鋯材（Zr702）焊接摘

要：江蘇索普（集團）60萬噸/年醋酸三期工程由于工藝介質腐蝕性較強，在生產中使用了較多的耐腐蝕性較強的鋯材，且鋯材管道的規格有21種，壁厚等級有SCH10S,SCH40S,SCH80S三個等級，焊接條件各不相同，所以鋯材的焊接情況將直接關系到裝置的穩定生產。本文將主要介紹鋯材的特性，鋯材的焊接及鋯材焊接過程中的技術進步。關鍵詞：鋯材，焊接，技術進步1建筑相關鋯材（Zr702）焊接摘要：江蘇索普（集團）60萬噸/1引言1.1鋯材介紹鋯是化學元素周期表第Ⅳ-B族元素，鋯及鋯合金是一種銀色稀有金屬，它具有熔點高（1850℃），密度適中（6.5g/cm3），良好的強度及塑性匹配。鋯與鈦一樣在諸多酸堿介質中表現出優良的耐蝕性能，因此鋯和鋯合金也是一種優秀的化工耐蝕結構材料。2建筑相關1引言2建筑相關

鋯和高合金的加工材共有5種牌號，它們中的每一種都具有優良的耐蝕性能，這幾種牌號材料的物理和力學性能僅有略微的差別，在化工中廣泛應用的主要是Zr702和Zr705兩種，其中Zr702是工業純鋯，它是95.5-99.2%的鋯和鉿組成，其中鉿的最大含量為4.5%，Zr705是含有2.5%鈮的鋯合金。江蘇索普（集團）60萬噸/年醋酸三期工程使用的是牌號為Zr702的工業純鋯。3建筑相關鋯和高合金的加工材共有5種牌號，它們中的每一種都具有優良的1.2鋯材在醋酸生產過程中的應用甲醇羰基化醋酸工藝技術是當今國際上先進的醋酸生產技術，該技術在國內開發的較遲，但由于其原料來源于煤，符合我國煤多油少的資源優勢，且成本較其它工藝方法低，目前已成為國內醋酸生產的方向。由于工藝介質腐蝕性較強，在裝置中使用了較多的鋯和哈氏合金材料，這些耐蝕材料的腐蝕情況將直接關系到裝置的穩定生產和國內醋酸工業的發展。4建筑相關1.2鋯材在醋酸生產過程中的應用4建筑相關鋯在醋酸生產中的主要用于生產化工設備包括換熱器、冷凝器、汽提塔、反應容器、泵、閥門及管道。鋯的耐腐蝕特性能夠大大延長設備及管道的使用壽命，進而降低維修費用，并且將生產停產時間最短化。

5建筑相關鋯在醋酸生產中的主要用于生產化工設備包括換熱器、冷凝器、汽提

江蘇索普（集團）有限公司是國內最先開發使用該醋酸工藝的公司，其裝置自1998年運行以來，至今已有12個年頭,效果較好。在江蘇索普（集團）有限公司醋酸三期裝置中使用的鋯材管道口徑從1寸至38寸共有21種，壁厚等級有SCH10S,SCH40S,SCH80S三個等級，該裝置中所用的鋯材在使用中出現的問題具有一定的代表性，可以總體代表鋯材在國內醋酸工業中的使用情況。6建筑相關江蘇索普（集團）有限公司是國內最先開發使用該醋酸工藝的公司1.3鋯材的焊接特性1、鋯的熔點高于鈦，密度比鈦大，而比熱比鈦小，因此焊接時熱輸入比鈦略大。

7建筑相關1.3鋯材的焊接特性7建筑相關2、鋯的熱導率比鈦略大，但比鐵小的多，與奧氏體不銹鋼接近，屬導熱性較差的材料。在高溫下，鋯易與02，N2，H2反應，與氫氣在200℃可生成ZrH2

