警惕高溫下的鋯合金腐蝕效能變化和焊接注意要點

出差幾天了,之前準備的一些素材釋出的差不多了。

翻閱了下後臺,關注讀者數增加了不少,特別是5月20日以來,可能由於部分粉絲的轉發原因,後臺數字增長喜人。在此,“特鋼100秒”感謝各位讀者的無聲支援。

今天,趁著週末,就今年以來火熱的化工、醋酸等行業用材:鋯,“特鋼100秒”講講它的之效能和焊接技術要點。

鋯是一種昂貴的耐蝕金屬材料,具有優良的抗酸、鹼等腐蝕的能力,在某些介質中,甚至超過了鈮、鈦等防腐蝕效能很好的金屬,能在鈦所不能勝任的腐蝕介質下工作,所以鋯合金以其良好的抗腐蝕效能近年來逐漸被用作抗腐蝕性較強的化工行業的裝置和管道等結構材料。

常用牌號有Zr702(UNSR60702)、Zr704(UNSR60704)、和Zr705(UNSR60705)三種。在化工專案中,Zr702(UNSR60702)應用非常廣泛。

(一)鋯合金焊接易出現的問題

高溫是鋯合金腐蝕效能鉅變的“天敵”。

在鋯焊接時,焊縫和熱影響區易被空氣中的氧、氫、氮等元素汙染,生成硬而脆的化合物,併產生脆性的針狀組織,使焊接接頭的硬度、強度升高,塑性下降,耐蝕效能也大幅下降。因此鋯焊接時應對熔池、焊縫和熱影響區進行充分的保護以完全隔絕空氣。

鋯合金的焊接一般用鎢極惰性氣體保護電弧的焊接方法進行焊接居多,其他的焊接方法包括:電子束焊、等離子弧焊和電阻焊等。它的焊接效能和鈦金屬焊接比較接近,由於鋯的熱膨脹係數和彈性模量小,因而焊接變形和焊縫殘餘應力比較小,建議在1100°F(594℃)下焊縫的消除應力時間為1小時/英寸厚度。

在不受汙染的情況下,焊縫不易出現結晶裂紋和冷裂紋。

鋯在高溫下一般容易與大氣發生反應,在200℃就開始吸收氧,300℃吸收氫,400℃吸收氮,溫度越高反應的強度越劇烈。由於鋯對氧、氮和氫具活性,施焊時必須使用高純度的惰性氣體保護或在良好的真空室裡進行焊接。

鋯焊接的另一個主要問題就是焊縫中容易過於軟化而導致焊件錯動,根部焊道容易燒穿,因此焊接鋯時,應合適地固定焊件並儘量採用雙面焊。除鈦、鈮、銀、釩之外,鋯不能和其它金屬直接焊接。

所以,在鋯合金焊接過程中,選擇潔淨的操作環境,加強焊縫及熱影響區部位的隔離保護是保證焊接質量的關鍵。

(二)鋯合金的基本特性

鋯合金焊接效能較好,在常溫下的化學效能比較穩定,耐腐蝕效能突出,但其高溫化學效能非常活潑,對環境氣體中的氧、氮、氫以及操作環境中的粉塵、溼度等汙染都有很強的親和力。隨著溫度的升高,其化學活性急劇增強,與氫在200℃下生成ZrH2;與氧在300℃下,可以生成ZrO3;在550℃以上,與空氣中的氧反應生成多孔的脆性氧化膜;在600℃下,鋯吸收氮生成ZrN;在700℃以上,吸收氧而使材料嚴重脆化,隨著溫度的增加,其吸收能力和反應速度隨之增強。故焊接產生的高溫環境和焊縫是制約化工裝置的關鍵。

鋯合金的優良的抗腐蝕效能來源於其表面形成的氧化膜,並取決於氧化膜的完整性和牢固性,當鋯合金在吸收了一定數量的氧、氮、氫等氣體雜質後,其力學效能及抗腐蝕效能將急劇下降。反應生成多孔的脆性氧化膜,所以,對環境粉塵、溼度及熱影響區表面、焊縫背面加強保護則是焊接過程中質量管控的關鍵要素。

