鈦換熱器焊接施工工法

鈦換熱器焊接施工工法適用范圍

《鈦換熱器焊接施工工法》適用于民用工業(yè)用鈦換熱器焊接施工工程。

鈦換熱器焊接施工工法工藝原理

《鈦換熱器焊接施工工法》的工藝原理敘述如下：

一、鈦焊縫和熱影響區(qū)的400℃以上的區(qū)域極易被空氣、水分、油脂、氧化物等污染，該區(qū)域從焊件表面吸收含氫、氧、氮、碳等雜質(zhì)后，機械性能會大大降低或造成焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔，甚至造成焊接接頭開裂或失效。400℃以上的區(qū)域必須用氬氣保護。

二、鈦的熔點高，熱容量大，導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱差，焊接后，焊縫和熱影響區(qū)尤其是過熱區(qū)的晶粒容易長大，粗大的晶粒使焊接接頭的塑性明顯下降。因此，要保證鈦焊接后焊接熱影響區(qū)獲得良好的塑性，必須選擇合適的線能量進行焊接。

三、鈦管道和焊絲表面常常受到外部雜質(zhì)如油脂、水分、含結(jié)晶水的表面氧化物、含碳物質(zhì)、塵埃、砂粒、有機纖維、臟指印及吸附氣體的污染；用角向磨光機加工坡口或用砂紙擦磨坡口后，磨料的質(zhì)點（主要成分為SiC）也會造成污染。這些物質(zhì)在焊接條件下，因高溫受熱發(fā)生分解，形成游離的氫、氧、碳，并大量溶解在熔池中或與熱影響區(qū)的鈦作用形成鈦的化合物如TiH₂、TiC等，造成焊接接頭機械性能大大降低；部分氧化物的結(jié)晶水還會和鈦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成氣孔；在接頭冷卻過程中，大量溶解在熔池中的氫、氧、碳大量析出形成氣體造成焊接接頭產(chǎn)生氣孔，因此，焊接前，對鈦和焊絲表面層清理效果的對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

1.預(yù)制管道和加工坡口時，通過改變加工和表面處理方法清除焊絲表面、坡口表面及其邊緣的有機物污染；控制加工和表面處理時工件溫度，可防止管道和坡口污染而影響管道的性能或?qū)е潞缚p產(chǎn)生氣孔；

2.焊接過程中，通過對保護氣體純度；焊絲、焊接坡口表面處理；焊接區(qū)域和熱影響區(qū)400℃以上區(qū)域?qū)嵤鍤獗Ｗo，防止管道因焊接加熱引起的強度、韌性下降、開裂、通過對焊工、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、焊接環(huán)境的控制，防止焊接缺陷的產(chǎn)生，保證焊接接頭的性能。

3.鈦管焊接時，保護區(qū)分三部分熔池、背面焊縫、后部焊縫以及影響區(qū)（溫度400℃以上區(qū)域）前兩部分的氣體保護工藝比較成熟，而后部焊縫及熱影響區(qū)則需制作保護罩通氬氣進行特別保護，才能保證焊縫及熱影響區(qū)性能和組織滿足設(shè)計和使用要求。400℃以上區(qū)域范圍為80毫米×60毫米，保護罩的大小就由此確定，即后部長度80毫米、寬度60毫米。

4.鈦的彈性模量僅為鐵素體鋼的一半，在同樣的焊接應(yīng)力下，鈦的焊接變形量也會比鐵素體大1倍，因而焊接鈦時應(yīng)設(shè)法固定焊件，減少焊接變形量。

5.保護罩的主體用δ=0.5毫米的紫銅皮或奧氏體不銹鋼制作。制作程序如下：紫銅皮上放樣→下料剪切→卷邊→點焊固定→焊接密封→銅網(wǎng)填充固定→通氣導(dǎo)管固定→試驗。

鈦換熱器焊接施工工法施工工藝

• 工藝流程

《鈦換熱器焊接施工工法》的施工工藝流程見圖1。

• 操作要點

《鈦換熱器焊接施工工法》的操作要點如下：

一、繪制排版圖（圖2）。

用等離子切割機下料，用刨、銑、磨等機加工方法加工坡口，并嚴格控制尺寸。

二、殼體板卷制、組對、焊接殼體板卷制前，卷板機滾筒表面應(yīng)清理干凈，以免損傷鈦材表面。殼體板卷制、組對、焊接后各項允許偏差如表1。

三、加熱體組裝、穿管、管板焊接

1.將折流板孔邊毛刺清理干凈。

2.將加熱體殼體水平放置于V形枕木上從一端依次進行管板、折流板、管束的組裝。用4根兩端絲牙長100毫米、長度為4200毫米，規(guī)格為M30的拉桿固定上、下管板及折流板，按照一定的順序進行穿管作業(yè)，待管板兩端管束尺寸精度滿足焊接要求時，用管板焊機進行施焊作業(yè)。