，在大約3l5℃的氫氣中，鋯會吸收H而導致氫脆，與氧氣在300℃可生成ZrO3，在大約550℃以上，與空氣中的氧氣反應生成脆性氧化膜，在700℃以上，鋯吸收氧氣而使材料嚴重脆化；在600℃鋯吸收氮氣而生成ZrN，為避免焊接區域長時間高溫停留造成的不利影響，應采用小的焊接參數。8建筑相關2、鋯的熱導率比鈦略大，但比鐵小的多，與奧氏體不銹鋼接近，屬3、鋯的膨脹系數比鈦小，比其它材料更低得多，焊接時變形小，應力會降低，利于焊接。4、鋯的焊接時產生裂紋的傾向很小，可以采用多種焊接方法，其中氬弧焊是比較經濟的方法，關鍵是保護。9建筑相關3、鋯的膨脹系數比鈦小，比其它材料更低得多，焊接時變形小2、鋯材焊接要求2.1焊工和焊接工藝評定:1、焊工應經過專門培訓,只有經過評定合格的焊工才能在合格的項目范圍內進行焊接操作，焊接作業遵照焊接工藝卡（附頁）進行。2、焊接工藝應按照中焊接工藝指導書及焊接工藝評定報告（附頁）進行指導和評定。10建筑相關2、鋯材焊接要求10建筑相關2.2焊接方法及填充金屬鋯材的焊接采用鎢極氬弧焊，鋯材管子和管件焊接用焊絲按ANSI/AWSA5.24中規定的ERZr2，薄壁（壁厚小于6.02毫米）管道采用焊絲直徑為φ=2.4mm，厚壁（壁厚大于等于6.02毫米）管道采用焊絲直徑為φ=3.2mm。11建筑相關2.2焊接方法及填充金屬11建筑相關2.3焊接保護氣體及電極選擇1、焊接用保護氣體為純氬，鋯材焊接時用氬氣純度應達到99.999%。當瓶裝氬氣壓力低于0.978Mpa時,應停止使用。2、電極可選用鈰鎢棒或釷鎢棒，用前應磨成平底錐形。12建筑相關2.3焊接保護氣體及電極選擇12建筑相關2.4焊接環境要求1、焊接場所應保持清潔、干燥。2、當環境溫度低于5℃時，應采取必要的措施，使環境溫度超過5℃時才能進行施焊。3、焊接場所嚴禁有黑色金屬焊接、切割、打磨等加工。4、現場焊接時，應有防風、防雨雪措施，當風速大于0.5m/S或相對濕度大于90%時,禁止施焊。13建筑相關2.4焊接環境要求13建筑相關2.5焊接工藝要求1、鎢極氬弧焊電源采用直流正接。2、焊接應盡可能地在平焊位置進行，如需立焊時，應從下向上進行焊接。3、當母材溫度低于15℃時，應對母材進行預熱，預熱溫度為18℃以上。焊接層間溫度應控制在100℃以下。4、鎢極氬弧焊采用高頻引弧和衰減電流熄弧措施。注意起弧和收弧處質量,收弧時應將弧坑填滿.多層焊的層間接頭應錯開。14建筑相關2.5焊接工藝要求14建筑相關3、鋯材焊接準備3.1焊接坡口準備1、坡口應采用機械加工的方法完成，當無法采用機械加工時可使用銼刀手工打磨。2、當采用熱切割方法預先加工時，隨后必須用機械方法、人工銼刀打磨除去坡口邊緣的污染層，使得坡口表面平整光滑，無毛刺、凹坑、砂粒、污染層等缺陷。熱切割時應防止火花飛濺到附近的母材表面上。同時應跟據現場條件盡量減少對鋯材管道的熱作業。3、加工坡口所用的工具應保持干凈且專門用于鋯材施工。15建筑相關3、鋯材焊接準備15建筑相關圖示為機械切割鋯材管道16建筑相關16建筑相關圖示為機械加工鋯材管道坡口17建筑相關17建筑相關圖示為手工打磨鋯材管件坡口18建筑相關18建筑相關圖示為手工打磨鋯材管件坡口19建筑相關19建筑相關3.2焊件、焊材清理1、坡口兩側各25mm以內的內外表面均應用不銹鋼絲刷或者銼刀除去氧化膜。