业纯锆。1.2锆材在醋酸生产过程中的应用甲醇羰基化醋酸工艺技术是当今国际上先进的醋酸生产技术，该技术在国内开发的较迟，但由于其原料来源于煤，符合我国煤多油少的资源优势，且成本较其它工艺方法低，目前已成为国内醋酸生产的方向。由于工艺介质腐蚀性较强，在装置中使用了较多的锆和哈氏合金材料，这些耐蚀材料的腐蚀情况将直接关系到装置的稳定生产和国内醋酸工业的发展。锆在醋酸生产中的主要用于生产化工设备包括换热器、冷凝器、汽提塔、反应容器、泵、阀门及管道。锆的耐腐蚀特性能够大大延长设备及管道的使用寿命，进而降低维修费用，并且将生产停产时间最短化。江苏索普（集团）有限公司是国内最先开发使用该醋酸工艺的公司，其装置自1998年运行以来，至今已有12个年头,效果较好。在江苏索普（集团）有限公司醋酸三期装置中使用的锆材管道口径从1寸至38寸共有21种，壁厚等级有SCH10S,SCH40S,SCH80S三个等级，该装置中所用的锆材在使用中出现的问题具有一定的代表性，可以总体代表锆材在国内醋酸工业中的使用情况。1.3锆材的焊接特性1、锆的熔点高于钛，密度比钛大，而比热比钛小，因此焊接时热输入比钛略大。2、锆的热导率比钛略大，但比铁小的多，与奥氏体不锈钢接近，属导热性较差的材料。在高温下，锆易与02，N2，H2反应，与氢气在200℃可生成ZrH2，在大约3l5℃的氢气中，锆会吸收H而导致氢脆，与氧气在300℃可生成ZrO3，在大约550℃以上，与空气中的氧气反应生成脆性氧化膜，在700℃以上，锆吸收氧气而使材料严重脆化；在600℃锆吸收氮气而生成ZrN，为避免焊接区域长时间高温停留造成的不利影响，应采用小的焊接参数。3、锆的膨胀系数比钛小，比其它材料更低得多，焊接时变形小，应力会降低，利于焊接。4、锆的焊接时产生裂纹的倾向很小，可以采用多种焊接方法，其中氩弧焊是比较经济的方法，关键是保护。2、锆材焊接要求2.1焊工和焊接工艺评定:1、焊工应经过专门培训,只有经过评定合格的焊工才能在合格的项目范围内进行焊接操作，焊接作业遵照焊接工艺卡（附页）进行。2、焊接工艺应按照中焊接工艺指导书及焊接工艺评定报告（附页）进行指导和评定。2.2焊接方法及填充金属锆材的焊接采用钨极氩弧焊，锆材管子和管件焊接用焊丝按ANSI/AWSA5.24中规定的ERZr2，薄壁（壁厚小于6.02毫米）管道采用焊丝直径为φ=2.4mm，厚壁（壁厚大于等于6.02毫米）管道采用焊丝直径为φ=3.2mm。2.3焊接保护气体及电极选择1、焊接用保护气体为纯氩，锆材焊接时用氩气纯度应达到99.999%。当瓶装氩气压力低于0.978Mpa时,应停止使用。2、电极可选用铈钨棒或钍钨棒，用前应磨成平底锥形。2.4焊接环境要求1、焊接场所应保持清洁、干燥。2、当环境温度低于5℃时，应采取必要的措施，使环境温度超过5℃时才能进行施焊。3、焊接场所严禁有黑色金属焊接、切割、打磨等加工。4、现场焊接时，应有防风、防雨雪措施，当风速大于0.5m/S或相对湿度大于90%时,禁止施焊。2.5焊接工艺要求1、钨极氩弧焊电源采用直流正接。2、焊接应尽可能地在平焊位置进行，如需立焊时，应从下向上进行焊接。3、当母材温度低于15℃时，应对母材进行预热，预热温度为18℃以上。焊接层间温度应控制在100℃以下。4、钨极氩弧焊采用高频引弧和衰减电流熄弧措施。注意起弧和收弧处质量,收弧时应将弧坑填满.多层焊的层间接头应错开。3、锆材焊接准备3.1焊接坡口准备1、坡口应采用机械加工的方法完成，当无法采用机械加工时可使用锉刀手工打磨。