鋯制容器筒體環(huán)焊縫焊接方法探討_圖文

1、1 前言鋯具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,在某些腐蝕介質(zhì)中,其耐腐蝕性能甚至超過鈮和鈦。因此,在化工設(shè)備中,常用于要求耐腐蝕極強(qiáng)的設(shè)備制造,如國家發(fā)改委“十一五”重大技術(shù)裝備研制和重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)規(guī)劃中的大型甲醇低壓羰基合成醋酸成套設(shè)備專項(xiàng),由于羰基化制醋酸生產(chǎn)過程中,其介質(zhì)中含有大量的碘甲烷、碘化氫、醋酸、水等混合物,且溫度較高。特別是碘甲烷,對(duì)金屬材料的腐蝕性極強(qiáng),一般的不銹鋼根本無法使用, 不銹鋼材料在醋酸中很容易產(chǎn)生腐蝕,因此采用了鋯、鎳基合金及其復(fù)合板材料。云南大為化工裝備制造有限公司開發(fā)制造的20萬噸/年醋酸關(guān)鍵設(shè)備中就有特種材料設(shè)備20臺(tái)(種,其中鋯(Zr-R60702材料設(shè)備12臺(tái),

2、鋯鋼復(fù)合板材料設(shè)備3臺(tái),鎳基合金(N10675、N010276材料設(shè)備5臺(tái)。鋯材料雖然有良好的焊接性能,但鋯非常活潑,焊接時(shí)很容易與氫、氧、氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以對(duì)鋯材料設(shè)備的焊接,重點(diǎn)是對(duì)焊接部位進(jìn)行保護(hù),防止焊接部位發(fā)生化學(xué)反應(yīng),影響鋯設(shè)備質(zhì)量。鋯焊接的保護(hù)主要采用局部保護(hù)。對(duì)于氬弧焊,保護(hù)方法比較簡單,一般采用拖罩充氬氣進(jìn)行保護(hù)。但手工氬弧焊焊接大型鋯制壓力容器,效率很低,質(zhì)量也不穩(wěn)定。云南大為化工裝備制造有限公司在鋯制大型壓力容器的焊接中,采用自動(dòng)等離子弧焊和自動(dòng)等離子弧焊+氬弧焊蓋面,對(duì)容器筒體縱焊縫采用拖罩保護(hù),效果良好,工裝也簡便。但對(duì)于容器筒體環(huán)焊縫的焊接,因受到筒體圓度和錯(cuò)邊量

3、影響,鎢極與工件之間的距離處于不斷變化中,采用拖罩保護(hù),實(shí)施比較困難,保護(hù)效果很不理想,保護(hù)氣體浪費(fèi)很大,質(zhì)量也不穩(wěn)定。而壓力容器焊接過程中,環(huán)焊縫的焊接量約占整個(gè)焊縫焊接量的3/4,對(duì)于鋯制大型壓力容器,不僅體積大,且筒體壁厚較厚,如果縱、環(huán)焊縫焊接都使用傳統(tǒng)的焊接方法(GTAW,工效較低,很難滿足生產(chǎn)工期要求。本文就我公司在鋯制大型壓力容器的焊接中,采用自動(dòng)等離子弧焊和自動(dòng)等離子弧焊+氬弧焊蓋面在焊接工裝,焊接保護(hù)等,對(duì)筒體環(huán)焊縫的焊接方法進(jìn)行探討。2 鋯的焊接性能分析鋯具有良好的焊接性能,可熔焊、釬焊、固態(tài)焊等。但鋯是非?；顫姷慕饘?鋯及鋯合金對(duì)環(huán)境中的氫、氧、氮等都有很強(qiáng)的親和力。特別

4、是在高溫下,鋯容易與上述氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),與氫在200可生成氫化鋯(ZrH2,在大約315的氫氣氛中,鋯會(huì)吸收氫而導(dǎo)致氫脆;與氧在300可生成氧化鋯(ZrO3,在550及以上,與空氣中的氧反應(yīng)生成多孔的脆性氧化膜,在700以上,鋯吸收氧而使材料嚴(yán)重脆化;與氮在600時(shí),鋯就會(huì)吸收氮生成氮化鋯(ZrN。而且,鋯制容器筒體環(huán)焊縫焊接方法探討王堅(jiān)楊俊顧紹玨左占科(云南大為化工裝備制造有限公司,曲靖655338摘 要:本文根據(jù)鋯材的焊接特點(diǎn),采用幾種焊接方法進(jìn)行了焊接試驗(yàn)和對(duì)比分析,對(duì)等離子焊機(jī)做了局部改裝,設(shè)計(jì)并制作了專用保護(hù)工裝,結(jié)合鋯材的焊接性能和自動(dòng)等離子焊機(jī)的特點(diǎn)確定了焊接工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)

