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日志

 
 

钛材管件- 管子对焊常见缺陷及防范措施(转<阀门>2006.1)  

2009-11-28 23:36:09|  分类: 交流平台 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1  概述

钛装备主要应用于石油、化工和热能电站等工业部门。而钛管件(如弯头、三通及异径管等) 与管子的连接是其重要组成部分。根据多次调查, 钛装备(由于有其特殊的使用性能, 应用日益广泛)中管件与管子连接处事故率较高, 这与该处断面工况条件陡变, 受力较为恶劣有关。

2  材料焊接缺陷分析

211  性能与特点

钛在885 ℃时发生同素异构转变。在885 ℃以下为密排六方晶格结构, 称为α钛(工业纯钛为此类, 本文重点研究对象) 。在885 ℃以上为体心立方晶格结构, 称为β钛。钛合金的同素异构转变温度则随加入的合金元素种类和含量不同而变化。工业纯钛根据其杂质(主要是氧和铁) 含量以及由此而引起的强度差别分为TA1 、TA2 、TA3 三个牌号。它们具有良好的耐蚀性、塑性和韧性, 但对其加工性、焊接性要求较高。

212  焊接缺陷及其形成机理

(1) 焊接气孔 钛材焊接中, 易于发生气孔,它的主要影响因素及防治措施见表1 。

  (2) 脆裂与过热 氢是钛中最有害的元素之一, 它能降低钛的塑性与韧性, 导致脆裂。若母材或焊接材料中含氢量较大, 则应预先作脱氢处理。钛在600 ℃以上就会急剧地和氧、氮化合, 生成二氧化钛和氮化钛(硬度极大) 。当加热到800 ℃以上, 二氧化钛即溶解于钛中并扩散深入到金属钛的内部组织中去, 形成0101~0108 mm 的中间脆性层。温度越高, 时间越长, 氧化、氮化也越严重,焊接接头的塑性就会急剧降低。此外, 钛还易与碳形成脆性的碳化物, 降低塑性和可焊性。

表1  钛材焊接气孔及其防治措施
形成气孔原因防治措施
母材、焊丝的含气量——1 要求母材、焊丝的含气量< 150 ppm
                                       2 焊丝进行1 h 700 ~850 ℃、10 - 2~10 - 4 Pa 真空退火处理
氩气的纯度——使用纯度≥99199 %的氩气
坡口及其周围污染——焊前清理,加强氩气防护
焊丝表面粗糙度大及表面污染-——1 使用表面粗糙度小的焊丝
                                                      2 清理焊丝表面
  钛材的熔点高, 属难熔金属, 在焊接时需要高温热源。钛的导热系数低, 仅为碳钢的一半, 热量不易散失, 过热倾向严重。当结构刚性较大时, 在焊接拉应力作用下, 还会引发薄弱区开裂。另外钛沾染铁离子即变脆。这也是导致钛材管件- 管子对接焊缝区产生裂纹的重要原因之一。