(三)影響鋯合金焊接質量的因素和注意事項

3。1在大量焊口焊接預製階段,需要設定專門的封閉式潔淨場地,並嚴格控制環境的粉塵汙染和空氣溼度,例如進入施工場地須換穿乾淨的勞保鞋等措施,以確保焊接環境的潔淨。在室外安裝環境下,製作臨時操作室,達到潔淨條件。

警惕高溫下的鋯合金腐蝕效能變化和焊接注意要點

3。2加強對焊接接頭坡口、坡口兩側70mm範圍內及焊絲表面清潔度的要求,是保證焊接質量的重要因素。

3。3鋯合金焊接過程中,氣孔是最容易產生的缺陷。氣孔多集中在融合線、焊縫中心線附近。防止焊接氣孔缺陷產生最關鍵的環節就是加強對焊接環境潔淨度、溼度的控制及加強坡口、焊材表面的清理,提高焊縫區高純氬的內外保護質量。

3。4焊接裂紋傾向

由於鋯合金熱膨脹係數低,熱變形量以及相變時產生的體積變化均很小,本身硫、磷、碳等雜質含量很低,焊接過程中沒有形成裂紋的明顯趨勢。但當焊接過程焊縫吸收一定數量的氧、氮、氫氣體雜質時,焊縫及熱影響區的效能將變脆,如果焊縫在組對等環節有應力存在,將會產生焊接冷裂紋。同時,氫原子具有向較低溫度的熱影響區內的高應力部位擴散及聚集的效能,促使這些部位形成較為薄弱的環節,因此可能導致焊接延遲裂紋的產生。

3。5在焊接試驗中,應選用了焊接線能量低,便於進行焊縫氣體保護的手工鎢極氬弧焊;利用較大口徑的焊槍噴嘴和焊縫外表面保護託罩及管道內部充氬的方式進行空氣隔離,以達到焊縫不被氧化和吸收有害氣體的目的。

3。6焊接材料的選擇

鋯合金焊接採用的填充焊絲應依據與母材成分相匹配的原則來選擇。焊絲表面不得有重皮、裂紋、氧化現象及金屬或非金屬夾雜物等缺陷存在。焊絲在使用前應進行清洗,並乾燥。

常用鋯合金母材對應焊絲牌號(AWS)

UNS R60702 ERZr2

UNS R60704 ERZr3

UNS R60705 ERZr4

3。7保護氣體的選擇

鋯合金鎢極氬弧焊採用純度不得小於99。999%的高純氬,其雜質含量符合GB/T4842現行標準的要求。由於對焊接保護氣體純度的極高要求,所以焊接過程需要連續充氣,中途不能中斷,否則需重新置換充氬。因而,使用普通的單瓶氬氣直接供氣的方法不能滿足保護要求,需要將多瓶氬氣串聯增加供氣能力,透過分氣缸滿足多個焊工同時作業。

3。8坡口形式的選擇及坡口的加工清理

3。8。1坡口形式:鋯合金管道的焊縫坡口形式如圖1所示。

圖1坡口的形式

警惕高溫下的鋯合金腐蝕效能變化和焊接注意要點

3。8。2坡口的加工及清理

1)坡口的加工:坡口表面應光滑,組對尺寸控制要好,易清理。安裝現場焊口,可以採用專用砂輪機加工。

2)坡口清理。管道組對施焊前,須採用不鏽鋼絲刷或不鏽鋼銼刀等,對焊接坡口及兩側不小於70mm範圍內的切削物、氧化膜、毛刺等進行清理。清理工具應專用並保持清潔,防止交叉汙染,影響焊縫質量。油脂等汙染物採用丙酮清洗,並用棉布進行擦拭,施焊前確認乾燥(空氣溼度相對較大的環境下需用烘乾機烘乾)情況。