5、大型鋯、鎳基合金容器筒體環(huán)焊縫自動(dòng)焊接。關(guān)鍵詞:鋯制容器焊接筒體環(huán)焊縫-40-由于鋯金屬的物理特性:熔點(diǎn)高(1852,導(dǎo)熱性差(在100時(shí)為5.67×10-3W/mK,300時(shí)為5.19×10-3W/mK,熱容量小(在1000 1500時(shí)為473J/kgK。與鋼、鋁、銅等的焊接相比,鋯的焊接熔池積聚的熱量多,尺寸大,停留時(shí)間長、冷卻速度慢,容易生產(chǎn)焊縫污染。因此在焊接過程中,不僅熔池要保護(hù),而且焊后正在冷卻中的焊縫正面和背面都要得到很好的保護(hù)。3 焊接方法的試驗(yàn)及選擇對(duì)于鋯材熔焊,目前大都采用氬弧焊,使用純度不低于99.999%的氬氣或氦氣保護(hù)。對(duì)于小尺寸的工件(或產(chǎn)品,可

6、采用將被焊工件放入充滿氬或氦的可控氣氛操作室(箱、袋內(nèi)進(jìn)行焊接;尺寸大的產(chǎn)品(如大型壓力容器、塔器等的焊接,由于可控氣氛操作室的建造成本太高,一般采用局部保護(hù)。為適應(yīng)大型鋯制壓力容器的焊接,我們對(duì)鋯材的焊接,進(jìn)行了手工氬弧焊、自動(dòng)等離子弧焊和自動(dòng)等離子弧焊+氬弧焊蓋面的對(duì)比試驗(yàn)。在相同的保護(hù)氣氛條件下,對(duì)這幾種焊接方法進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定,對(duì)焊接質(zhì)量、焊接接頭的力學(xué)性能、工效進(jìn)行了對(duì)比(詳見表1、表2。表1手工氬弧焊、自動(dòng)氬弧焊和自動(dòng)等離子弧焊鋯材焊接適應(yīng)范圍及工藝參數(shù)表焊接方式熔敷金屬厚度工藝參數(shù)焊接速度(mm電流(A電壓(Vmm/min手工氬弧焊231602801018120150自動(dòng)氬弧焊

7、121701801214180200自動(dòng)等離子弧焊5102203002836200250表2手工氬弧焊、自動(dòng)等離子弧焊鋯焊接材料消耗對(duì)比表焊接方法試板規(guī)格氣體量焊接材料工時(shí)(mm(L(Kg(minGTAW14400.518.5 PAW500×250×8620 3.3 PAW+GTAW9800.15 5.8表3手工氬弧焊、等離子弧焊+氬弧焊鋯材焊接接頭力學(xué)性能對(duì)比表焊接方法板厚力學(xué)性能結(jié)論(mm抗拉強(qiáng)度Rm(MPa彎曲試驗(yàn)D=10a、=180°GTAW812.7440450380側(cè)彎合格PAW+GTAW430440標(biāo)準(zhǔn)側(cè)彎合格表4等離子弧焊+氬弧焊鋯焊縫背面氬氣保護(hù)

8、和水冷保護(hù)焊接接頭力學(xué)性能對(duì)比表焊縫背面板厚力學(xué)性能結(jié)論保護(hù)方式(mm抗拉強(qiáng)度 Rm(MPa彎曲試驗(yàn)D=10a、=180°氬氣保護(hù)814.3440450380標(biāo)準(zhǔn)側(cè)彎合格水冷保護(hù)460480側(cè)彎合格從以上對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果分析:3.1 3種焊接方法都可對(duì)鋯材進(jìn)行焊接,只要保護(hù)措施得當(dāng),焊接接頭的力學(xué)性能無差別。但對(duì)于厚板的對(duì)接接頭,在同等板厚(8mm的條件下,其焊接速度及焊接工效,等離子弧焊是手工氬弧焊和自動(dòng)氬弧焊的46倍,可以節(jié)約焊絲70%以上,節(jié)約保護(hù)氣體30%以上。3.2 用等離子弧焊封底可以減少焊道層數(shù),焊-41-42-接熱量輸入小,減少填絲量和焊接變形,提高生產(chǎn)效率。因?yàn)榈入x子