2、当采用热切割方法预先加工时，随后必须用机械方法、人工锉刀打磨除去坡口边缘的污染层，使得坡口表面平整光滑，无毛刺、凹坑、砂粒、污染层等缺陷。热切割时应防止火花飞溅到附近的母材表面上。同时应跟据现场条件尽量减少对锆材管道的热作业。3、加工坡口所用的工具应保持干净且专门用于锆材施工。图示为机械切割锆材管道图示为机械加工锆材管道坡口图示为手工打磨锆材管件坡口图示为手工打磨锆材管件坡口3.2焊件、焊材清理1、坡口两侧各25mm以内的内外表面均应用不锈钢丝刷或者锉刀除去氧化膜。2、坡口表面及两侧各至少75mm内外表面上均应用合适的溶剂(无水酒精、工业纯丙酮）清除油脂、水分、灰尘等杂物。用溶剂时应使用干净的丝绸布，不得使用毛巾、棉纱等。3、清理好的焊件应立即焊接或对待焊区域采取防尘措施。焊件置放时间不宜超过8小时，否则应再次清理。锆焊件临焊之前用溶剂对坡口再清洗一遍。4、填充焊丝用前必须用溶剂清除其表面上油脂、残留润滑剂和灰尘等污物，并置于干净的场所保存。3.3焊口组对与定位焊焊缝①管子、管件组对按GB50235-97标准中第6.2和6.3条进行,不允许强力组装，严禁锤击或划伤材料表面，不允许用熔衬垫环。②管子、管件对点固焊的工艺措施及焊接材料应与正式焊接一致，点焊高度不得超过管壁厚的2/3。定位焊的焊肉不得有裂纹、气孔及不允许存在的氧化变色等缺陷，否则应打磨消除。4、锆材焊接1、为防止受空气污染，焊接时必须采用有效的气体保护措施，直至金属温度小于300℃为止。2、保护装置结构和尺寸应根据接头形式和尺寸确定，用导热性能交好的材料制成，形状宜与焊件边缘相似，能够贴近焊件表面。3、应用独立的气路提供各区域的保护气体，保护气应保持均匀、非紊流并不相互干扰。气路中应没有残留水分和任何泄漏，氩气输送管道宜采用塑料软管，不允许采用橡胶管或其它吸潮材料的管子。4、引弧前，喷嘴及正反面保护装置应提前供气，并足以排除气路及保护装置内空气和吸附的潮气。背面提前通气量推荐为10倍所需排除的空气体积。熄弧后，喷嘴及正反保护装置应继续通气，直到焊区金属冷却到300℃以下为止。5、焊接过程中，焊丝加热端应始终保持在氩气保护区内，如接触空气则应切除焊丝端至少25mm。6、手工焊时应保持焊丝均速送进，避免焊枪横向摆动。7、当焊道表面出现变色时，应立即停止焊接，查明原因，采取措施，并经检验合格后方可进行焊接。轻微的表面变色应用不锈钢丝刷清除，对污染严重的焊缝必须铲除干净，并进行必要的修复，方可进行下一步的焊接工作。8、焊接过程中，应保持焊接用具、人员衣着干净。9、焊接过程中，若钨极碰撞熔池或焊丝则应停止焊接，铲除污染的焊肉,磨修或更换电极。5、焊后检查焊接锆材时,检验员应检查每层焊道表面颜色。焊道表面应是银白色，完工的焊缝内外表面允许有淡黄色或金黄色存在，但必须用不锈钢丝刷去除掉。如果出现更深的表面变色，则认为所采取的保护措施或工艺不当，应采用合适的方法除去受污染的焊肉和临近的母材金属，并进行必要的修复。1、焊后必须进行外观检查。焊缝外形尺寸和表面质量应符合GB50236-98第11条的要求，不低于Ⅰ级标准。2、焊后对焊缝正反两表面必须进行100%液体渗透探伤检查；如果背面不能接近则打底焊道焊接时必须采取措施，使背面焊透。液体渗透探伤方法和标准按JB/T4730-2005。3、对焊焊缝焊后应进行100%X射线检查，射线探伤方法和标准按JB/T4730-2005执行，焊缝质量不低于Ⅱ级。