專利名稱：一種鋯管道現(xiàn)場焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接工藝，具體涉及一種鋯管道現(xiàn)場焊接工藝。

背景技術(shù)：
隨著我國能源項目的不斷開發(fā)，民用化工中醋酸工程在西部發(fā)展較快；在榆林醋酸項目中鋯管道作為工程重點，鋯材焊接就成為關(guān)鍵。
鋯作為一種活潑性很強的貴重金屬，在核能、航空航天等國家戰(zhàn)略行業(yè)應(yīng)用較多，化工裝置主要應(yīng)用其優(yōu)異的耐腐蝕性。
鋯是位于元素周期表第IVA副族元素，與金屬鈦相似；室溫下，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格金屬，為α-Zr結(jié)構(gòu)，其綜合性能良好，加熱、冷卻過程有相變。室溫下力學性能抗拉強度380MPa，屈服強度205MPa伸長率16％，相對鈦及鈦合金其塑性、韌性較差。鋯也屬于鈍化型金屬，其生成的致密鈍化膜能耐大多數(shù)有機酸、無機酸、強堿、熔融鹽、高溫水及液態(tài)金屬的腐蝕，常壓沸點溫度以下，對所有濃度的鹽酸有優(yōu)異的耐腐蝕性，但不能抵御氫氟酸的侵蝕。鋯材是反應(yīng)堆工程中常用材料，近年來由于其優(yōu)良的耐酸性，民用化工工程也被廣泛采用，但由于鋯金屬焊接的極易氧化性，給其結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)帶來了困難，尤其是化工工藝管道的現(xiàn)場安裝，防止焊接接頭的氧化需要采取特殊的保護措施和焊接工藝才能夠達到目的。
鋯的化學活性很高，與鈦相似，對環(huán)境氣體中的C、O、H、N等氣體都有很強的親和力。不僅使焊縫的塑性和韌性明顯變差，還會使焊接接頭抗腐蝕性下降，尤其是氮和碳應(yīng)嚴格控制；加熱到200℃、300℃、400℃時分別與氧、氫、氮開始反應(yīng)。另外，其比較低的比熱0.28(J/g.K)和熱導(dǎo)率0.18(W/cm.K)延長了接頭熱影響區(qū)與氫、氧、氮反應(yīng)時間，接頭溶解少量氫、氧、氮硬度強度提高明顯，塑性、韌性急劇下降。在高溫下還會與碳和碳化物及鐵離子起反應(yīng)，而增加脆性。氫還能夠使焊縫產(chǎn)生裂紋，并隨時間推移持續(xù)破裂。另一方面鋯的線膨脹系數(shù)低5.8×10-6(1/℃)和彈性模量小，有益于控制焊接變形，焊后殘余應(yīng)力??；焊接時熔池的流動性好，熔池可控性良好，不易產(chǎn)生夾渣、未熔合等缺陷，易于焊接操作；采用氬弧焊，等離子焊，電子束焊等方法均可實現(xiàn)焊接。因此鋯管道焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能取決于對氫、氧、氮、碳、鐵離子等浸入母材金屬量的控制，采取什么樣的保護措施、如何控制焊接熔池溫度是接頭質(zhì)量的關(guān)鍵，合理的保護措施及恰當?shù)暮附硬僮魇谦@得滿意焊接接頭性能的保障。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種鋯管道現(xiàn)場焊接工藝，能有效的防止焊縫及熱影響區(qū)金屬受大氣污染，并在施工現(xiàn)場條件下，能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種鋯管道現(xiàn)場焊接工藝，依次包括下述步驟 (1)焊件的預(yù)處理 選擇50～55°小于標準值的坡口形式，焊前先對焊件焊接部位采用機械方法去其表面的氧化膜，然后用3-7重量份HF+40-50重量份HNO2+50重量份水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將焊件烘干后開始焊接； (2)焊接過程的保護 焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護，管內(nèi)壁保護時應(yīng)在通氣數(shù)秒后開始焊接，整個焊接過始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后撤掉保護，正面保護采用移動式保護拖罩； 上述過程中，焊接工藝參數(shù)的選擇及控制為 焊接時焊接熱輸入控制在0.8-1.5KJ/mm，控制層間溫度小于150℃。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點和效果如下 1、本發(fā)明研究了鋯材在一般自然環(huán)境下的焊接特性。鋯具有很好的抗腐蝕性，但是由于其化學性能活潑，在中溫條件下即可與環(huán)境氣體中的C、O、H、N等發(fā)生化學反應(yīng)，其化合物直接影響焊縫性能。鋯材焊接對環(huán)境的要求十分苛刻，理想狀態(tài)是在真空或純惰性氣體空間內(nèi)進行。由于其焊接不易操作，直接限制了它的使用范圍，國內(nèi)還沒鋯材焊接標準。本焊接工藝在參照ASME標準的基礎(chǔ)上，通過多次實驗、分析、檢驗，結(jié)果其焊接接頭的力學性能滿足并超過了ASME標準的要求。
