鋯及鋯合金管道焊接工法

鋯及鋯合金管道焊接工法適用范圍

《鋯及鋯合金管道焊接工法》不僅適用于化學工程、有色金屬工程、核工程中鋯及鋯合金工藝管道的室內活動焊口的焊接，同樣適用于室外固定焊口的焊接 。

鋯及鋯合金管道焊接工法鋯材特點

1、鋯屬于稀貴金屬材料，物理、化學性能獨特，焊接時應根據(jù)其特性，制訂工藝措施，以滿足獲得質量合格的焊接接頭的要求。

2、工業(yè)純鋯是銀白色金屬，密度6.5克/立方厘米、熔點1852℃、比熱容29焦耳/（千克·K）、電阻率45微歐姆·厘米，線膨脹系數(shù)5.9X10^-6K，由于鋯的熔點高，比熱容和導熱率小，焊接宜采用大規(guī)格、快焊速。

3、鋯材化學活性大，當被加熱到焊接溫度時，很容易熔解材料表面的氧化物，還與大多數(shù)元素和化合物發(fā)生反應，引起材料機械性能和耐蝕性能惡化。焊前應對材料表面進行機械清理和化學清洗。

4、鋯材化學活性大，高溫下會與氫、氧、氮等氣體發(fā)生反應。氫、氧、氮與鋯形成脆性化合物，使鋯的塑性、韌性和耐蝕性能急劇降低。因此，在焊接過程中，采用改進的特殊工裝，使鋯管焊接區(qū)域溫度可能超過200℃部位全部處于充足的惰性氣體的有效保護之中，不僅室內活動口，室外固定焊口的質量同樣能達到鋯管焊接質量標準 。

鋯及鋯合金管道焊接工法工藝原理

《鋯及鋯合金管道焊接工法》采用手工鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）焊接方法。焊前對鋯管坡口及熱影響區(qū)進行機械清理和化學清洗，除去母材表面的氧化膜和油污；焊接過程中，通過控制熱輸入降低焊接區(qū)域高溫停留時間，利用脈沖焊機脈沖的可調性及參數(shù)寬范圍的調節(jié)性，能夠控制熔池溫度，降低焊接區(qū)域的溫度，實現(xiàn)控制熔池焊接區(qū)域溫度的目的。同時，采用特殊的保護工裝，使鋯管焊接區(qū)域溫度可能超過200℃部位的局部或全部處于惰性氣體的有效保護之中，管道內部進行大流量充氣直至全部焊道完成冷卻至室溫后撤掉保護，達到鋯管焊接之目的 。

鋯及鋯合金管道焊接工法工藝流程

《鋯及鋯合金管道焊接工法》工藝流程如下：

施工準備→材料驗收→劃線檢驗→下料及坡口加工→坡口周邊處理→焊件組對→焊接→焊縫外觀檢查→焊縫PT、RT探傷→管道水壓試驗→排水、干燥

鋯及鋯合金管道焊接工法操作要點

一、施工準備

1、焊接工藝評定及焊工考試

施工前，按照ASME第Ⅸ卷的有關規(guī)定進行焊接工藝評定；根據(jù)焊接工藝評定編制焊接工藝指導書，指導焊工培訓；參照ASME第Ⅸ卷要求進行焊工考試，取得作業(yè)人員證的焊工，方可參加焊接施工。

2、場地準備

為了避免雨、雪、風、霜等干擾，需要搭設一個活動暖棚。棚架釆用Φ48X3腳手架管，棚壁用一層加厚阻燃蓬布蒙著，留一人、物進出口。棚內釆用36伏安全電壓照明。環(huán)境溫度不得低于15℃，相對濕度不得大于90%。

二、材料驗收

管子、管件、螺栓、墊片、閥門、焊材等必須有制造廠出廠合格證和質量證明書。管子應逐根檢查其外徑、壁厚；表面應光滑、清潔、不得有裂紋、折疊、過腐蝕和劃傷等缺陷；管件、螺栓應符合設計要求，無超標缺陷。

