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小口径锆管的焊接及保护

发布时间:2020-08-15 21:41:55 浏览次数 :

锆是一种发展前景广阔的稀有贵金属,不仅应用在一般的冶金、石油化工等方面,而且被原子能工业使用,尤其是在醋酸、醋酐扩能装置方面的应用更为广泛。 锆在高温下极易与大气中的氧、氢、氮发生反应,大约在200 ℃时开始吸收氧形成ZrO,350 ℃左右吸收氢形成ZrH,400 ℃左右吸收氮形成ZrN。 并且随着温度的升高,反应发生的程度会更加强烈,锆反应生成的ZrO、ZrH和ZrN是脆性化合物,严重影响锆材的性能,尤其对塑性和韧性影响更加敏感,因此在进行锆材料焊接时必须采取有效的保护措施。 鉴于此,针对锆材的焊接,研发出一种“盒内保护”措施,并对保护盒的制作及焊前准备进行了介绍。

引言

随着化工业的不断发展,我国几个重点化工单位开发了新的项目,如醋酐、醋酸等新品种。 这两种物质的酸性极强,也就是说它们有着非常强的腐蚀性,如果要生产醋酐和醋酸,必须要用到锆材料制造的设备。 早在30~50年前,西方国家就已经能够生产和使用锆材设备。 我国对于锆材的认识和使用只有十几年的时间,对于锆材料的使用存在一定的局限性,基本是用于航天、核电,民用并不多见。 锆材的价格非常昂贵,制造上难点多,尤其是焊接方面,更是存在诸多难点。 锆是化学性质非常活跃的元素,在高温下非常容易和空气中的各种气体发生反应。 锆在焊接时,焊缝和热影响区易被空气中的氧、氢、氮等元素污染,生成硬而脆的化合物,使焊接接头的硬度和强度升高、塑性下降,耐蚀性能也大幅度下降。 因此在锆材焊接时必须对熔池、焊缝及热影响区进行充分而有效的保护,尽量隔绝空气,避免锆的氧化。 本文主要描述的是小口径锆管的焊接及保护,锆管直径范围在DN25~DN100,壁厚范围在2~3 mm。

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1、锆材的基本性能

锆在元素周期表中属副族金属,表面呈银灰色,其熔点为1 852 ℃,沸点为3 580 ℃,密度为6.5 g/cm3。 锆加入Sn、Nb、Mg、Ni、Gr和Th等合金元素可形成锆合金,相比其他材料,锆合金的比强更高,耐热性更好,是原子反应堆工程常用的重要的结构性材料,如原子反应堆芯、核燃料棒外壳、压力容器等结构。 锆在还原介质如盐酸、硝酸、醋酸等极强的酸与碱中,具有一般材料所无法比拟的优良的耐腐蚀性。 锆的力学性能及化学成分如表1、表2所示。

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2、锆管的焊接与保护

根据上述锆材料的性能及其氧化后产生的危害,在焊接锆材料时必须做好保护工作。 锆管在焊接时,保护气体的纯度为99.999%,对温度超过200 ℃的焊缝、热影响区正面和反面都需要进行有效的保护。 我们根据锆材料焊接后的颜色来判定焊接的氧化程度,分为四种颜色,具体为银白色(非常好)、淡黄色(正常)、蓝色(氧化不合格)、灰色(严重氧化)。

通常情况下焊接锆管时采用的是内部充氩保护,正面焊接区域采用焊枪自有的喷嘴(喷嘴直径16~25 mm)和拖罩保护。 对于正面的拖罩保护(根据不同的管口径采用不同形状及尺寸的拖罩),一般情况下拖罩尺寸为宽25~60 mm、长40~100 mm。 这种保护罩保护的措施对于大口径锆管的焊接保护是适合的、有效的,但对于小口径锆管的焊接,采用这种保护方法效果并不是很好,往往拖罩不能完全使焊缝和热影响区的温度控制在200 ℃以下,焊缝和热影响区的颜色会呈蓝色,属氧化(图1)。