2、本發(fā)明安全、可靠，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
3、本發(fā)明經(jīng)濟、社會效益可觀，值得在同行業(yè)推廣。

具體實施例方式 1.焊接方法 焊接方法采用非熔化極氬弧焊，為了能夠有效地控制熔池溫度，降低焊接區(qū)域的溫度，充分利用焊機脈沖可調(diào)性好，調(diào)節(jié)范圍寬的性能選擇參數(shù)，實現(xiàn)小熔池快速焊的目的。
2、焊接設(shè)備 焊接設(shè)備為進口TETRIX421多功能脈沖氬弧焊機和國產(chǎn)Nebula500多功能數(shù)字焊機，都具備高頻脈沖引弧、熄弧、電流衰減、提前送氣、延時停氣、脈沖頻率及時間的調(diào)節(jié)等程序功能。
3、材料 試驗管材采用了ASME SB551-2004標準中的三種規(guī)格的板卷制焊管和無縫管，分別是

化學成分、力學性能見表1、表2 表1化學成分
表2力學性能
試驗焊絲采用ASME SFA-5-24標準氬弧焊絲，規(guī)格、化學成分見表3 表3焊絲化學成分
選擇坡口形式時考慮到隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計吸氣量增加，導(dǎo)至影響焊接接頭性能的可能性，本著盡量減少焊接層數(shù)、降低熱輸入的原則，選擇了50～55°小于標準值的坡口形式。焊前對焊件待焊接部位機械方法去除其表面的氧化膜，后用(3-7％)HF+(40-50％)HNO2+50％水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將水烘干后可開始焊接。施焊位置為轉(zhuǎn)動平位置焊接，單面焊雙面成型。
4、焊接過程的保護 針對鋯焊接易氧化的特性，結(jié)合產(chǎn)品特征，設(shè)計選用了不同的保護工裝(例如根據(jù)管徑不同，分別采用全保護和局部保護方式，既便于操作，又節(jié)約成本)；通過內(nèi)、外保護工裝及焊槍，使焊接接頭得到了良好的保護；合適的工裝有效防止了接頭中、高溫區(qū)域的氧化，通過保護氣和內(nèi)、外及焊槍保護氣的統(tǒng)一合理調(diào)配，滿足了鋯材焊接的要求。焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護，管內(nèi)壁保護時應(yīng)在通氣數(shù)秒后開始焊接，整個焊接過始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后才可撤掉保護。正面保護采用移動式保護拖罩，拖罩的制作要求要能夠在焊接過程中始終保護150℃范圍的金屬受到高純氬的保護。
5、焊接工藝參數(shù)的選擇及控制 鋯金屬熔點較高(1845℃)劃類為難熔金屬，應(yīng)當選用較大的規(guī)范，但由于鋯金屬低的比熱和熱導(dǎo)率，焊接過程中熱量損失少，采用過高的熱輸入，工件的冷卻速度過慢，焊接影響區(qū)增寬，高溫狀態(tài)下接頭的氧化敏感性增加，焊接接頭的塑性指標和抗腐蝕性能降低。因此，保證焊接接頭良好的塑性性能和抗腐蝕性，控制熱輸入是一個重要的方面，焊接試驗時焊接熱輸入控制在0.8-1.5KJ/mm，控制層間溫度不能超過150℃，主要工藝參數(shù)見表4 表4鎢極氬弧焊主要工藝參數(shù) 6、工藝試驗結(jié)果分析 焊接工藝試驗評定采用ASME第IX卷及ASME B31.3標準，各項性能試驗按照標準要求進行，通過對鋯材的物理性能特點的了解，基本確認鋯材物理特性的變化主要受金屬高溫狀態(tài)下氧化程度的影響，除了從焊后外觀顏色上判斷氧化程度外，接頭的強度、彎曲塑性指標也反映材料的氧化程度，基于這一點在ASME標準中僅規(guī)定了工藝評定合格的指標是以拉伸強度和彎曲角度為判斷依據(jù)，通過對幾組保護效果不同試件進行的物理試驗，表現(xiàn)出了明顯的性能變化各組力學性能試驗結(jié)果見表5、表6 表5企業(yè)試驗標準力學性能測試值