3。9焊絲的清理

鋯合金管道焊接前,應採用機械或化學的方法對使用的焊絲進行徹底的清理,鋯合金焊絲的清理方法和要求與坡口清理方法完全相同。

3。10焊縫的組對和點固焊

3。10。1焊縫組對應嚴格控制組對間隙及錯邊量,對於不同厚度的兩個組對件,需要採用加工內坡口的形式,保證內部錯邊量符合要求。焊縫須無應力組對。

3。10。2焊縫的點固焊

鋯合金管口組對點焊間距一般為100~150mm,點焊的長度以10~15mm為宜。

3。11焊接管口內、外部氣體的置換和保護

3。11。1焊接管口內部氣體的置換和保護

管口組對完成後,應先對管口內部的氣體進行置換。為保證管內氣體置換質量,節省氬氣,提高效率,對預製階段的管口或便於在管口內部進行隔離的情況下,採用在管道內部設定堵頭,區域性充氬的方式如圖2。

圖2 區域性充氬示意圖

警惕高溫下的鋯合金腐蝕效能變化和焊接注意要點

對於現場焊口或不易於在管口內部進行堵頭式隔離的情況下,焊口組對前,在焊縫兩側分別設定易溶紙,組對後從焊縫組對縫隙適當的位置充入氬氣進行置換,或者根據現場具體情況,利用焊縫兩側的法蘭或可拆卸位置拆開後,安裝堵頭,進行充氬置換。

3。11。2焊接管口外部氣體的置換和保護

由於鋯合金高溫化學效能非常活潑,在焊接過程中僅依賴氬弧焊焊槍噴嘴供應的氬氣對熔池和高溫焊道及熱影響區進行保護是無法保證焊接質量的。為了確保滿足高溫區氣體隔離、延長氬氣保護時間的要求,必須增加特製的管道外部氣體保護裝置,對在高溫狀態下的焊接熔池、高溫焊道及熱影響區進行高純氬隔離保護。

採用氣體保護託罩,託罩的規格隨管道的規格變化。氣體託罩由外殼、不鏽鋼或銅絲網、輸氬管嘴配合焊炬等構成。使用時,配備相應的輸氬軟管,隨焊炬的拖動隨之移動。

(四)焊接技術要點

4。1嚴格控制焊接線能量,以減少焊接熱輸入,減少每層焊接厚度,有利於控制區域的溫度及冷卻速度,接層間溫度不得大於100℃。

4。2焊接過程中必須確認內部充氬置換徹底,製作並正確使用焊道外保護罩,確保保護氬氣純度不低於99。999%,同時選擇焊炬噴嘴直徑在20~25mm之間,並檢查噴嘴溢位的氬氣流量保持穩定,從而使焊接的熔池、焊縫、熱影響區得到良好的保護,從隔離方面保證焊接質量。

4。3起弧時,焊槍必須先送氣,以使焊絲熔化之前就處在氬氣保護之中,並採用高頻引弧;熄弧時,應使用電流衰減裝置,焊接弧坑必須填滿;

4。4焊接過程中,貼上在坡口處高溫膠帶應隨著焊接程序而揭開。焊接過程中,填充焊絲的熔化端須始終處在高純氬的保護之中,熄弧後應待熔化端冷卻後,才可從保護中取出,焊絲頭如被汙染或氧化,其汙染或氧化部分須予以徹底切除。

4。5施工過程中,應嚴格控制打磨量和表面溫度,防止坡口表面氧化。安裝焊口現場作業時,針對大氣環境及灰塵等實際情況,採取必要的防風防汙染措施。現場採用製作帆布蓬,以將焊接區域與外部環境臨時隔離開來,產生一個有利於焊接操作的空間,保證焊縫焊接質量。

4。6焊縫返修對焊縫表面氧化現象或無損檢測發現的不合格部位,必須進行返修。返修前,應根據具體情況,分析缺陷產生的原因,並制定針對性的返修方案。“特鋼100秒”提醒:焊縫同一部位的返修不得超過兩次。