三、劃線檢驗

操作人員應認真熟悉圖紙，因材料價格昂貴，劃線后應認真進行自檢、互檢和技術人員復查，并做好標記移植。

四、下料及坡口加工

鋯管的切割和坡口的加工應盡可能采用機械方法，如鋸、車、鐵、鉆、刨等，并配合水或冷卻液降溫，避免溫升造成材料損害。大件必須采用熱切割方法加工時，應留有足夠余量，并采取措施保護管子內外表面，防止灼傷，切割后應釆用機械方法除去污染層。

坡口周邊25毫米范圍內外表面較厚的氧化膜，可使用砂輪機、電磨、銼刀、刮刀進行清理，坡口表面應光潔、無毛刺、凹坑和殘存砂粒等缺陷，最后還應使用不銹鋼絲刷仔細清理，加工使用的工具應為專用，并保持清潔。加工完成的坡口應經PT探傷檢査合格。

五、坡口周邊處理

加工完成的坡口周邊75毫米范圍內外表面，使用合適的溶劑（丙酮、酒精）清洗，除去材料表面的油脂、水分、灰塵。

清理完成的焊件應立即進行焊接或對焊接區(qū)域采取防塵措施，放置時間不宜超過8h，否則應再次清理。填充焊絲焊前必須用溶劑清除其表面的油脂、殘留潤滑劑和灰塵等污物。

六、焊件組對

管子、管件對接焊口的組對應做到內壁齊平，內壁鋯邊量不宜超過壁厚的10％且不大于1毫米。采用木錘或銅錘敲打，不允許強力組裝。點固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度2/3，點固焊縫不得有裂紋、氣孔及不允許存在的氧化變色等缺陷。

七、焊接

1、保護工裝的改進

由于鋯材的焊接作業(yè)是在室外進行，為了進一步提高氬氣的保護效果，使焊接質量達到要求，在原來的氯氣保護工裝上進行了一些改進。

（1）為了使管內充氣堵板與管內徑嚴密貼合，以提高保護效果，減少氯氣耗費，把原來剛性的充氣堵板改為用柔性材料制作。

（2）外部保護拖罩由原來的與被焊管間的剛性接觸改為柔性接觸，使焊接運動過程中拖罩與被焊管間的間隙始終處于柔性封閉，彌補可能產生的封閉不緊密，防止空氣卷入焊接高溫區(qū)域。這一措施大大提高了保護效果，又減少了氬氣的耗費。

（3）外部保護拖罩內的保護網材料由剛性材料改為更為耐用的柔性材料，既能較好地保證流出的保護氣體呈層流狀態(tài)，又節(jié)約成本提高效率。

2、焊接工藝

（1）釆用氮弧焊焊接工藝，利用脈沖焊機脈沖的可調性及參數(shù)寬范圍的調節(jié)性，控制熱輸入降低焊接區(qū)域高溫停留時間，有效地控制熔池溫度，降低焊接區(qū)域的溫度，實現(xiàn)控制熔池焊接區(qū)域溫度的目的。

（2）由獨立的氣路提供各區(qū)域保護氣流，且互不干擾。

（3）焊接過程中，焊絲加熱端應始終處于氧氣保護區(qū)內，送絲應均勻并防止帶入空氣。滅弧后，焊絲可暫不拿出熔池，如果焊絲發(fā)生污染變色，則應至少切除25毫米。焊接采用大規(guī)范、快焊速，避免焊槍橫向擺動，當單道焊不能滿足焊縫寬度要求時，可采用壓道焊。

（4）層間溫度應控制在100℃以下，層間清理可使用銼刀或扁鏟除去弧坑、飛濺及不利于下道焊接的焊瘤、凸起等缺陷，并使用不銹鋼絲刷除去輕微的表面變色，必要時應使用溶劑清洗焊道及熱影響區(qū)表面，除去工具、手套造成的污染。

（5）不同壁厚管道對接時，當壁厚差小于或等于2毫米時可以直接焊接；當壁厚差大于或等于3毫米時，則應按右圖進行加工。

（6）焊接定位焊縫時，應釆用與正式焊接相同的焊絲和焊接工藝，并應由合格焊工施焊。定位焊縫表面的氧化膜應清理干凈，并應將其兩端修整緩坡形。定位焊縫尺寸應符合下表規(guī)定：