四、主要焊接施工工藝及措施

采用鎢極氬弧焊，并根據(jù)焊縫具體位置和形狀制作專用拖護罩用氬氣對焊接區(qū)域及熱影響區(qū)250℃以上區(qū)域進行保護。

1.焊接前準備工作

為了保證焊接質(zhì)量，在焊接前，一定要把接頭坡口和焊絲、切條表面清理干凈，以除掉油污、氧化層及吸氣層。具體程序為：機械清理一酸洗一水洗干燥一除油。

機械清理：用角向磨光機打磨坡口表面，露出金屬光澤后，用刮刀和銼刀將已打磨好的坡口表面的氧化物、雜質(zhì)等清除干凈，刮削深度0.025毫米，用砂布將焊絲和坡口邊緣40~60毫米范圍內(nèi)的氧化物清除干凈后，用丙酮清洗已處理好的表面，防止酸洗后產(chǎn)生新的殘留物。

酸洗：用丙酮清洗后，將焊絲和管子坡口浸入2%~4%HF 30%~40%HNO₃ H₂O酸洗液中2~3分鐘，攪動酸洗液或活動管子、焊絲，待管子和焊絲出現(xiàn)金屬本色時酸洗。

水洗、干燥：酸洗后的管子和焊絲馬上用水沖洗，除掉其表面殘留的酸液和殘留物，然后用清潔的白布揩擦干凈；自然干燥后立即進行焊接，不能立即進行焊接的管口和焊絲，用白布將已處理好的表面包好，以防弄臟。

除油：在組對焊接前，用丙酮再次清洗已經(jīng)經(jīng)過酸洗、水洗和干燥的接頭坡口和焊絲表面。防止焊接氣孔的產(chǎn)生。

2.拖護罩和背面保護裝置制造

1）焊縫正面后端的保護：對已脫離噴嘴保護區(qū)，但仍在250℃以上的焊縫和熱影響區(qū)表面采用氬氣氣流的拖護罩進行保護，拖護罩結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3。

2）焊縫背面的保護：平板對接焊采用背面通氬氣的氣流管實施保護，保護焊縫背面不受有害氣體的侵害。保護裝置如圖4。

3）管板焊接時，管板和管束表面應(yīng)清理干凈，不得留有影響焊接連接質(zhì)量的毛刺、鐵屑、油污等，采用弧形拖罩，拖罩結(jié)構(gòu)圖5。

3.工裝制造

1）組裝、穿管工裝：為保證加熱體組裝的精度及加熱體兩端管板中心線同心度的定位精度，確保293根ф30×2鈦管穿管工序的順利進行，在管板與筒體組裝的施工過程中需設(shè)計制作專用的定位用雙頭螺桿，在管板中心及外圍設(shè)置4根定位用螺桿。

2）穿管臺架：為保證加熱體筒體的水平度及穿管筒體位置精度要求，需制作專用臺架，將加熱筒體固定于臺架上進行穿管工作。

3）吊具：為確保鈦制壓力容器在制作加工廠吊裝工作的需要，防止吊具在另部件的組裝、焊接的過程中劃傷鈦金屬表面，專門定購6根型號為FA01的合成纖維吊裝帶用于容器的制作吊裝工作。

4）為便于鈦制換熱器制造檢驗合格，由制造加工廠運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，需制作成品運輸專用固定支架，確保容器運輸?shù)陌踩?，對成品實施有效的保護。

4.點固焊

1）殼體板δ5毫米拼接時需點固焊，焊點間距為100~150毫米，長度約10~15毫米，點焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及保護氣體與正式焊接相同。

2）焊絲牌號與母材相同，表面不得有氧化層，若有需用細沙打磨，焊絲可放在溫度為150~200℃的烘箱內(nèi)保存，隨用隨取，取焊絲應(yīng)戴潔凈的手套，施焊前應(yīng)切除端部已被氧化的部分。