表6ASME標準力學性能測試值
從表5幾組式樣的力學指標能夠看出無論接頭表面是否呈現(xiàn)出氧化其強度指標都滿足標準要求，且反映出隨著接頭氧化程度的增加，其強度值明顯增高的趨勢，符合鋯金屬隨金屬含氧量的增加強度增加的特性。同時試驗數(shù)據(jù)也反映焊接接頭的氧化程度與彎曲值(塑性)有明顯的因果關(guān)系，氧化程度嚴重，彎曲拉伸面開裂的程度也越嚴重，直至失去塑性，另一方面雖然8t彎軸直徑其彎曲拉伸面纖維延伸率已明顯大于母材標準值16％，但是當金屬表面呈銀白色的最佳保護效果時，同樣可以獲得無缺陷的彎曲合格指標。
從表6能夠看出當采用不大于鋯金屬許用的延伸率16％即ASME標準規(guī)定的10彎軸直徑試驗時，同樣的試件盡管存在輕微的氧化，但仍能滿足試驗對材料塑性的要求。
兩種試驗條件都能夠反映出鋯材焊接接頭力學試驗不僅可以測定出焊接接頭受熱影響后的力學性能變化，同時也能夠檢驗焊接接頭受氫、氧、氮、碳及鐵離子侵蝕的影響。
7、結(jié)論 (1)了解了鋯金屬的性能特點和焊接特性，做好焊接前對工件的各項預(yù)處理工作，采取嚴格有效的保護措施和恰當焊接工藝參數(shù)，是保證獲得優(yōu)良焊接接頭的關(guān)鍵。
(2)焊后通過對焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的判斷，能夠準確的判定焊接過程的保護效果，從而判定焊接接頭的綜合性能。鋯金屬焊后氧化程度判定見表7 表7焊縫表面顏色質(zhì)量評判標準 (3)目前國內(nèi)還沒有關(guān)于鋯合金化工管道工藝評定標準及針對鋯材抗腐蝕性的試驗標準，ASME標準也未規(guī)定抗腐蝕試驗的要求，由于鋯材焊接接頭的抗腐蝕性能完全取決于焊接加工過程中母材受氫、氧、氮、碳及鐵離子侵蝕的程度，因此通過增加彎曲試驗的苛刻性，反映焊接接頭的韌性的同時，也能間接的體現(xiàn)接頭的氧化程度。
權(quán)利要求
1.一種鋯管道現(xiàn)場焊接工藝，其特征在于
(1)焊件的預(yù)處理
選擇50～55°小于標準值的坡口形式，焊前先對焊件焊接部位機械方法去除其表面的氧化膜，后用3-7重量份HF+40-50重量份HNO2+50重量份水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將水烘干后開始焊接；
(2)焊接過程的保護
焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護，管內(nèi)壁保護時應(yīng)在通氣數(shù)秒后開始焊接，整個焊接過始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后撤掉保護，正面保護采用移動式保護拖罩；
(3)焊接工藝參數(shù)的選擇及控制
焊接時焊接熱輸入控制在0.8-1.5KJ/mm，控制層間溫度小于150℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋯管道現(xiàn)場焊接工藝，其能有效的防止焊縫及熱影響區(qū)金屬受大氣污染；在施工現(xiàn)場條件下，能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為(1)焊件的預(yù)處理選擇50～55°小于標準值的坡口形式，焊前先對焊件焊接部位機械方法去除其表面的氧化膜，再用3-7重量份HF+40-50重量份HNO2+50重量份水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將水烘干后開始焊接；(2)焊接過程的保護焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護，管內(nèi)壁保護時應(yīng)在通氣數(shù)秒后開始焊接，整個焊接過始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后撤掉保護，正面保護采用移動式保護拖罩。
文檔編號B23K9/095GK101758324SQ20091021893
公開日2010年6月30日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者龔固, 趙浩, 袁黎明, 李麗紅, 張來民, 黃明發(fā), 陳慶方, 邸亞秋, 宋華 申請人:陜西化建工程有限責任公司