2、坡口表面及兩側各至少75mm內外表面上均應用合適的溶劑(無水酒精、工業純丙酮）清除油脂、水分、灰塵等雜物。用溶劑時應使用干凈的絲綢布，不得使用毛巾、棉紗等。20建筑相關3.2焊件、焊材清理20建筑相關3、清理好的焊件應立即焊接或對待焊區域采取防塵措施。焊件置放時間不宜超過8小時，否則應再次清理。鋯焊件臨焊之前用溶劑對坡口再清洗一遍。4、填充焊絲用前必須用溶劑清除其表面上油脂、殘留潤滑劑和灰塵等污物，并置于干凈的場所保存。21建筑相關3、清理好的焊件應立即焊接或對待焊區域采取防塵措施。焊件置放3.3焊口組對與定位焊焊縫①管子、管件組對按GB50235-97標準中第6.2和6.3條進行,不允許強力組裝，嚴禁錘擊或劃傷材料表面，不允許用熔襯墊環。②管子、管件對點固焊的工藝措施及焊接材料應與正式焊接一致，點焊高度不得超過管壁厚的2/3。定位焊的焊肉不得有裂紋、氣孔及不允許存在的氧化變色等缺陷，否則應打磨消除。22建筑相關3.3焊口組對與定位焊焊縫22建筑相關4、鋯材焊接1、為防止受空氣污染，焊接時必須采用有效的氣體保護措施，直至金屬溫度小于300℃為止。2、保護裝置結構和尺寸應根據接頭形式和尺寸確定，用導熱性能交好的材料制成，形狀宜與焊件邊緣相似，能夠貼近焊件表面。23建筑相關4、鋯材焊接23建筑相關3、應用獨立的氣路提供各區域的保護氣體，保護氣應保持均勻、非紊流并不相互干擾。氣路中應沒有殘留水分和任何泄漏，氬氣輸送管道宜采用塑料軟管，不允許采用橡膠管或其它吸潮材料的管子。24建筑相關3、應用獨立的氣路提供各區域的保護氣體，保護氣應保持均勻、非4、引弧前，噴嘴及正反面保護裝置應提前供氣，并足以排除氣路及保護裝置內空氣和吸附的潮氣。背面提前通氣量推薦為10倍所需排除的空氣體積。熄弧后，噴嘴及正反保護裝置應繼續通氣，直到焊區金屬冷卻到300℃以下為止。25建筑相關4、引弧前，噴嘴及正反面保護裝置應提前供氣，并足以排除氣路及5、焊接過程中，焊絲加熱端應始終保持在氬氣保護區內，如接觸空氣則應切除焊絲端至少25mm。6、手工焊時應保持焊絲均速送進，避免焊槍橫向擺動。26建筑相關5、焊接過程中，焊絲加熱端應始終保持在氬氣保護區內，如接觸空7、當焊道表面出現變色時，應立即停止焊接，查明原因，采取措施，并經檢驗合格后方可進行焊接。輕微的表面變色應用不銹鋼絲刷清除，對污染嚴重的焊縫必須鏟除干凈，并進行必要的修復，方可進行下一步的焊接工作。8、焊接過程中，應保持焊接用具、人員衣著干凈。9、焊接過程中，若鎢極碰撞熔池或焊絲則應停止焊接，鏟除污染的焊肉,磨修或更換電極。27建筑相關7、當焊道表面出現變色時，應立即停止焊接，查明原因，采取措施5、焊后檢查焊接鋯材時,檢驗員應檢查每層焊道表面顏色。焊道表面應是銀白色，完工的焊縫內外表面允許有淡黃色或金黃色存在，但必須用不銹鋼絲刷去除掉。如果出現更深的表面變色，則認為所采取的保護措施或工藝不當，應采用合適的方法除去受污染的焊肉和臨近的母材金屬，并進行必要的修復。28建筑相關5、焊后檢查28建筑相關1、焊后必須進行外觀檢查。