9、弧焊接利用等離子弧能量集中、溫度高、離子流沖力大、剛直性好的特點(diǎn),將工件完全熔透,并將工件穿透形成小孔,隨著小孔的彌合形成“單面焊雙面成形”焊縫(見圖3、圖4。氬弧焊和等離子弧焊的焊縫外觀見圖1圖4。3.3 對(duì)于板厚大于8mm 的鋯板對(duì)接焊縫,我們采用自動(dòng)等離子弧焊+氬弧焊蓋面;等離子弧焊焊接時(shí),對(duì)鋯焊縫背面采用氬氣保護(hù),氬弧焊蓋面時(shí)采用水冷保護(hù)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),水冷保護(hù)可更加有效地保護(hù)焊縫免受污染,且可大量節(jié)約氬氣,成本明顯降低。其焊接質(zhì)量和焊接接頭的力學(xué)性能仍符合要求(見表3、表4、表5 。圖1等離子弧焊正面焊縫圖2 氬弧焊正面焊縫圖3鎳基合金等離子弧焊背面一次成形焊縫圖4鋯等離子弧焊背面一

10、次成形焊縫鋯焊縫顏色銀白金黃淺藍(lán)深藍(lán)青紫暗灰保護(hù)效果優(yōu)良良好尚好一般較差特差焊縫質(zhì)量優(yōu)良可用尚好一般嚴(yán)重氧化、塑性顯著下降完全氧化焊接區(qū)脆化檢驗(yàn)結(jié)果可接受表面打磨去除深藍(lán)部分后使用焊縫金屬后重焊整條焊縫清除重焊表5保護(hù)效果對(duì)焊縫質(zhì)量的影響4 技術(shù)方案由于本次焊接的產(chǎn)品尺寸大,焊縫總長度達(dá)1000多米,焊接工作量大,工期緊。我們選用了焊接精度和焊接效率高的等離子弧焊+氬弧焊接設(shè)備,并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)和制作了氣體保護(hù)罩,使保護(hù)罩始終對(duì)準(zhǔn)焊縫的環(huán)焊縫工裝,焊縫正面采用氬氣保護(hù);對(duì)鋯焊縫背面,等離子弧焊時(shí)采用氬氣保護(hù),氬弧焊填充、蓋面時(shí)采用水冷保護(hù)的方案。4.1 焊接設(shè)備選擇及改進(jìn)焊接設(shè)備為法國S

11、AF 公司生產(chǎn)的450 AC/DC 型全自動(dòng)等離子弧焊機(jī),技術(shù)參數(shù)見表6。在焊機(jī)-43-頭上加裝了能始終瞄準(zhǔn)焊道的激光跟蹤儀,當(dāng)焊道位置發(fā)生偏移時(shí),利用在等離子弧焊機(jī)頭上的左右移動(dòng)微調(diào)開關(guān),調(diào)節(jié)等離子弧焊槍的位置,使等離子弧焊槍的等離子弧柱始終對(duì)準(zhǔn)焊道。將原裝于焊機(jī)焊槍上的氣體保護(hù)罩改為尺寸較大的保護(hù)罩(見表7,使溫度在300以上的焊縫都能夠得到保護(hù)氣體的保護(hù)。表6450 AC/DC 型全自動(dòng)等離子弧焊機(jī)技術(shù)參數(shù)表型號(hào)電源焊接板厚離子氣流量(L/min mm L/min 氬氣冷卻水NERTAMATIC 450230V 、55A11010(Max 15205表7改進(jìn)的大保護(hù)罩尺寸表實(shí)用焊接對(duì)象上

12、、下保護(hù)罩長寬高弧度鋯(Zr-R60702尺寸(mm 88012030同筒體內(nèi)外弧度 鎳基合金(N10276尺寸(mm 3808030同筒體內(nèi)外弧度4.2 環(huán)焊縫背面氣體或水冷保護(hù)工裝環(huán)焊縫背面氣體或水冷保護(hù)工裝見圖5,他主要由帶可伸縮的支座和下保護(hù)罩5組成,保護(hù)罩通過保護(hù)罩座與輸氣管(輸水管6連接, 輸氣管由1備焊容器筒體;2等離子焊炬;3激光頭;4上保護(hù)罩;5下保護(hù)罩;6輸氣(水管;7 支座圈;8輸氣(水管夾頭;9支撐桿;10重錘;11輸氣(水軟管圖5 等離子弧焊焊接筒體環(huán)縫工裝示意圖可在支座圈7上自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輸氣管裝夾頭8固定,在輸氣管的另一端裝有重錘10,保證下保護(hù)罩5始終對(duì)準(zhǔn)焊縫,氬氣

