化工裝置鈦合金設(shè)備常見缺陷及修復(fù)辦法

化工裝置鈦合金設(shè)備常見缺陷及修復(fù)辦法
                                   高俊生1,常江2
    (1.大慶石化分公司煉油廠,黑龍江大慶163711;2.大慶石化建設(shè)公司,黑龍江大慶163711)
    摘要:文中介紹了鈦合金的材料特點(diǎn)及焊接性能,包括焊前處理、焊接工藝選擇、焊接中缺陷的產(chǎn)生及如何避免。并針對(duì)鈦合金在化工裝置應(yīng)用中出現(xiàn)開裂情況的處理方法進(jìn)行了論述。
    關(guān)鍵詞:可焊性;裂紋;化學(xué)清理;手工鎢極氬弧焊
    中圖分類號(hào):TG457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B:文章編號(hào):1671-4962(2007)02-0032-02
    2005年,對(duì)大慶石化分公司化工二廠醋酸裝置1臺(tái)鈦材換熱器試壓檢修時(shí),發(fā)現(xiàn)管束開裂,處理方法只有2種:制作同樣可代替的鈦材換熱器,或者對(duì)換熱管端部泄漏部位進(jìn)行焊接處理。如果重新制作同樣可代替的鈦材換熱器,制造工期為8 d,裝置開工在即,顯然不可行。只能修復(fù)換熱管端泄漏部位。因?yàn)樵O(shè)備的材質(zhì)是TA(4α+β相),鈦合金這種合金在室溫下,其強(qiáng)度可達(dá)到93.1 MPa,而且在高溫下(500℃以下)性能穩(wěn)定,可焊性良好。從焊道取樣分析其填充焊絲為TC4,所以可以采用現(xiàn)場(chǎng)就地焊接修復(fù)[1]的辦法。
    1·鈦合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生的主要缺陷
    (1)鈦及鈦合金焊接時(shí),焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性很小,這是因?yàn)殁伡扳伜辖鹬蠸、P、C等雜質(zhì)含量很少,由S、P形成的低熔點(diǎn)共晶不易出現(xiàn)在晶界上,加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄小,鈦及鈦合金凝固時(shí)收縮量小,焊縫金屬不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。但是,鈦及鈦合金焊接時(shí),熱影響區(qū)可能出現(xiàn)冷裂紋,其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間稱作延遲裂紋。焊接過(guò)程中氫由高溫深池向較低溫的熱影響區(qū)擴(kuò)散,氫含量的提高使該區(qū)析出TiH2量增加,增大熱影響區(qū)脆性,另外由于氫化物析出時(shí)體積膨脹引起較大的組織應(yīng)力,再加上氫原子向該區(qū)的高應(yīng)力部位擴(kuò)散及聚集,以致形成裂紋。
    (2)鈦及鈦合金焊接時(shí),氣孔是經(jīng)常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結(jié)果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強(qiáng)度。氫是冷裂紋和氣孔形成的主要原因。因?yàn)闅湓谛∮?00℃,在α相中溶解度很小,在室溫時(shí)極限溶解度只有0.002%。當(dāng)焊縫或熱影響區(qū)在焊后冷卻到300℃以下,過(guò)飽和的氫即以氫化鈦(γ相)形式析出。體積增大并產(chǎn)生晶間應(yīng)力,此應(yīng)力發(fā)展會(huì)引起晶間微裂紋。晶間微裂紋在外應(yīng)力作用下會(huì)擴(kuò)展成為裂縫[2]。
    2·修復(fù)方法的確定
    鈦合金焊接時(shí),當(dāng)溫度高于500~700℃時(shí),很容易吸收空氣中的氧、氫和氮,嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。因此,鈦合金焊接時(shí),對(duì)熔池全面及高溫部位(400~650℃以上)的焊縫區(qū)必須嚴(yán)加保護(hù)。為此,鈦及鈦合金焊接時(shí)必須采取特殊的保護(hù)措施。因此,采用氬弧焊接的方法處理,并采用噴尺寸較大的焊矩,以擴(kuò)大氣體保護(hù)區(qū)面積,當(dāng)噴嘴不足以保護(hù)焊縫及近縫區(qū)高溫金屬時(shí),需補(bǔ)充氬保護(hù)拖罩。
    3·氬弧焊焊接工藝及參數(shù)的選擇
    焊縫和近縫區(qū)顏色是保護(hù)效果的標(biāo)志,銀白表示效果最好、黃色為輕微氧化。焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色見表1。

    經(jīng)過(guò)鈦材手工鎢板氬弧焊焊接試驗(yàn)結(jié)果,決定采用的焊接工藝參數(shù)見表2。
    4·焊前準(zhǔn)備和坡口選擇
    (1)焊件和焊絲表面質(zhì)量對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有很大影響。焊前可先對(duì)試件及焊絲進(jìn)行酸洗。用凈水沖洗,烘干后立即施焊。用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭鈦板坡口以及其兩側(cè)(分別為50 mm內(nèi))、焊絲表面、工具夾與鈦板接觸的部分。
    (2)焊接設(shè)備的選擇[3]。鈦及鈦合金氬弧焊應(yīng)選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源,且延遲遞氣時(shí)間不少于15 s,避免焊接時(shí)遭受到氧化、污染。所以采用WSM-315型IGBT逆變直流脈沖氬弧焊機(jī)。
    (3)焊接材料的選擇。氬氣純度應(yīng)不低于99.99%,露點(diǎn)在-40℃以下,相對(duì)濕度小于5%。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至0.981 MPa時(shí),應(yīng)停止使用。填充絲一般采用同質(zhì)材料,為改善接頭塑性,可用比母材合金程度稍低焊絲TC3,該次焊接采用焊絲:TC3。
    (4)坡口形式的選擇。原則上盡量減少焊接層數(shù)和焊接金屬。隨著焊接層數(shù)的增多,焊縫累計(jì)吸氣量增加,以至影響焊接接頭性能。又由于鈦及鈦合金焊接時(shí)焊接熔池尺寸較大,因此焊件開單V型70~80°坡口。
    5·結(jié)束語(yǔ)
    正確選擇焊接工藝參數(shù)徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮、油污等有機(jī)物?？刂坪脷鍤獾牧髁考傲魉?防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象,影響充氣保護(hù)效果。采用手工鎢極氬弧焊鈦合金焊接處理裂紋辦法可行,可以得到滿意的效果。該設(shè)備E203自2005年8月檢修后投產(chǎn)至今,運(yùn)行一直良好,未發(fā)現(xiàn)該修復(fù)焊口泄漏現(xiàn)象,為醋酸裝置安全生產(chǎn)提供了可靠保障。
參考文獻(xiàn):
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[3]杜禮辰,翟書汾.工程焊接手冊(cè)[M].北京:原子能出版社,1981:34-35.
作者簡(jiǎn)介:高俊生,男,工程師,1981年畢業(yè)于大慶石油化工總廠職工大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)?，F(xiàn)從事化工設(shè)備管理工作。