（7）焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)見下表：

3、焊接操作

（1）焊接采用三人組合焊方式，即一人焊接，一人持正面托罩，一人監(jiān)控氣體配送的相互配合，對焊接區(qū)域進行充分的保護，以達到必須的保護要求。

（2）焊接時鎢極端部與工件的距離為2毫米，焊槍、焊絲和焊工三者的位置既要便于操作，又要保護好焊接熔池；焊絲與焊縫之間的傾角為10°左右，如傾角太大，容易擾亂電弧及焊接保護氣流的穩(wěn)定性；焊槍與工件表面夾角宜在80°~90°之間。

（3）當鎢極與工件接觸時，應立即停止焊接，將鎢極、焊絲和接頭處處理干凈后方可繼續(xù)焊接。

（4）焊接過程中，如發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)不允許的污染變色時，應立即停止焊接，査明原因，采取措施，并經驗證確實有效后，方可繼續(xù)焊接。對污染嚴重的焊縫，必須鏟除干凈，并進行必要的修復后方可進行下步焊接工作。

（5）多層多道焊時，每層焊道接頭應錯開，每焊完一遍即應將焊縫表面氧化膜清理掉。為保證焊接質量，焊接時層間溫度不應超過100℃。當班未完成重新焊接前應當對前層焊道使用無硫乙醇或無硫丙酮擦拭脫脂清理。

（6）當鎢極氬弧焊的鎢極前端出現(xiàn)污染或形狀不規(guī)則時，應進行修磨或更換，當焊縫出現(xiàn)觸鎢現(xiàn)象時，應將鎢極、焊絲、熔池處理干凈后方可繼續(xù)進行施焊。

（7）焊接過程中，如出現(xiàn)點固焊開裂，造成錯口時應立即停止施焊，并應立即進行修復，然后繼續(xù)焊接。

八、焊縫外觀檢査

焊后必須進行外觀檢查，焊縫及熱影響區(qū)不得存在夾渣、氣孔、裂紋、咬邊、熔合性飛濺和超過規(guī)定的顏色變化。

九、焊縫PT、RT探傷

1、焊后對焊縫正反兩面必須進行100%PT探傷檢査，如果背面不能接近，則打底焊道表面必須進行100%PT探傷檢査。

2、對接焊縫焊后進行100%RT探傷檢查，其線性象質計金屬絲的材料應與管材相一致。

十、水壓試驗

管道安裝完畢后，按設計要求進行水壓試驗，試驗合格后用壓縮空氣將管內積水吹干 。

十一、勞動力組織

施工單位采用《鋯及鋯合金管道焊接工法》的勞動力組織見下表：

施工單位采用《鋯及鋯合金管道焊接工法》時，材料設備按以下要求：

一、焊接設備

焊接設備應能滿足使用要求。為了保持電弧電壓的穩(wěn)定和能方便地調節(jié)電流，焊機選用直流氬弧脈沖焊機，焊機具有多調節(jié)性，參數(shù)連續(xù)可調。為了消除鎢極和大氣對焊縫的污染，焊機應有自動引弧、熄弧、電流衰減、提前送氣和滯后斷氣程序控制。焊槍的結構尺寸，應能保證接近焊縫和從噴嘴中流出的保護氣體呈層流狀態(tài)，噴嘴內配有氣體梳流透鏡。

二、焊接材料和電極

鋯和鋯合金管道焊接應按AWS標準選用焊絲，原則是焊絲雜質和氣體含量較母材高一個等級，其化學成分、機械性能應符合《鋯和鋯合金焊絲和填充絲標準》ASME SFA-5.24的要求。