13、或冷卻水通過輸氣(水管和保護(hù)罩對(duì)焊縫進(jìn)行適時(shí)的保護(hù)。圖6等離子弧焊焊接筒體環(huán)縫圖4.3 焊接接頭型式選擇鋯采用穿透型等離子弧焊,對(duì)于板厚小于8mm (對(duì)于SAF 機(jī),厚度還可大些,以下同的板材,其對(duì)接坡口一般加工成“I ”型;對(duì)于大于8mm 的金屬板材,一般采用經(jīng)改進(jìn)的新“Y ”坡口。傳統(tǒng)的“Y ”型坡口,由于在加工過程中,鈍邊高度不容易準(zhǔn)確測量,會(huì)導(dǎo)致局部地方鈍邊高度超標(biāo),即使鈍邊高度不超標(biāo),筒體在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生縱向竄動(dòng),一般情況下人們認(rèn)為等離子弧很窄,沒有寬度,但實(shí)際上等離子弧是有一定寬度,所以在焊接過程中會(huì)熔掉非鈍邊坡口上的材料,導(dǎo)致焊接厚度的增加。所以一旦筒體發(fā)生竄動(dòng),焊槍不能及時(shí)跟

14、隨移動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生弧柱偏移焊道,從而使焊接厚度增加,產(chǎn)生未焊透、氣孔等缺陷,甚至使焊接過程中斷。為此,我們通過5種不同焊接接頭型式的試驗(yàn),最終選定對(duì)于板厚大于8mm 的,采用了如圖7的新“Y ”型坡口型式,對(duì)8mm 以上的B 部分,采用氬弧焊填充、蓋面,有效地解決了這個(gè)問題,取得了滿意的效果。4.4 焊接工藝參數(shù)4.4.1 根據(jù)我公司生產(chǎn)產(chǎn)品的情況,我們對(duì)板厚為14.3mm的鋯材(Zr-R60702和14mm的鎳基合金(N10276按規(guī)定進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定,確定等離子弧焊的焊接工藝參數(shù),如表8。4.4.2 保護(hù)氣體:焊縫正面:采用99.999%氬氣;焊縫背面:等離子弧焊焊接時(shí),采用99.999

15、%氬氣,在氬弧焊填充、蓋面時(shí)采用自來水。圖7鋯板對(duì)接新“Y ”坡口示意圖材料厚度電流電壓速度保護(hù)工質(zhì)流量L/min離子氣噴嘴直徑鎢極直徑內(nèi)縮量mm A V cm/min氬氣冷卻水L/min mm mm mmZr-R6070214.327029029322225455544507.88.5 3.0 3.2 1.8 N102761427029027282527354044508.28.5 3.0 3.2 1.8表8焊接工藝參數(shù)4.5 焊前工件精度控制為使焊接工作順利進(jìn)行和保證焊接質(zhì)量,需要對(duì)焊前工件精度進(jìn)行控制。其方案是:4.5.1 采用水切割下料,機(jī)械加工坡口,人工對(duì)坡口修磨,保證下料精度。4.

16、5.2 利用數(shù)控卷板機(jī)進(jìn)行筒節(jié)的卷制和校圓,筒節(jié)的圓度誤差進(jìn)行了更加嚴(yán)格的控制,以便于筒體的組對(duì)。為防止筒節(jié)兩端直徑增大影響組裝精度,對(duì)卷制和校圓的滾壓次數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的限制,確保了筒節(jié)質(zhì)量。利用筒體組對(duì)工裝對(duì)筒體進(jìn)行組對(duì),控制組對(duì)精度,避免環(huán)焊縫焊接時(shí),因筒體的圓度和組對(duì)質(zhì)量控制不好,筒體在焊接滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),出現(xiàn)較大的筒體環(huán)焊縫的焊道上下跳動(dòng)或軸向竄動(dòng)而影響環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量,使等離子弧焊無法正常實(shí)施。5 焊接驗(yàn)證根據(jù)計(jì)劃安排,我們對(duì)20萬噸/年醋酸關(guān)鍵設(shè)備中的鋯(Zr-R60702制壓力容器:脫水塔、脫輕塔、粗酸集液罐等多臺(tái)設(shè)備殼體的縱、環(huán)焊縫按上述方案、工藝進(jìn)行了焊接,其焊接質(zhì)量良好,按期

