鋯及鋯合金管道施工技術(shù)簡介

左 彬，韓利強，王婭輝

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201)

鋯與鋯合金的耐腐蝕性能優(yōu)異、強度高、熔點高、膨脹系數(shù)低等，在醫(yī)學、原子能、核工業(yè)、航天、航空等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1]。現(xiàn)階段，鋯與鋯合金制造的設(shè)備，在腐蝕環(huán)境以及其他惡劣環(huán)境中應(yīng)用廣泛。加工鋯與鋯合金設(shè)備時，焊接是重要的連接方法。本文以350kt/a的醋酸設(shè)備中鋯與鋯合金的管道工程為例進行研究。

1 鋯與鋯合金焊接特性

鋯與鋯合金焊接殘余應(yīng)力低，液態(tài)流動性突出，彈性模量小，焊接性能良好。然而，在315℃條件下，會出現(xiàn)強烈吸氫現(xiàn)象；在400℃條件下，會出現(xiàn)強烈吸氧現(xiàn)象，產(chǎn)生ZrO2；若超過800℃則會出現(xiàn)強烈吸氮現(xiàn)象，產(chǎn)生ZrN。氧氣會嚴重影響鋯與鋯合金韌性以及塑性，氮氣會嚴重影響鋯合金耐腐蝕性能。焊接施工時，金屬吸收這些氣體后，其耐腐蝕性能以及力學性能會急劇下降。所以，鋯合金管材施工過程中對于保護措施、工藝參數(shù)與操作環(huán)境等方面具有較高要求[2]。

2 鋯與鋯合金的焊接工藝

2.1 焊接方法

因為鋯與鋯合金對氫氣、氮氣、氧氣等非常敏感，具有較強的高溫親和力，常規(guī)氬弧焊接與電弧焊接結(jié)合的方法缺乏良好適用性。所以，可以使用低能量焊接線，采用氣體保護手工鎢極氬弧焊方法，借助管道充氬、焊縫保護罩與大口徑焊槍噴嘴方式進行空氣，進而保證焊縫不會出現(xiàn)氧化問題。

2.2 焊縫材料

鋯與鋯合金選擇填充焊絲過程中，需要在母材成分良好匹配基礎(chǔ)上進行，焊絲成分見表1。

表1 鋯與鋯合金的焊絲成分

禁止焊絲表面出現(xiàn)氧化、重皮等現(xiàn)象，禁止存在夾雜物缺陷。使用焊絲前需要予以清洗處理，之后進行干燥處理。

2.3 保護氣體

鎢極氬弧焊方法選擇純度在99.999%以上的高純氬作為保護氣體，雜質(zhì)含量應(yīng)該滿足GB/T 4842規(guī)范標準。焊接作業(yè)保證充氣連續(xù)性，禁止出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。所以，需要對多個氬氣瓶進行串聯(lián)處理，以提高供氣能力，借助分氣缸保證多個焊接人員同時開展焊接施工工作。

2.4 坡口形式與加工清理

①坡口加工。盡可能借助切割一體機開展坡口加工作業(yè)，鋯與鋯合金存在加工硬化現(xiàn)象，所以加工時需要選擇大進口量以及慢速方法。另外，需要應(yīng)用大量潤滑劑與冷卻劑，避免坡口溫度升高造成氧化問題。若是無法應(yīng)用切割一體機，則可以選擇砂輪機開展切割作業(yè)，切割片需要選擇碳化硅砂輪片，切割時應(yīng)間斷進行，避免工件表面溫度持續(xù)增加。同時保證打磨粉末可以直接落入水中，不然在大量積累之后會出現(xiàn)自燃問題。選擇硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼需要滿足YS/T552規(guī)范標準。②坡口清理。開展管道組對焊接作業(yè)前，應(yīng)該選擇不銹鋼銼刀、不銹鋼刷等，將坡口與兩側(cè)70mm范圍內(nèi)的毛刺、氧化膜與切削物等清除。作業(yè)時采用專用工具，同時需要保持清潔，同時需要避免交叉污染導(dǎo)致焊縫質(zhì)量受到影響。借助丙酮清洗油脂，同時借助棉布擦拭，作業(yè)前可對坡口干燥。③清理焊絲。選擇化學或是機械方法對焊絲進行全面清理，根據(jù)坡口清理要求進行作業(yè)[4]。

2.5 焊接組對以及點固焊

1)焊縫組對。對于焊縫組對處理，需要對組對錯邊量以及間隙進行嚴格控制。應(yīng)該選擇內(nèi)坡口加工手段，以確保內(nèi)部的錯邊量滿足要求，保證無應(yīng)力組對焊縫。