焊絲須經外觀和金相檢驗，其表面應光滑，無毛刺疤痕、折皺和裂紋，內部無包覆的潤滑劑和其他污物。

電極通常采用鈰鎢極（Ce-2），規(guī)格為2.4~3.2毫米。使用前應將電極修磨成平底錐形。

三、保護氣體

保護氣體可選擇氬氣、氮氣或二者混合氣體。因氬氣密度較空氣大，可避免焊接過程中的擾動卷入空氣，且價格比氮氣便宜，通常采用高純度的氬氣，純度應≥99.999%。

儲存氬氣的氣瓶必須干燥，沒有任何殘留氣體和液體。氣瓶岀口處氬氣的露點應低于-50℃。當氣瓶壓力低于98兆帕時應停止使用。輸送氬氣的管道應為金屬軟管或塑料、尼龍管，不允許使用有吸濕性的橡膠管。輸送氬氣的管道應沒有殘留水分和泄漏。

四、主要工機具

主要焊接工機具見下表：

《鋯及鋯合金管道焊接工法》與原工法相比，該工法具有以下特點：

1、解決了室外固定口焊接難題：不僅可以進行室內活動口的焊接，對于室外固定口的焊接，同樣可以保證焊接質量。

2、對原來的保護工裝進行了改進，既提高了保護效果，也提高了焊接效率，同時節(jié)約了氬氣。

3、使用非熔化極脈沖氬弧焊機，利用焊機脈沖的可調性及參數(shù)寬范圍的調節(jié)性，能夠有效地控制熔池溫度，降低焊接區(qū)域的溫度，實現(xiàn)控制熔池焊接區(qū)域溫度的目的。

4、研究開發(fā)出適合鋯材焊接施工驗收的企業(yè)標準《特種材料管道焊接施工驗收規(guī)定》，可以保證焊接質量，焊縫一次合格率可達98.8%以上。

5、中國化學工程第六建設有限公司和陜西化建工程有限責任公司為減少焊工在室內焊接時吸收大量的氯氣及其他有害氣體，研制出一套焊接工位環(huán)境保護裝置，改善了焊工作業(yè)條件 。

中國化學工程第六建設有限公司和陜西化建工程有限責任公司于1994年承建的江蘇鎮(zhèn)江索普集團10萬噸/年醋酸工程。其主裝置中工藝管道材料選用了鋯材Zr702（ASTMR60702）。經過反復研究試驗，兩公司研制出采用特殊的工裝、在大氣中采用手工鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）并總結成《鋯及鋯合金管道焊接工法》。

1997年以來，通過多項工程的實踐，中國化學工程第六建設有限公司和陜西化建工程有限責任公司對原技術進行了創(chuàng)新，改進氬氣保護工裝，優(yōu)化焊接工藝，解決了過去不能在室外進行焊接的難題?！朵喖颁喓辖鸸艿篮附庸しā饭に囉?009年9月18日通過陜西省石油化工科技開發(fā)協(xié)會組織的專家鑒定。2011年3月25日《鋯及鋯合金管道焊接工法》通過了中國化工施工企業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，認為該工法具有推廣應用前景，同時被評為2009~2010年度（部級）工法 。

施工單位采用《鋯及鋯合金管道焊接工法》時的工程質量控制要求：

一、控制措施

1、上崗焊工選擇責任心強、心理穩(wěn)定性好有三年以上奧氏體材料氬弧焊經驗的焊工，進場焊接前須經過不少于3天使用脈沖焊機、鋯材焊絲、鋯管材的適應性訓練達到要求后才能夠正式進行焊接作業(yè)，焊口各項檢驗一次合格率100%。

2、施工安裝現(xiàn)場建立臨時鋯材預制潔凈車間，潔凈室地面應進行處理。預制車間設原材料堆放、焊前準備、焊口組對、焊接、焊接半成品堆放等幾個功能區(qū)域，防止相互干擾，影響人員操作技能發(fā)揮。

3、工作平臺、組對卡具釆用奧氏體材料，敲擊工具采用紫銅或橡膠錘減少鐵離子的污染。

4、管道焊接時，檢査員應檢查每層焊道的表面顏色。焊道表面應為銀白色，完工的焊縫表面允許有淡黃色或淺藍色存在，但必須用不銹鋼絲刷去除。如果出現(xiàn)更深的表面顏色變化，則應對受污染的焊縫及附近母材進行修復。