4。7由於鋯合金焊接時液態金屬流動性特別好,管子坡口組對裝配時鈍邊、間隙應嚴格按工藝指導書規定,以免焊接時燒穿。管子管件定位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,定位焊的焊縫不得有裂紋、氣孔或不允許存在的氧化變色等缺陷,否則應打磨。

(五)焊接質量的檢查

所有焊接完成了,對鋯材焊接部位進行質量檢驗依然重要環節,只有進行完以下嚴格檢驗的焊接部位才是最終成品。“特鋼100秒”彙總如下:

1、鋯焊縫可採用液體滲透探傷、X射線進行檢驗,應沒有裂紋、咬邊、未焊透和超標的氣孔存在。

2、暴露在空氣中的鋯,在不同的溫度下,表面將形成ZrO或Zr2O3或ZrO2等氧化膜,從而呈現不同的表面顏色,如表面形成氧化膜很薄,用不鏽鋼絲刷清除即可,對效能影響不大。從深藍色到灰白或白粉末狀則表明焊縫金屬受到嚴重的汙染,必須全部剷掉焊縫金屬和臨近的母材。對於焊縫表面的顏色,比如銀白色僅僅是拖尾保護有效性的一種顯示,而不能保證焊矩保護是適當的。淡黃到淡藍色通常表示焊縫保護溫度低於約1000℉,這種顏色在繼續進行焊接之前必須用鋼絲刷刷去。

下表中的顏色表示汙染程度增加。

淡黃色

深黃色 表面氧化皮:用鋼絲刷刷去

淡藍色

深藍色 金屬汙染

灰藍色 採用打磨除去並補焊

灰 色

白 色 (鬆散的附著物)

一般說,一直到淡藍色的顏色可以用鋼絲刷來除去。深藍色的顏色一般表示汙染程度發叉嚴重。如果想要使焊縫獲得一個有效的延展性,必須打磨掉焊縫汙染的表面及金屬相鄰的區域並補焊。灰色或白色是焊炬或拖尾保護失效的一種顯示,而且必須除去。

表面顏色僅僅給出了表面氧化層的厚度,但由於鋯氧化層在高溫下(超過1200°F)被金屬熔解掉,厚的氧化層是焊縫本身受到汙染的一種很好的顯示。

3、焊炬保護——建議用取掉附加保護氣體試驗來檢查焊炬保護。這種檢驗應在每個工作日的開始和焊接期間定期地進行。在一塊乾淨的廢的鋯材上起弧,並穩定地保持電弧直到小的熔池在焊炬噴咀下形成為止。然後透過降低電流或開關來熄弧,熄弧之後焊炬保持不動直到熔池冷卻為止。焊炬氣體中來自空氣或漏水的雜質,或不純或干擾的保護氣體將會導致熱影響區變色。

4、彎曲試驗——檢驗延展性的一種簡單的彎曲試驗,在焊縫汙染的檢驗中也是有效的。雖然可以採用面彎和背彎等複雜的方法,也可加工一條兩個鋯窄條之間簡單的對接焊縫,然後將其固定在一個臺鉗上用彎軸進行彎曲。良好延展性的焊縫在五倍半徑彎軸範圍內彎曲180°且無裂紋。如果焊道明顯地比母材金屬厚,在彎曲之前,應將其打磨或機加到與母材金屬相齊平。

5、硬度——去汙染焊縫的布氏硬度與母材硬度相比不得超過30點(即洛氏B5個點)。如果超過,則說明汙染嚴重,與焊縫表面或根部顏色無關。

焊縫硬度比母材硬度高30HB(5HRB),無論焊縫表面顏色如何,都認為焊縫已經受到嚴重的汙染。

6、對於焊縫的返修,應在返修前用機械方法清除缺陷,並用目視和液體滲透檢查確保缺陷消除乾淨,返修的焊接上述的要求一致。返修的部位應重新進行規定的檢驗。同一部位的返修次數不宜超過兩次。

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