(3) 焊接热温波裂纹 常见金属焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹、再热裂纹与层状撕裂裂纹等, 焊接热温波裂纹是近年来发现的又一种新裂纹。即焊缝处经过反复多次加热与冷却后而形成的一种裂纹,其发展趋势最终为断裂。它多发生在厚壁管件- 管子的多层多道焊焊缝区域上(主要在熔合区附近)或焊缝修补之处。其特征是裂纹区域材质性能发生变化(尤其是塑性、韧性降低) , 晶粒松弛, 晶格歪扭, 有局部硬化现象, 有时裂纹旁边伴有若干更细微裂纹。它发生的滞后性强, 其隐蔽性危害性比冷裂纹更大。目前形成机理仍在研究之中。从本质上看, 它不完全同于热疲劳裂纹(有的学者观点不同) 。由于钛材焊缝处多次反复加热与冷却, 一是应力不断扩张、收缩, 致使焊缝疲劳开裂; 二是加热过程中晶粒不断长大(有时连续有时断续, 但多为波段式变化。钛的熔点高, 比热容小, 热导率小, 使焊缝金属和热影响区在高温下的停留时间增长) , 从而使显著长大的粗化晶粒间松弛、脆弱,也易出现裂纹。另外, 焊缝处若干次地快速冷却,TiH2 逐渐析出, 积聚, 延伸, 出现薄弱边缘而致裂。而焊缝的多次热循环及相变(组织变化) , α′钛马氏体(α′是β相通过无扩散型转变而形成的某些元素在六方晶格α钛中的过饱和固溶体, 在光学显微镜下呈现为针状组织) 数量增多, 塑、韧性下降亦极易开裂。总之, 此类温波裂纹是若干因素综合作用的结果。消除其中的任何不利因素, 对于防止它的产生都是有利的。总结多次施工经验及研究结果, 发现管件与管子焊缝部位, 经常受到大小不同和方向变化的热循环交变应力。这种交变应力常常使材料在小于其屈服极限, 甚至小于其弹性极限的情况下, 经多次热循环后, 并无显著的外观变形却会发生裂纹。管件- 管子对接及施焊中, 事先都不产生明显的塑性变形而突裂, 实际上裂纹已经历了一个由脆化、临界危险点及开裂的完整过程(有的时间较短, 有的时间却很长) 。即使施工后经检验未发现任何缺陷,装置在运行过程中, 亦随时有可能产生裂纹, 且往往是出乎预料的。材料在交变应力的作用下, 首先在应力最大及材料最薄弱的部位(如内部的缺陷、表面的伤痕处) 出现极细微的裂纹, 这种微裂纹再随热循环次数的增加而逐渐扩展, 从而使管件与管子的有效截面不断减小, 以至最后承受不住外力的作用, 在偶然的震动和冲击下便发生脆性断裂。所以材料断裂是在交变热应力作用下经过一定的热循环周次之后(随着环境条件的波动及时间推移, 材质本身亦逐渐退化与弱化, 此点往往被人们所忽视) 才出现的。因此它具有很大的危险性, 常常造成难以想象的严重事故。这就给施工者提出更高要求, 随时防范钛材管接口待裂和临裂状态与隐患, 亦须引起足够的重视。仅从焊接工艺分析, 适度控制焊接的最高加热温度、加热速度、高温停留时间和冷却速度, 以及尽量减少焊缝区的加热与冷却频率和次数, 是必须注意的问题。管件与管子对接时严禁采用较大的锯齿形横向摆动施焊法(尤其是高压管接口) 。

3  焊接工艺

一般钛材管件与管子焊接施工工艺流程为: 施工准备(包括合格焊工培训、焊接设备选型、材质化验和施工场地清理等) →管件及管子除油→管子下料→坡口加工→坡口表面、焊丝表面清理和坡口尺寸修整→焊件组对→管口施焊→焊缝检验→焊缝返修及复验→管道系统试压试漏→管道系统吹除→管道(分高低压) 系统气密性试验等。

311  施工准备管件- 管子的对接大致分为水平固定管、垂直固定管和45°固定管焊法, 水平固定管焊法由于焊缝为环状, 焊接中须经过仰焊、立焊及平焊等几种位置, 因此焊材角度变化很大, 操作比较困难。焊接前, 应当用丙酮或乙醇(勿含硫) 溶剂清除附在管端或焊口的油污, 然后仔细清除距焊口30~60 mm 区域内的氧化膜, 直到呈银白色为止。焊接必须在清刷后1 h 内进行, 以避免管口重新氧化及沾染污物。管件- 管子对口连接时, 壁厚在3mm 以下不开坡口, 对口间隙为015~110 mm。当管壁厚度大于3 mm , 采用V 形坡口焊接。钛材与不锈钢和铝材一样, 表面不得有硬印标记(样冲孔等) , 应用铅笔(色笔) 划线。钛管可用氧乙炔焰或等离子弧切割。切口要留出足够的加工余量, 用机械方法去除表面污染层。钛表面打磨只能用橡胶或尼龙渗合氧化铝的砂轮, 绝不能用打磨过碳钢的砂轮。打磨时不允许出现过热的色泽。为了使焊缝得到与基体金属近似的成分和抗腐蚀性能, 应采用与基体金属成分相同的焊丝。要严格控制钛材及焊接材料的纯度, 尤其是母材及焊丝中的氢、氧、氮和碳要尽可能少。实践证明, 钛材的含碳量较低( ≤011 %) 时焊接裂纹产生的概率很小。其次是严格控制氩气的纯度, 要求Ar >99199 % , N < 01005 % , O < 01002 % , H <01002 % , 水分在01001 mg/ L 以下。焊接前焊丝要清除氧化膜及污物。表2 为TIG 焊工业纯钛TA2 填充金属杂质含量与焊缝金属力学性能之间的关系。