2)焊縫點固焊。各個組對電焊距離通常保持在 125 mm 左右，點焊長度在 12.5 cm 左右，電焊工藝與正式焊接條件并無較大差異。

2.6 焊接管口氣體置換以及保護

1)完成管口組對施工后，需要置換管口內(nèi)氣體。為了提高置換質(zhì)量，同時節(jié)約氬氣，對于預(yù)制管口或是在內(nèi)部隔離條件下，應(yīng)該將堵頭設(shè)置于管道內(nèi)部，采用局部沖氬手段。若是現(xiàn)場焊口無法展開堵頭式隔離，則開展焊口組對之前應(yīng)該將易溶質(zhì)設(shè)置于焊縫兩側(cè)。完成組對之后，采用氬氣在焊縫適當部位展開置換處理，或是結(jié)合現(xiàn)場實際情況，借助焊縫兩側(cè)法蘭進行堵頭安裝，實現(xiàn)氬氣置換作業(yè)。

2)置換管口外部氣體。因為鋯與鋯合金具有活潑的高化學性能，開展焊接施工時，僅僅結(jié)合氬弧焊噴嘴提供氬氣保護高溫焊道、熔池，無法充分提高焊接質(zhì)量。要想符合保護時間以及氣體隔離等方面要求，應(yīng)該在管道外部安裝特制氣體保護設(shè)備，對于氣體托罩來講，主要根據(jù)管道規(guī)格進行確定。托罩涵蓋輸氬管嘴、外殼、焊炬等構(gòu)件。在使用過程中，需要安裝輸氬軟管。

2.7 氣體保護檢查

熱影響區(qū)與焊縫完成焊接作業(yè)之后，可以借助其表面顏色對氣體保護質(zhì)量進行確定。基于高溫條件，鋯與鋯合金表面會出現(xiàn)氧化膜，而氬氣保護程度不同，氧化膜顏色也會存在一定差異。銀白色保護膜的保護質(zhì)量最佳，此時可以繼續(xù)開展焊接作業(yè)。其次是金黃色、淡黃色，此時應(yīng)該借助不銹鋼刷進行清理，之后可以繼續(xù)施焊。若是氧化膜為灰色或是黑色，則表明保護質(zhì)量不合格，需要將之前焊道與相鄰部位切除，之后繼續(xù)施焊。需要注意，對于多道焊與多層焊條件下，不能只依靠表面顏色對接頭位置保護效果進行判斷，需要對各層焊道是否合格進行判定。

2.8 焊接參數(shù)

以R 60702管材為例，見表2。

表2 R60702鋯材管道焊接參數(shù)

3 鋯與鋯合金的焊接工藝

對焊接線能量進行嚴格控制，進而充分控制焊接熱量的輸入問題，降低焊接厚度，可以對區(qū)域溫度進行有效控制，同時促進冷卻速度，焊接層間溫度應(yīng)該保持在 100 ℃ 以內(nèi)。開展焊接作業(yè)時，應(yīng)該保證對內(nèi)部氣體進行全面置換，同時對外保護罩進行合理制作以及正確使用，氬氣純度保持在99.999%以上。另外，焊炬噴嘴規(guī)格應(yīng)該保持在φ20～φ25 mm；對于噴嘴溢出氬氣流量，保證其足夠穩(wěn)定，進而充分保護焊接的熱影響區(qū)、焊縫、熔池等部位，以隔離角度提高焊接質(zhì)量。

在起弧過程中，焊槍應(yīng)該先送氣，進行保證焊絲在熔化之前就可以得到氬氣保護，同時進行高頻引弧。熄弧時需要選擇電流衰減設(shè)備，填滿焊接弧坑。開展焊接活動時，需要在焊接進程不斷實現(xiàn)過程中，揭開坡口位置的高溫膠帶。需要通過高純氬對填充焊絲融化端進行全面保護，熄弧之后需要在融化端充分冷卻后，才可以脫離保護狀態(tài)，焊絲頭若是出現(xiàn)氧化問題或是污染問題，應(yīng)該將此部位切除。另外，需要對焊道色澤情況進行全面觀察，進而充分提高焊接質(zhì)量與保護效果。若是焊接環(huán)節(jié)中，焊縫氧化問題較為顯著，則需要停止施焊，并對氧化區(qū)域進行打磨，對氧化原因進行明確，采取糾正措施予以處理，之后才可以繼續(xù)開展焊接作業(yè)。施工時，會應(yīng)該對表面溫度與打磨量進行嚴格控制，以保證坡面不會發(fā)生氧化問題[5]。

開展焊口現(xiàn)場安裝過程中，對于灰塵、大氣環(huán)境等情況，需要制定良好的防風措施。可以通過帆布篷，對焊接現(xiàn)場和外部環(huán)境之間進行良好隔離，創(chuàng)造可以促進施工作業(yè)的空間環(huán)境，以充分提高焊接質(zhì)量。