焊縫外形尺寸和表面質量應符合GB50236-98第11條的要求，不低于Ⅰ級標準。2、焊后對焊縫正反兩表面必須進行100%液體滲透探傷檢查；如果背面不能接近則打底焊道焊接時必須采取措施，使背面焊透。液體滲透探傷方法和標準按JB/T4730-2005。3、對焊焊縫焊后應進行100%X射線檢查，射線探傷方法和標準按JB/T4730-2005執行，焊縫質量不低于Ⅱ級。29建筑相關1、焊后必須進行外觀檢查。焊縫外形尺寸和表面質量應符合GB56、鋯材焊接工藝改進鋯材管道焊接過程中，保證焊接質量的重要因素在于充分的氬氣保護和及時的散熱，通過對江蘇索普（集團）有限公司二期醋酸工程的施工，為我們對鋯材的焊接積累了豐富的經驗，此次對江蘇索普（集團）有限公司醋酸三期工程鋯材管道的施工，我們充分利用了先前積累的經驗，并在此基礎上對鋯材管道的焊接工藝進行了改進,主要表現在以下幾個方面：30建筑相關6、鋯材焊接工藝改進30建筑相關6.1改進管道焊接氣體保護罩在江蘇索普（集團）有限公司二期醋酸工程鋯材管道施工經驗的基礎上，我們的施工人員凝結自己的智慧對管道焊接氣體保護罩進行了改進，改進后的保護罩安裝簡便，大大提高了工作效率，減少了氬氣的使用，同時保證了焊接操作的靈活性及焊接質量。31建筑相關6.1改進管道焊接氣體保護罩31建筑相關醋酸二期鋯材焊接的氣體保護罩主要有兩種形式：一、兩寸以下的焊口采用全罩保護。二、兩寸以上的焊口采用托罩保護。托罩可以固定在焊槍上，也可以專人配合跟隨焊槍移動，但此種方法易造成托罩走偏、后翹或因配合不好使槍罩脫節。不但影響焊縫保護效果造成焊接質量下降，而且浪費得氬氣也較多。32建筑相關醋酸二期鋯材焊接的氣體保護罩主要有兩種形式：一、兩寸以下的焊醋酸三期的施工中，我們總結了二期的經驗和不足，在保護罩上開發思路，并對其進行了改進。一、6寸以下的焊口均采用全罩保護。二、6寸以上的保護罩是在原有托罩型式上面剖開一個長條孔，開孔尺寸以不影響焊槍在罩內操作為準而盡量窄，以便將焊接過程中的氬氣泄露減至最小。保護罩內部直徑8mm的導氣銅管由原來的單管改成U型管，并在上面每隔1厘米鉆上一個2毫米的孔洞以利于罩內充氣均勻。33建筑相關醋酸三期的施工中，我們總結了二期的經驗和不足，在保護罩上開發焊接時把保護罩用高溫膠帶固定在焊縫上，罩上面的開口處用兩條高溫膠帶密封，兩條高溫膠帶隨著焊槍的移動一個打開、一個封閉。使焊接熔池和焊縫高溫區完全受到氬氣的保護。罩外區域涂抹無水酒精配合降溫。這樣不但大大減少了氬氣的浪費，而且提高了焊縫的焊接質量，同時操作起來也更加方便，焊接速度也大大提高。34建筑相關焊接時把保護罩用高溫膠帶固定在焊縫上，罩上面的開口處用兩條高醋酸二期鋯材管道達因數約為3896個，管道壁厚在2.77mm至4.78mm之間，氬氣用量大約為4998立方米，每個達因平均用氣量大約為1.28立方米。醋酸三期鋯材管道的達因數達到了9824個之多，管道壁厚在2.77mm至4.78mm之間的達因數量有4575個，每個達因平均用氣量大約為1.07立方米，35建筑相關醋酸二期鋯材管道達因數約為3896個，管道壁厚在2.77mm管道壁厚在4.78mm至12.7mm之間的達因數量有5249個，每個達因平均用氣量大約為2.14立方米，相較之下醋酸三期每個達因要比醋酸二期節省氬氣用量如下：0.21立方米（壁厚在2.77mm至4.78mm之間）；0.4立方米（壁厚在4.78mm至12.7mm之間）。