表2  管件- 管子TIG焊焊缝金属的力学性能

 

 

312  焊接操作

管子及管件组对时应保持同心, 严禁强制对口, 以避免产生较大的应力。壁厚相同的管子或管件组对时应内壁平齐, 壁厚不同管子或管件组对时, 当内壁错边量超过规定时, 应进行修理或壁厚削薄, 使其错边量不超过壁厚的10 % , 且不大于110 mm。管接口焊接时, 应先进行点焊定位。定位焊缝的焊接工艺及焊材应与正式焊接相同。焊缝长度为10~15 mm , 高度不应超过壁厚的2/ 3 , 点焊数应根据管件及管子直径和壁厚确定。焊接过程中, 施工人员必须穿戴清洁的工作服和手套, 以免混入灰尘影响质量。焊道表面应清理干净。焊接过程中, 工件严禁振动。工件在焊接过程中需翻转时, 必须等待焊缝金属冷却至200 ℃以下时, 再轻轻翻转。为可靠的保护好钛管接头焊口, 要制作并合理运用各种各样的气体保护罩。如焊把保护罩, 角焊背面保护罩, 内部充氩保护罩等。对于Φ108 mm以下管子采用整体充氩保护为好。

表3  几种不同壁厚管接口的钨极氩弧焊规范参数

 

313  焊后处理

管口的焊后处理主要有2 个方面。一是消除焊接应力(通常多用退火法) 。二是进行管道清洗。焊后应使接头在空气中缓慢冷却(焊后立即用水快速冷却会导致收缩应力裂纹) 。接头冷到可用手摸时, 即可进行焊后的清洗工作(保证管道的清洁与耐腐蚀性) 。此外, 对每个焊缝均进行外观检查和着色试验, 在无咬边、焊瘤、裂缝和气孔的条件下, 再进行无损探伤检查、水压试验和气密性试验。要求较高的管道内外焊缝均需进行清洗。首先用60~80 ℃的热水冲洗, 并去掉污物和残渣。然后用30 %的硝酸溶液洗涤, 再用清水予以冲洗。

314  注意事项

钛TA2 管件- 管子对接采用钨极氩弧焊时应注意以下几点。①施焊环境温度不得低于5 ℃, 相对湿度在80 %以内。②焊接区域应设置适当的防护装置, 使其不受风、雨和雪等天气的影响。③施工现场应保持清洁, 必要时搭设防尘棚, 铺设地板, 配备去湿机。钢铁类机具不得直接接触钛管件及管材。④管接口焊接时, 一旦发现焊后颜色不是银白色或金黄色, 应及时磨去重新焊接。如出现气孔、裂纹, 也应磨去重焊。但亦要严格控制返修及补焊的次数。焊缝同一部位的焊补次数不宜超过2次。⑤严禁在管道表面任意引弧, 焊接前应在引弧板上试焊, 测定提前送氩气, 滞后停氩气的数据是否符合工艺要求。⑥由施工员配合材料员对进场的材料进行严格管理, 必要时对材料进行复验。⑦采用短弧焊效果好, 勿摆动焊枪。用较大口径的喷嘴时, 喷嘴与工件的距离适当缩小以加 强保护。钨极伸出喷嘴的长度宜短些, 以不妨碍观察到熔池为限。⑧焊丝热端在焊接过程中不能脱离保护区, 须将氧化部分切去才能继续使用。焊接结束时要滞后停气, 直至焊接区温度降至材质稳定的范围, 一般温度在200 ℃以下。

4  结语

在焊接某装置的钛( TA2) 管件- 管子数个接口后, 对焊缝进行无损探伤检查, 按规定标准评定, 焊接一次合格率为97 % , 其他焊接缺陷一次返修后复检全部合格。另对其焊缝进行着色渗透探伤, 均未发现裂纹和分层缺陷。由此可见, 只要充分了解和掌握钛的基本特性, 管接口施焊安装过程中, 有针对性地采取相应技术措施, 严格把好各个施工环节质量关, 就可取得优质满意的效果。

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