3）氬氣為一級氬氣，即純度為99.999%露點在-40℃以下，雜質(zhì)總含量小于0.02%，相對濕度小于5%，水分小于0.001毫克/升。

4）管板焊接機專用ф0.8毫米規(guī)格的鈦焊絲需委托管板焊接機廠家繞制成重量為1.0千克左右的焊絲盤供管板焊機使用。

5.焊接

1）采用手工鎢極氬弧焊，電極采用鈰鎢棒。

2）選用與母材成分相同的焊絲，焊絲規(guī)格ф2.5毫米。

選用高純度的氬氣，氬氣純度不小于99.99%。

3）氬氣保護范圍：確保焊接溶池、焊絲及母材上溫度超過400℃的熱影響區(qū)的正反面與空氣隔絕。

焊槍噴嘴直徑選用ф16~20毫米

保護罩保證覆蓋焊縫后部長度140毫米、寬度60毫米區(qū)域，保護罩形式一固定式，半開式、移動式保護罩。為了避免鐵磁物質(zhì)存在造成電弧的磁偏吹，采用厚度為1~2毫米的奧氏體不銹鋼或紫銅制作保護罩外殼，保護罩內(nèi)加4~5層120目的銅絲網(wǎng)，保證保護氣體通氣均勻。大直徑采用半開式拖罩保護，保護方法是在TIG焊矩上附加一個弧形拖罩，寬40~60毫米、高60~70毫米、長120~140毫米。

4）焊工按照《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》GB 50236要求考試合格。

5）使用帶高頻引弧裝置、電流衰減裝置和延時氣體保護裝置的焊機，如ZX7-300ST等，直流正接。

6）焊接規(guī)范：見按照公司焊接工藝評定報告編制的焊接工藝指導(dǎo)書或參考表2。

6.管板焊接順序：按圖6將管板中的管孔分為8區(qū)域，每個區(qū)域又以三個管孔為一個焊接單元，依次向管板外側(cè)進行，直至區(qū)域全部焊完第一遍，具體順序為1-5、3-7、2-6、4-8。接著，再重新從第一區(qū)域?qū)㈠e開的單元按上順序依次焊完，完成整個焊接工作，換熱管與管板端頭的焊接采用管板焊接機（型號Digital305-GB80）進行。

7.鈦焊縫表面的形狀尺寸及外觀要求：

1）焊縫和熱影響區(qū)表面用10倍放大鏡進行100%檢查，不應(yīng)有裂紋、未溶合、氣孔、弧坑、夾雜等缺陷。

2）鈦壓力容器焊縫表面不應(yīng)有咬邊。

3）鈦焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的規(guī)定見表3。

參考資料：

《鈦換熱器焊接施工工法》所用的材料及設(shè)備見表4。

參考資料：

《鈦換熱器焊接施工工法》的工法特點是：

1.防止空氣污染焊接接頭的方法簡單有效；施工工期短，效率高，焊接接頭合格率高。

2.采用鎢極氬弧焊焊接，根據(jù)不同的接頭形式制作不同形式的熱影響區(qū)保護罩，制作成本低，焊工操作方便，保護效果好。

3.用普通的焊接設(shè)備通過嚴格的焊接工藝參數(shù)控制，保證了焊接接頭的性能，經(jīng)濟適用。

4.利用傳統(tǒng)的機加工方法進行坡口加工，施焊前用化學(xué)方法對焊接坡口和焊絲表面進行處理，可有效防止焊縫產(chǎn)生氣孔。該方法簡單、適用、可行，實施效果好，處理成本低，是該工法的創(chuàng)新點。

鈦是一種化學(xué)性質(zhì)比較活潑的金屬，有良好的耐腐蝕性和較高的強度、重量比，在航空、造船、化學(xué)、制鹽工業(yè)、輕工等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，民用工業(yè)用鈦中約有3/4用于容器。

由十四冶建設(shè)集團云南安裝工程有限公司壓力容器廠承擔制造的云銅電解九、十跨七臺鈦換熱器和云南省第二安裝工程公司承接的思茅紙廠廠區(qū)工程鈦換熱器，采用手工鎢極氬弧焊焊接，主要施工難點：

1.施工現(xiàn)場安裝時，由于焊接接頭形式和位置各異，焊縫和熱影響區(qū)的400℃的保護比較困難，焊接時如何防止焊縫和熱影響區(qū)的400℃以上的區(qū)域受污染是鈦管道焊接的難題。

2.有的焊縫由于產(chǎn)生了氣孔而返修時，用傳統(tǒng)的方法即清除焊接缺陷用角向磨光機打磨焊縫后，酸洗一水洗一干燥一再用丙酮清洗，然后進行返修，結(jié)果在返修區(qū)域會產(chǎn)生密集的蜂窩狀的氣孔，其數(shù)量和尺寸遠遠超過返修前，如何防止焊縫產(chǎn)生氣孔是鈦管道焊接的難題之一。