5、每個焊工每焊20個鋯管焊口或10米焊縫長度時，檢査人員有權指示焊工按焊接產品的相同工藝焊接一試管，經加工成兩根彎曲試樣，按工藝評定要求進行面彎和背彎試驗。如果彎曲試驗不能通過，表明該焊工焊接的產品質量不合格。

6、焊縫如果存在不允許的缺陷，必須進行返修。缺陷應采用機械方法或其他合適的方法去除，并經PT探傷檢査，確認缺陷已全部消除后，方可補焊。焊縫返修的焊前清理、焊接工藝、焊接檢驗應按原要求進行。

7、為了檢查控制鋯焊縫可能的氧化程度，除了目視檢查顏色變化外，還釆取對每一道口進行硬度測試，嚴格控制了焊縫的氧化。

8、焊接過程中對焊口質量形成過程不斷總結，對焊接質量有懷疑時就停下來分析問題，改進焊接工藝和操作方法，排除產生缺陷的隱患，確保焊接質量。

二、質量控制標準

1、《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅱ、Ⅷ、Ⅸ卷2007版。

2、《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》GB50235-2010_。

3、《現(xiàn)場設備、工藝管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》GB50236-1998。

4、鑒于鋯及皓合金管道施工及驗收規(guī)范在中國國內還不完善，中國化學工程第六建設有限公司和陜西化建工程有限責任公司參照ASTM標準體系，并結合該企業(yè)多年鋯及鋯合金、鎳基合金中的哈氏合金管道施工的實踐經驗總結并編制了一套《特種材料管道施工及驗收規(guī)定》Q/LJ010402.45-2009企業(yè)標準。在該公司承建的醋酸裝置中，鋯及皓合金管道的焊接施工同樣應執(zhí)行此標準 。

一、經濟效益

1、施工單位采用該工法進行鋯化工工藝管道焊接，不僅可以節(jié)約成本，同時可以提高效率，為企業(yè)承接類似工程提供了技術支持：與原來的氬氣保護工裝相比較，原來一瓶氬氣焊幾個達因的焊口，采用該工法減少了氬氣的消耗，一瓶氬氣可以焊更多個達因的焊口。外部保護拖罩內的保護網由剛性材料改為柔性材料更為耐用。一個保護網可以用于焊接更多個達因的焊口，既節(jié)約了成本，又提高了效率。

2、采用本技術進行鋯化工工藝管道的現(xiàn)場焊接，可以確保焊接質量，保證裝置的安全穩(wěn)定運行。

3、由于解決了鋯材室外焊接難題，減少了連接法蘭的用量，降低了工程造價，為業(yè)主節(jié)約了成本。

二、社會效益

隨著中國國民經濟的快速發(fā)展，鋯材在化工行業(yè)，特別是在醋酸裝置中得到廣泛應用。并且中國醋酸裝置國產化程度不斷提高，醋酸裝置的規(guī)模不斷擴大，及19世紀20世紀初中國國內進口醋酸裝置的技改與維修，鋯及鋯合金管道焊接技術必將有推廣應用前景，其經濟效益與社會效益都有。同時，鋯及鋯合金管道焊接技術的開發(fā)與應用，為鋯材在民用化工行業(yè)的廣泛應用提供了技術支持 。

1、施工單位的上崗人員應嚴格執(zhí)行公司安全、防火規(guī)章制度及本工種安全操作規(guī)程，還應執(zhí)行有關用電、高壓氣瓶、化學藥品等專用管理制度、規(guī)程。

