詹澤丞 楊夢(mèng)穎 陳 煒 王東勝

中國(guó)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(guò)程以濃硫酸為催化劑，并且合成反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生甲酸等有機(jī)酸，對(duì)設(shè)備及管道材料有極強(qiáng)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?yàn)殇啿脑谟袡C(jī)酸（醋酸、甲酸等）、無(wú)機(jī)酸（硫酸、硝酸等）、強(qiáng)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(dòng)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(jià)非常昂貴，又因其在高溫狀態(tài)下具有較強(qiáng)的活躍性，因此在制作過(guò)程中存在難點(diǎn)，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(chǎng)焊接為例，簡(jiǎn)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(chǎng)焊接應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)和參考價(jià)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(diǎn)1852±2.001℃，沸點(diǎn)4377℃，熱導(dǎo)率為0.18 W/（cm·K），化合價(jià)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(guò)程中，主要表現(xiàn)為[2]：

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

（2）在300℃時(shí)，Zr 與O2可反應(yīng)生成ZrO3；大約550℃以上，會(huì)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(huì)因吸收O2使得材料嚴(yán)重脆化；

（3）在400℃時(shí)，Zr 開始吸收N2；隨著溫度升高反應(yīng)越劇烈，600℃時(shí)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(shí)，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(guò)程中，環(huán)境中的O、H、N 及C 等元素在沒(méi)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(jī)械性能和耐腐蝕性能。因此，在焊接的熱循環(huán)過(guò)程中，如何做好敏感溫度區(qū)的氬氣保護(hù)，以及材料表面的清理，是整個(gè)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(wú)縫鋼管規(guī)格為10”（DN250），壁厚為4.5mm，材料牌號(hào)ASTM B658 R60702，制造標(biāo)準(zhǔn)ASMEB36.19M，其材料的化學(xué)成分和機(jī)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(hào)ASTM B493 R60702， 制造標(biāo)準(zhǔn)ASMEB16.5- 2017，其材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能分別如表3 和表4 所示。

表1 無(wú)縫鋼管材料的化學(xué)成分 %

表2 無(wú)縫鋼管材料的機(jī)械性能

表3 法蘭材料的化學(xué)成分 %

表4 法蘭材料的機(jī)械性能

2.2 焊接工機(jī)具及材料

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

（2）焊絲：采用鋯絲，規(guī)格φ2.4 mm×1000mm，牌號(hào)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(jī)、測(cè)溫槍、內(nèi)磨機(jī)、氣帶、海綿以及自制的冷卻水箱、拖罩（用于氬氣保護(hù)，圖1）等；

圖1 焊接時(shí)外部氬氣保護(hù)用拖罩實(shí)物圖

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

（5）現(xiàn)場(chǎng)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(wú)風(fēng)狀態(tài)。

3 鋯材管道焊接的焊前準(zhǔn)備

3.1 作業(yè)場(chǎng)地環(huán)境準(zhǔn)備

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

（2）鋯材管道焊接所在場(chǎng)地5m 內(nèi)，嚴(yán)禁進(jìn)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(duì)鋯材管道焊接過(guò)程中的材料污染；

（3）在施焊場(chǎng)地處，設(shè)置防風(fēng)棚，并做一定的擋風(fēng)措施。當(dāng)遇到風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，為避免焊接過(guò)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?qǐng)D紙并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的尺寸進(jìn)行，核對(duì)好材料的材質(zhì)、規(guī)格及尺寸等，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查員及技術(shù)管理人員的復(fù)核后進(jìn)行管道下料切割。

（2）切割時(shí)，建議采用機(jī)械切割，以保證鋯材管道材料尺寸的精準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)例中因材料規(guī)格較大，整體焊接量較小，采用磨光機(jī)對(duì)管道材料進(jìn)行下料切割。

（3）現(xiàn)場(chǎng)采用內(nèi)磨機(jī)及磨光機(jī)對(duì)鋯材無(wú)縫鋼管、管件及法蘭進(jìn)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(huì)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(duì)坡口表面及其邊緣50mm 范圍內(nèi)的區(qū)域使用內(nèi)磨機(jī)進(jìn)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(duì)內(nèi)磨機(jī)處理的地方再進(jìn)行清理；

（3）使用丙酮或者無(wú)水乙醇對(duì)清理之后的表面進(jìn)行清洗。

對(duì)清洗好的焊件采用防塵措施，并對(duì)坡口處進(jìn)行覆蓋保護(hù)，放置時(shí)間不得超過(guò)8h[3]。鋯材在焊接前，再一次對(duì)坡口及其邊緣20mm 處用丙酮或者無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗。同時(shí)，在焊接前也要對(duì)焊絲進(jìn)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(chǎng)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(guò)程中順利渡過(guò)敏感溫度區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道的施工清理，采用手工鎢極氬弧焊方法，并對(duì)管道的內(nèi)部進(jìn)行高純度氬氣的充氬保護(hù)。同時(shí)在焊接過(guò)程中，對(duì)管道外側(cè)焊接熔池的熱敏感區(qū)域使用自制拖罩進(jìn)行充氬保護(hù)。