3.鈦焊接后，焊接接頭的塑性明顯下降。如何保證焊接接頭的性能鈦管道焊接的難題之一針對上述難點和特點，兩家公司聯(lián)合成立了鈦焊接專項技術(shù)攻關(guān)小組，通過到上海等地調(diào)研學(xué)習和自主試驗，進行了鈦管焊接專項技術(shù)攻關(guān)，解決了上述難題，完成了TA2焊接工藝評定試驗和焊工培訓(xùn)考試，在安裝工程中不斷改進完善，形成了一套行之有效、具有一定技術(shù)含量的鈦材焊接施工工藝，編制了《鈦換熱器焊接施工工法》，成功地解決了鈦換熱器焊接問題，制造的鈦換熱器質(zhì)量達到優(yōu)良，并一次性通過云南省特種設(shè)備檢測中心的監(jiān)檢。

《鈦換熱器焊接施工工法》的質(zhì)量控制要求如下：

一、按照公司建立的符合GB 19001、GB/T 14001、GB/T 28001標準要求的質(zhì)量、環(huán)境、職業(yè)健康安全管理體系要求進行質(zhì)量控制。

二、制造符合下列標準

《鈦制焊接容器》JB/T4745-2002；

《管殼式換熱器》GB151-1999；

《壓力容器無損檢測》JB 4730-94；

《鈦制設(shè)備設(shè)計技術(shù)規(guī)定》CD 130A8-87。

三、質(zhì)量控制措施

1.鈦制容器的制造加工應(yīng)在防塵、防風、防潮、防混合氣體，清潔、寬敞、平整及道路通暢的封閉環(huán)境中進行并與鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)區(qū)隔離，防止鐵的污染。

2.場地施工環(huán)境改造，制造鈦容器的場地應(yīng)鋪設(shè)橡膠或其他軟質(zhì)材料，以免碰傷、擦傷鈦金屬表面；鈦制零部件不應(yīng)與鋼件等混放，應(yīng)經(jīng)常清理現(xiàn)場，清除切屑等雜物。為保證施工環(huán)境的要求在廠房內(nèi)改造一塊場地用于鈦容器的組裝和焊接，將鈦材焊接區(qū)域與鋼結(jié)構(gòu)制作區(qū)分離開確保施焊的環(huán)境在無塵、無煙、防風的條件下進行。

3.檢驗焊接接頭的力學(xué)性能和彎曲性能，制作縱焊縫產(chǎn)品焊接試板，制取試樣，進行拉力、冷彎和必要的沖擊試驗。

四、主要質(zhì)量控制點

1.材料檢查驗收。

2.坡口加工、組對檢驗。

3.焊前對母材、焊絲的清理。

4.焊接過程中對焊縫、熱影響區(qū)的保護。

5.焊縫外觀檢驗和色澤檢查。

6.焊縫射線探傷。

7.試壓及清洗用水（潔凈水）。

1.《鈦換熱器焊接施工工法》在整個過程中因施工工序的連續(xù)性，工藝的成熟能有效的利用材料，降低成本，最大限度地消除對周圍環(huán)境的影響，做到了質(zhì)量有保障、環(huán)境無影響、職業(yè)健康安全有保證，為2009年后類似工程項目提供了可靠的依據(jù)及技術(shù)指標，取得更好的社會效益和環(huán)境效益。

2.《鈦換熱器焊接施工工法》對鈦制設(shè)備的制造及鈦材焊接等方面具有較強的指導(dǎo)意義，有利于先進施工工藝的推廣和應(yīng)用，提高企業(yè)的競爭力。

采用《鈦換熱器焊接施工工法》施工時，除應(yīng)執(zhí)行國家、地方的各項安全施工的規(guī)定外，尚應(yīng)遵守注意下列事項：

1.焊工穿白色帆布工作服、翻毛皮鞋、配焊工手套和頭戴式面罩。配合焊工的工作人員配墨鏡、工作靴和工作服。

2.酸洗、色澤檢驗人員戴橡膠手套進行操作。

3.安全用電、防火、防爆、防高空墜落、防弧光傷害措施和普通焊接相同。

《鈦換熱器焊接施工工法》的應(yīng)用實例如下：

1.云銅電解九、十跨、云銅廣東清遠電解100M2列管式鈦換熱器制作工程

云銅電解九、十跨100M2列管式鈦換熱器制作工程，共計制造7臺。換熱器用于飽和水蒸氣和電解液介質(zhì)間的能量轉(zhuǎn)換，換熱器高度4814毫米，殼體直徑ф800，管板直徑ф975，殼體厚度5毫米，管板厚度26毫米，換熱器內(nèi)部安裝有293根ф30×2毫米的鈦管，除折流板為1Cr18Ni9Ti外其余材料均用TA2工業(yè)純鈦制造。