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另外,还有部分企业采用的是在真空箱中焊接小直径的锆管,在实际操作过程中发现在真空箱内进行管子焊接,质量也不尽如人意。 由于真空箱内部的温度下降得比较缓慢,在焊缝表面会呈现黄色或淡黄色,也没有达到理想的银白色。

为了提高小直径锆管的焊接质量,我们总结了多年的经验,研发出另外一种保护措施“盒内保护”,也就是在保护盒内进行焊接的方法。 保护盒形状及管子内壁保护装置如图2所示。

3、保护盒的制作

保护盒需采用紫铜薄板制作, 厚度为1.5~2.0 mm, 其原因是铜相比其他材料,例如不锈钢,其散热性能更好。 根据锆管直管径的不同,两端采用不同孔径的封板,用铰接与主体连接。 主体采用圆筒的型式,圆筒由上下两半组成,用铰接连接。 圆筒上开有两个孔,其中一个为视窗孔,另一个为焊枪孔,内部安装准8 mm紫铜细管,通水加速盒内冷却。 焊接时保护盒内的温度过高,如果只是通过氩气保护是不够的, 所以内部加了通水的细管。 

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圆筒的上端开有出气孔,下端有进气孔,使筒内充满流动的氩气,焊接时将需要焊接的管子从保护盒的一端放入盒内,固定好后,开始充氩气。待保护盒内部的空气排出后进行焊接。保护盒可以做成固定的,也可以做成随着焊接方向旋转的,大部分采用保护盒用底座固定的设计,焊接时一人旋转管子,一人焊接。

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4、焊前准备

锆表面覆盖着一层致密的氧化膜,焊前必须进行清理。 通常采用机械法对管进行坡口加工。 焊前在管子坡口两侧各25 mm内用不锈钢抛轮或合金磨头打磨去除表面的氧化膜,然后用无纺布蘸丙酮清洗,焊接处不能留有棉纱之类物质。 通常对壁厚小于2 mm的管子不开坡口,采用I形直接自熔焊接;

壁厚大于2 mm,开V型坡口,坡口尺寸如图6所示。

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焊接时,先对管内和保护盒进行充氩(氩气含量99.999%)。

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预充2 min后,开始焊接(图7)。

焊接采用GTAW法,焊接材料为ERZr2,准1.6或准2.0。 具体参数如表3所示。

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管子点焊也需放在保护盒内进行,点焊后开始焊接。 从表3中可以看到焊枪的气体流量较小,主要原因是如果焊枪中气体流量过大会与保护盒内气体产生紊流,使焊缝区域气体不稳定,起不到保护作用。 加上保护盒内已充满氩气,故焊枪气流量可以减小。 焊接时,焊丝端头一直要保持在保护盒内进行送进,不允许将焊丝端头移出保护盒,否则要将氧化的部分剪去。 焊接锆管时,采用熔孔焊。 因为锆在液态时表面张力要比碳钢、不锈钢大,因此当出现熔孔时再填加焊丝,同时钨极尽可能靠近焊缝根部,这样才能保证根部焊透,有效防止未焊透产生。第一层焊接结束后,待管子在保护盒内冷却至80 ℃以下时,方可焊接第二层。全部焊接完成后,待管子冷却至200 ℃以下方能移出保护盒。

5 结论

锆管在保护盒内焊接,既保证了焊缝内部质量(RT检测,合格率在98%以上),同时还保证了焊缝的耐蚀性,焊缝表面呈银白色,得到了良好的焊缝(图8)。

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锆材价格比较昂贵,焊好每一条焊缝都比较重要,做好焊接时的保护就是给企业节约了成本。 所以,小口径的锆管在保护盒内焊接的方法是值得推广和应用的。

[参考文献]

[1] 锆制压力容器:NB/T 47011—2010[S].

[2] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册 第2卷:材料的焊接[M].3版.北京:机械工业出版社,2014.

[3] 李亚江,王娟,刘强.有色金属焊接及应用[M].

北京:化学工业出版社,2006.

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