因此工程完畢將減少氬氣用量約為3060.35立方米。36建筑相關管道壁厚在4.78mm至12.7mm之間的達因數量有5249圖示為醋酸二期鋯材焊接氣體保護罩（2寸以上）37建筑相關37建筑相關圖示為醋酸三期鋯材焊接氣體保護罩（6寸以下）38建筑相關38建筑相關圖示為醋酸三期鋯材焊接氣體保護罩（6寸以上）39建筑相關39建筑相關圖示為醋酸三期12寸鋯材管道焊接40建筑相關40建筑相關圖示為醋酸三期12寸鋯材管道焊接41建筑相關41建筑相關6.2橢圓管道修正器江蘇索普（集團）有限公司三期醋酸工程到貨10寸以上鋯材管道均為焊接管道，由于交貨時間倉促，部分管道端口呈橢圓狀，嚴重影響了管道的焊接質量，考慮到緊張的工期，不可能再將管道退回原廠返修，為了不影響工期，我們的工人自己加工制作出了管道修正器，操作簡單，實用，效率高。42建筑相關6.2橢圓管道修正器42建筑相關圖示為管道修正器43建筑相關43建筑相關圖示為管道修正器44建筑相關44建筑相關6.3方便快捷的焊口冷卻鋯材的性質活潑在300℃以上就能與空氣中的氧氣和氮氣發生反應，因此鋯材管道的焊接重點就是保護和降溫，方便快捷的降溫是焊接質量的一個保證，同時也要節省開支減少降溫用的酒精的浪費，這時我們的施工人員就想到了市面上賣的澆花用的白色的小噴壺，裝上酒精，加上壓，冷卻管道焊口方便快捷。45建筑相關6.3方便快捷的焊口冷卻45建筑相關圖示為鋯材管道焊縫冷卻（無水酒精）46建筑相關46建筑相關圖示為鋯材管道焊縫冷卻（無水酒精）47建筑相關47建筑相關7、結束語江蘇索普（集團）有限公司三期醋酸工程中的鋯材管道的施工，為我們管理人員及施工人員提供了一個鍛煉的平臺，通過對江蘇索普（集團）有限公司三期醋酸工程鋯材管道的施工，我們在管道組對、焊接、安裝上的總體質量將提升到一個新的水平，這將是我們管道施工上的又一個飛躍。48建筑相關7、結束語48建筑相關

焊

接

工

藝

卡工

程

名

稱60萬噸/年醋酸三期工程技術改造項目醋酸主裝置管

線

(設備)號管線工藝評定

編

號G10母

材

材

質R60702(鋯）母

材

規

格

δ≤6.4mm工藝卡

編

號CS-0949建筑相關工程技術說明：

1.焊前應將焊絲和焊件坡口內外兩側40mm范圍內的水、鐵銹、油污、積渣和其它有害雜質用工業丙酮和絲綢清理干凈。如果超過2小時未焊接，應重新清洗可焊接。

50建筑相關技術說明：

1.焊前應將焊絲和焊件坡口內外兩側40mm范圍2.在焊接風速超過1.5m/s應設防風棚，焊接場所內不允許其它材料堆放始終保持場地清潔。

3.焊接時應采用氬弧焊打底填充蓋面，管道內、焊槍和焊槍后邊托罩要有充足氬氣保護。51建筑相關2.在焊接風速超過1.5m/s應設防風棚，焊接場所內不允許其4.引弧時應在坡口內，收弧時弧坑要填滿，多層焊層間接頭要錯開，操作時應用短弧焊，層間溫度小于100℃。焊接時，母材溫度超過18