2.思茅紙廠廠區(qū)工程2萬/年燒堿的氯堿車間和年產(chǎn)6萬噸紙漿紙的制車間的二氧化氯工段的氯氣、二氧化氯氣體TA2管道，拍片381張，一次合格率97.5%。

3.云南鹽化股份有限公司10萬噸/年燒堿裝置干氯氣、濕氯氣等劇毒介質(zhì)TA2管道，拍片3316張，一次合格率98.1%。

4.云南南磷集團10萬噸/年燒堿裝置安裝過程中，安裝了23種規(guī)格為ф20×2~ф159×4.5的工業(yè)純鈦（TA1、TA2）管道，45天完成全部安裝，比同類工程同數(shù)量管道安裝縮短工期15天，拍片10417張，一次合格率98.5%。

《鈦換熱器焊接施工工法》的環(huán)保措施如下：

1.施工現(xiàn)場材料、機具、半成品及成品應(yīng)按規(guī)定位置堆放整齊，場地整潔，有序。

2.嚴格遵照國家或行業(yè)的各工種勞動保護條例規(guī)定實施環(huán)境保護。

3.保持車間整潔干凈，成品、半成品、零件、余料等材料要分別堆放，并有標識。

4.廢料要及時清理，并在指定地點堆放，保證施工現(xiàn)場的清潔和施工道路的暢通。

5.進行射線檢測時，應(yīng)在檢測區(qū)域內(nèi)劃定隔離防范警戒線，并遠距離控制操作。

6.嚴格控制噪聲在95分貝以下，對于某些機械的噪聲無法消除時，應(yīng)采取相應(yīng)的個人防護措施。

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質(zhì)[2011]154號，《鈦換熱器焊接施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。

鈦換熱器因金屬離子不易流失、所以可充分利用這種非磁性特點，用做制藥及食品等用途的換熱器。由于鈦的抗腐蝕能力強、所以器換熱器的使用壽命長、并且在使用中維護費用也少。此外、因其具有體積小、換熱能力大等優(yōu)點、相關(guān)設(shè)備（如泵）的投資及運行費用也能相應(yīng)減少 。|

在實際運用中，換熱器的換熱效果與換熱器的物料及工藝特性有很大的關(guān)系。 物料在濃縮過程中，溶質(zhì)或雜質(zhì)常在加熱表面沉積、析出結(jié)晶而形成垢層，影響傳熱；有些溶質(zhì)是熱敏性的，在高溫下停留時間過長易變質(zhì)；有些物料具有較大的腐蝕性或較高的粘度等等。

鈦換熱器物理性質(zhì)

鈦換熱器選用優(yōu)質(zhì)鈦管制成。在物理性質(zhì)上，鈦管具有質(zhì)量輕，機械性能優(yōu)越等多種優(yōu)點。鈦的強度大，純鈦抗拉強度最高可達180kg/mm²。有些鋼的強度高于鈦合金，但鈦合金的比強度（抗拉強度和密度之比）卻超過優(yōu)質(zhì)鋼。此外，鈦合金有好的耐熱強度、低溫韌性和斷裂韌性 。

鈦換熱器化學(xué)性質(zhì)

在化學(xué)性質(zhì)上，鈦表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，在多種工業(yè)溶液中都具有良好的耐腐蝕性。工業(yè)純鈦是優(yōu)良的制冷設(shè)備配件材料。

工業(yè)純鈦可廣泛使用于有機化合物、堿溶液、以及鹽溶液等介質(zhì)中，且不易與之發(fā)生反應(yīng)，耐腐蝕性優(yōu)良；純鈦在常溫下對低濃度的鹽酸、硫酸、硝酸等無機酸具有良好的耐腐蝕性；但隨著介質(zhì)濃度以及工作溫度的增加，工業(yè)純鈦易與上述無機酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得鈦的耐腐蝕性降低，因此，在換熱過程中應(yīng)當注意介質(zhì)的濃度與工作溫度。

工業(yè)純鈦在常溫下對蟻酸、草酸、乳酸等有機酸具有良好的耐腐蝕性。