17、保質(zhì)完成了設(shè)備的制造任務(wù)。在中國化工裝備協(xié)會(huì)組織的新產(chǎn)品技術(shù)鑒定會(huì)上,國內(nèi)知名專家評(píng)議認(rèn)為:所開發(fā)的鋯制設(shè)備環(huán)焊縫等離子弧焊相關(guān)技術(shù)及保護(hù)工裝技術(shù)先進(jìn),采用該技術(shù)制造的脫水塔等大型鋯制壓力容器達(dá)到國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平,替代了進(jìn)口,實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。6 結(jié)語6.1 鋯筒體環(huán)焊縫的焊接采用自動(dòng)等離子弧焊其焊接質(zhì)量好,可減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè),工效高,能滿足大型容器的制造要求。6.2 采用自動(dòng)等離子弧焊的焊接接頭型式:板厚小于8mm的,仍可采用“I”型對(duì)接接頭型式;對(duì)于板厚大于8mm的,應(yīng)采用帶臺(tái)階的新“Y”型對(duì)接接頭型式。6.3 對(duì)鋯等特種材料筒體環(huán)焊縫的局部保護(hù),應(yīng)將保護(hù)氣體的

18、保護(hù)罩改為能覆蓋300以上焊縫的大保護(hù)罩,焊縫的正面用氬氣保護(hù)。焊縫的背面通過能使保護(hù)罩始終對(duì)準(zhǔn)焊縫的工裝,自動(dòng)等離子弧焊時(shí),用氬氣保護(hù);氬弧焊填充、蓋面時(shí)(下轉(zhuǎn)第48頁-44-化工裝備 5 型式試驗(yàn)和技術(shù)鑒定 高壓氫氣鋼瓶試制完畢后，應(yīng)按照氣瓶安 全監(jiān)察規(guī)定 氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程 和 的要求， 進(jìn) 行各項(xiàng)型式試驗(yàn)。型式試驗(yàn)內(nèi)容至少包括：原材 料的進(jìn)廠檢驗(yàn)和復(fù)驗(yàn) 鋼瓶的尺寸和外觀檢驗(yàn) 鋼 ； ； 瓶的無損檢測；鋼瓶調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能和 沖擊韌性；鋼瓶的硬度；鋼瓶的壓力試驗(yàn)和致密 性試驗(yàn)；鋼瓶的疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)等。 型式試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)圖紙、工藝 文件的要求，確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)安全和使用安

19、全。 根據(jù) 氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程 5 條規(guī)定， 第 開發(fā) 研制氣瓶新產(chǎn)品，應(yīng)按照氣瓶型式試驗(yàn)技術(shù)評(píng) 問題與對(duì)策 定的內(nèi)容和要求由國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全 監(jiān)察局授權(quán)的單位組織專家進(jìn)行技術(shù)評(píng)定。 6 批量生產(chǎn) 對(duì)已取得無縫鋼質(zhì)氣瓶制造資格的企業(yè)，經(jīng) 型式試驗(yàn)、技術(shù)評(píng)定合格的氣瓶，可進(jìn)行批量生 產(chǎn)。 7 結(jié)論 清潔能源的開發(fā)和利用，是未來社會(huì)發(fā)展的 必然趨勢。35MPa 及以上壓力的大容積高壓鋼質(zhì) 儲(chǔ)氫氣瓶的研發(fā)成功為氫能源的利用奠定了基礎(chǔ)。 Research of 35MPa Hydrogen Steel Cylinder Chen Qi-feng (Hebei Supervision &

20、Inspection Institute of Boiler & Pressure Vessel, Shijiazhuang 050061 Wang Hong-xia (Shijiazhuang Enric Gas Equipment Co., Ltd. Shijiazhuang 050061 Abstract: Base on the development trend for hydrogen used as energy source replaces conventional energy source, this paper discusses its developing

21、procedure, means, key process, emphasis, difficulty and result for the high pressure hydrogen transportation vessel which service pressure is within 35-45 MPa or even higher. Keywords: 35MPa, hydrogen, steel cylinder, research, fabrication, difficulty, discussion （上接第 44 頁） 采用水保護(hù)。 4 采用水切割下料，機(jī)械加工焊接坡口

22、和人 工修磨，控制筒體卷制精度和滾壓次數(shù)，利用筒 體組對(duì)工裝進(jìn)行筒體的組對(duì)，以此來控制環(huán)焊縫 焊前筒體的組對(duì)精度，有利于自動(dòng)等離子弧焊的 順利實(shí)施。 參考文獻(xiàn) 1 王堅(jiān)等. 等離子弧焊焊接容器筒體環(huán)縫的方法. 200910094014.3 發(fā)明專利說明書，2009. 2 湯富生.鋯換熱器.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2008 3 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè) 出版社，2001. Research on the Welding of Pressure Vessel Body Made by Zirconium Wang Jian, Yang Jun, Gu Shao-jue, Zuo Zhan-ke