2、焊接操作區(qū)應清除易燃易爆物品。

3、所有用電器具均應接地良好，其接線、維護應由專業(yè)人員進行。

4、焊接操作區(qū)應設擋板隔離，防止光輻射危害。

5、焊接操作區(qū)應有通風措施，鎢極磨削宜采用濕式或封閉式砂輪機，防止粉塵污染。

6、焊接操作區(qū)應配備足夠的消防器材，鋯切屑、碎末在空氣中有自燃性，應集中存放在儲水容器中。

7、施工單位工作結束后，應切斷電源，仔細檢査，確認無起火危險后方可離開現(xiàn)場 。

一、工程實例

中國化學工程第六建設有限公司和陜西化建工程有限責任公司采用《鋯及鋯合金管道焊接工法》承建完成20多套醋酸裝置，主要包括：

• 上海焦化廠2萬噸醋酊裝置；

• 山東兗礦聯(lián)工發(fā)化工有限公司20萬噸/年醋酸裝置建筑及安裝工程；

• 兗礦國泰20萬噸/年醋酸改擴建工程；

• 榆林卓越能源公司15萬噸/年醋酸項目工程；

• 云南云維股份有限公司20萬噸/年醋酸裝置工程；

• 河南駐馬店順達20萬噸/年醋酸工程；

• 山東德州華魯恒升20萬噸/年醋酸 2萬噸/年醋酎工程；

• 河北建滔集團40萬噸/年醋酸工程；

• 安徽巢湖皖維集團5萬噸/年醋醉工程；

• 河南駐馬店36萬噸/年醋酸技改項目；

• 南京塞拉尼斯60萬噸/年醋酸工程主裝置；

• 天津堿廠搬遷改造工程20萬噸/年醋酸裝置；

• 河南龍宇煤化工40萬噸醋酸裝置；

• 延長石油集團榆林20萬噸醋酸項目。

二、延長石油項目

延長石油集團榆林20萬噸/年醋酸項目有1053.4米鋯材管道，焊接量9340達因，因為采用室外焊接，節(jié)約鋯材法蘭150余對（價值約150萬元），采用《鋯及鋯合金管道焊接工法≧》進行鋯材管道的焊接，降低人工及輔材費30%，實際工期比原計劃工期縮短6個月，試壓一次成功。受到業(yè)主及監(jiān)理單位的好評，取得了經濟效益和社會效益 。

注：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

1、潔凈室的焊接作業(yè)區(qū)域內制作具有優(yōu)良通風功能的焊接平臺，最大限度地減少高純氬在空間底層的聚集和高密度電孤作用下產生臭氧的濃度，避免焊工過多的吸入氬氣和臭氧產生的頭暈惡心等不良生理反應，保證作業(yè)人員的身體健康。

2、施工單位在作業(yè)現(xiàn)場配置吸氧裝置，降低焊工吸入過多的氬氣和臭氧對身體健康的影響。

3、施工單位加強對酸洗鈍化液體的管理，嚴禁將廢液倒入土質地面或水渠，應集中存放交有處理廢液資質的單位處置。

4、施工單位應對于鋯材的邊角料和其他不產生嚴重化學污染的輔材廢料，分類集中保管或作為工業(yè)垃圾集中處置 。

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單（升級版）》，以建質[2011]154號文件公布，《鋯及鋯合金管道焊接工法》被評定為中國國家二級工法 。2100433B

2017年9月29日，《鋯及鋯合金管材渦流檢測方法》發(fā)布。

2018年4月1日，《鋯及鋯合金管材渦流檢測方法》實施。

AB型化合物中一種氚貯存合金。其中氚貯存用金屬鈾的氚化物UH₃，最大缺點是U及UH₃在室溫下與空氣強烈反應燃燒，粉化為超細粉并帶入氚工藝系統(tǒng)。鋯鈷氫化物ZrCoH_x在室溫下平衡離解壓低，不易燃燒、粉化，貯氚密度高，衰變氦-3釋放百分比小等優(yōu)點，是優(yōu)異的氚貯存材料。用高純鋯粉、鈷粉按比例混勻， 在無熔化極氬弧爐內熔煉，塊材經均勻化處理、壓碎(20～120目)成粉， 在化學床經400℃真空除氣，在低于10Pa下充入1MPa高純氫經3～4次氫化、去氫化循環(huán)，使吸氫飽和，ZrCo 完全活化。ZrCo合金吸氫量達205～ 224mol/g，金屬鈾僅為140mol/g。 ZrCoH₃吸氫量達1.83～1.97at.%， 吸氫后體積膨脹18%，在590至 670℃有較寬的平衡平臺壓力，反應焓 93.6kJ/molH₂。ZrCo粉升至60℃快冷至室溫堆體顏色無明顯變化。 ZrCOH₂粉接觸空氣5分鐘后緩慢燃 燒，由室溫升100℃后緩冷至室溫未燃燒。