6、锆材焊接工艺改进锆材管道焊接过程中，保证焊接质量的重要因素在于充分的氩气保护和及时的散热，通过对江苏索普（集团）有限公司二期醋酸工程的施工，为我们对锆材的焊接积累了丰富的经验，此次对江苏索普（集团）有限公司醋酸三期工程锆材管道的施工，我们充分利用了先前积累的经验，并在此基础上对锆材管道的焊接工艺进行了改进,主要表现在以下几个方面：6.1改进管道焊接气体保护罩在江苏索普（集团）有限公司二期醋酸工程锆材管道施工经验的基础上，我们的施工人员凝结自己的智慧对管道焊接气体保护罩进行了改进，改进后的保护罩安装简便，大大提高了工作效率，减少了氩气的使用，同时保证了焊接操作的灵活性及焊接质量。醋酸二期锆材焊接的气体保护罩主要有两种形式：一、两寸以下的焊口采用全罩保护。二、两寸以上的焊口采用托罩保护。托罩可以固定在焊枪上，也可以专人配合跟随焊枪移动，但此种方法易造成托罩走偏、后翘或因配合不好使枪罩脱节。不但影响焊缝保护效果造成焊接质量下降，而且浪费得氩气也较多。醋酸三期的施工中，我们总结了二期的经验和不足，在保护罩上开发思路，并对其进行了改进。一、6寸以下的焊口均采用全罩保护。二、6寸以上的保护罩是在原有托罩型式上面剖开一个长条孔，开孔尺寸以不影响焊枪在罩内操作为准而尽量窄，以便将焊接过程中的氩气泄露减至最小。保护罩内部直径8mm的导气铜管由原来的单管改成U型管，并在上面每隔1厘米钻上一个2毫米的孔洞以利于罩内充气均匀。焊接时把保护罩用高温胶带固定在焊缝上，罩上面的开口处用两条高温胶带密封，两条高温胶带随着焊枪的移动一个打开、一个封闭。使焊接熔池和焊缝高温区完全受到氩气的保护。罩外区域涂抹无水酒精配合降温。这样不但大大减少了氩气的浪费，而且提高了焊缝的焊接质量，同时操作起来也更加方便，焊接速度也大大提高。醋酸二期锆材管道达因数约为3896个，管道壁厚在2.77mm至4.78mm之间，氩气用量大约为4998立方米，每个达因平均用气量大约为1.28立方米。醋酸三期锆材管道的达因数达到了9824个之多，管道壁厚在2.77mm至4.78mm之间的达因数量有4575个，每个达因平均用气量大约为1.07立方米，管道壁厚在4.78mm至12.7mm之间的达因数量有5249个，每个达因平均用气量大约为2.14立方米，相较之下醋酸三期每个达因要比醋酸二期节省氩气用量如下：0.21立方米（壁厚在2.77mm至4.78mm之间）；0.4立方米（壁厚在4.78mm至12.7mm之间）。因此工程完毕将减少氩气用量约为3060.35立方米。图示为醋酸二期锆材焊接气体保护罩（2寸以上）图示为醋酸三期锆材焊接气体保护罩（6寸以下）图示为醋酸三期锆材焊接气体保护罩（6寸以上）图示为醋酸三期12寸锆材管道焊接图示为醋酸三期12寸锆材管道焊接6.2椭圆管道修正器江苏索普（集团）有限公司三期醋酸工程到货10寸以上锆材管道均为焊接管道，由于交货时间仓促，部分管道端口呈椭圆状，严重影响了管道的焊接质量，考虑到紧张的工期，不可能再将管道退回原厂返修，为了不影响工期，我们的工人自己加工制作出了管道修正器，操作简单，实用，效率高。图示为管道修正器图示为管道修正器6.3方便快捷的焊口冷却锆材的性质活泼在300℃以上就能与空气中的氧气和氮气发生反应，因此锆材管道的焊接重点就是保护和降温，方便快捷的降温是焊接质量的一个保证，同时也要节省开支减少降温用的酒精的浪费，这时我们的施工人员就想到了市面上卖的浇花用的白色的小喷壶，装上酒精，加上压，冷却管道焊口方便快捷。图示为锆材管道焊缝冷却（无水酒精）图示为锆材管道焊缝