4.2 焊接工藝

（1）焊接電流極性為直流正接，采用高頻啟動(dòng)；

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

（3）組對(duì)時(shí)采用點(diǎn)焊，電流范圍為120～140A，電壓范圍為14～16V；在進(jìn)行打底焊接時(shí)，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(jìn)行中間填充焊及蓋面焊時(shí)，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(hù)的氬氣流量為20～25 L/ min；

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

（6）使用塑料細(xì)管對(duì)焊炬的氬氣氣帶5m 區(qū)域進(jìn)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(shí)焊炬稍微向前傾斜，與管道軸線的夾角為80°～85°，采用直進(jìn)焊方式，焊炬做直線移動(dòng)，不要橫向擺動(dòng)；

（8）在焊接過(guò)程中，焊絲末端應(yīng)在保護(hù)氣體內(nèi)；

（9）在焊接前，焊炬處氬氣的送氣時(shí)間應(yīng)提前2min；在焊接后，焊炬處氬氣的送氣時(shí)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(duì)時(shí)嚴(yán)禁強(qiáng)力組對(duì)，使用木錘或者其他較軟材料的工具敲打。

（2）定位焊接時(shí)電流比正常焊接電流高10%～15%，且焊接焊縫的高度不能超過(guò)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(guò)渡，且在一側(cè)打底完成后，將焊點(diǎn)打磨干凈并重新對(duì)其進(jìn)行清理。

（4）在定位焊接過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)焊縫處存在裂紋、氣孔，以及因氬氣保護(hù)問(wèn)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(jìn)5～10s，且起弧之前是在管內(nèi)空間的充氬保護(hù)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(shí)，通過(guò)電流衰減來(lái)完成，并在氬氣保護(hù)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(shí)，管道內(nèi)部空間及拖罩處的氬氣繼續(xù)進(jìn)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(hù)

在連續(xù)焊接過(guò)程中，隨時(shí)用測(cè)溫槍對(duì)焊接處的熱影響區(qū)域及焊接熔池邊緣位置進(jìn)行溫度測(cè)量，監(jiān)控鋯材管道處的溫度。當(dāng)溫度超過(guò)180℃時(shí)，需立即用氬氣進(jìn)行冷卻，降低升溫速度。

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

6 鋯材管道焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)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(shí)，焊縫成形呈現(xiàn)細(xì)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(chǎng)焊縫實(shí)物圖片。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)焊縫實(shí)物圖片

焊縫色澤檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)如表6 所示。

表6 鋯材管道焊縫色澤檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)

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(guò)坡口邊緣的2mm 為合格；焊縫余高根據(jù)GB50683- 2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中的要求，管道母材壁厚≤6mm，余高≤2mm （其中I、II 級(jí)檢測(cè)等級(jí)為1.5mm）；6mm＜母材壁厚≤13mm，余高≤4mm（其中I 級(jí)檢測(cè)等級(jí)為1.5mm，II 級(jí)檢測(cè)等級(jí)為3mm）；13mm＜母材壁厚≤25mm，余高≤4mm（其中I、II 級(jí)檢測(cè)等級(jí)為3mm）；母材壁厚＞25mm，余高≤5mm（其中I 級(jí)檢測(cè)等級(jí)為3mm，II 級(jí)檢測(cè)等級(jí)為4mm）。圖4為現(xiàn)場(chǎng)鋯材管道焊縫的余高檢查。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)鋯材管道焊縫的余高檢查

6.2 焊縫質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)鋯材管道焊接接頭經(jīng)外觀檢查合格后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求并按照NB/ T 47013- 2015 的規(guī)定對(duì)管道焊縫再進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。其中對(duì)接焊縫采用100%RT 檢測(cè)，不得低于II 級(jí)合格；角焊縫采用100%PT 檢測(cè)，I 級(jí)合格。圖5 為現(xiàn)場(chǎng)鋯材管道焊縫的RT 部分檢測(cè)結(jié)果，焊縫符合I 級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 焊縫的RT 檢測(cè)底片（部分）

7 結(jié)論

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

（2）只要嚴(yán)格控制鋯材管道焊接工藝要求中的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)焊接過(guò)程做好高溫保護(hù)，最終會(huì)得到優(yōu)質(zhì)的鋯材管道焊縫；

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