化工裝置鈦合金設備常見缺陷及修復辦法
                                   高俊生1,常江2
    (1.大慶石化分公司煉油廠,黑龍江大慶163711;2.大慶石化建設公司,黑龍江大慶163711)
    摘要:文中介紹了鈦合金的材料特點及焊接性能,包括焊前處理、焊接工藝選擇、焊接中缺陷的產生及如何避免。并針對鈦合金在化工裝置應用中出現開裂情況的處理方法進行了論述。
    關鍵詞:可焊性;裂紋;化學清理;手工鎢極氬弧焊
    中圖分類號:TG457文獻標識碼B:文章編號:1671-4962(2007)02-0032-02
    2005年,對大慶石化分公司化工二廠醋酸裝置1臺鈦材換熱器試壓檢修時,發現管束開裂,處理方法只有2種:制作同樣可代替的鈦材換熱器,或者對換熱管端部泄漏部位進行焊接處理。如果重新制作同樣可代替的鈦材換熱器,制造工期為8 d,裝置開工在即,顯然不可行。只能修復換熱管端泄漏部位。因為設備的材質是TA(4α+β相),鈦合金這種合金在室溫下,其強度可達到93.1 MPa,而且在高溫下(500℃以下)性能穩定,可焊性良好。從焊道取樣分析其填充焊絲為TC4,所以可以采用現場就地焊接修復[1]的辦法。
    1·鈦合金焊接時容易產生的主要缺陷
    (1)鈦及鈦合金焊接時,焊接接頭產生熱裂紋的可能性很小,這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質含量很少,由S、P形成的低熔點共晶不易出現在晶界上,加之有效結晶溫度區間窄小,鈦及鈦合金凝固時收縮量小,焊縫金屬不會產生熱裂紋。但是,鈦及鈦合金焊接時,熱影響區可能出現冷裂紋,其特征是裂紋產生在焊后數小時甚至更長時間稱作延遲裂紋。焊接過程中氫由高溫深池向較低溫的熱影響區擴散,氫含量的提高使該區析出TiH2量增加,增大熱影響區脆性,另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力,再加上氫原子向該區的高應力部位擴散及聚集,以致形成裂紋。
    (2)鈦及鈦合金焊接時,氣孔是經常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。氫是冷裂紋和氣孔形成的主要原因。因為氫在小于300℃,在α相中溶解度很小,在室溫時極限溶解度只有0.002%。當焊縫或熱影響區在焊后冷卻到300℃以下,過飽和的氫即以氫化鈦(γ相)形式析出。體積增大并產生晶間應力,此應力發展會引起晶間微裂紋。晶間微裂紋在外應力作用下會擴展成為裂縫[2]。
    2·修復方法的確定
    鈦合金焊接時,當溫度高于500~700℃時,很容易吸收空氣中的氧、氫和氮,嚴重影響焊接質量。因此,鈦合金焊接時,對熔池全面及高溫部位(400~650℃以上)的焊縫區必須嚴加保護。為此,鈦及鈦合金焊接時必須采取特殊的保護措施。因此,采用氬弧焊接的方法處理,并采用噴尺寸較大的焊矩,以擴大氣體保護區面積,當噴嘴不足以保護焊縫及近縫區高溫金屬時,需補充氬保護拖罩。
    3·氬弧焊焊接工藝及參數的選擇
    焊縫和近縫區顏色是保護效果的標志,銀白表示效果最好、黃色為輕微氧化。焊縫和熱影響區的表面顏色見表1。

    經過鈦材手工鎢板氬弧焊焊接試驗結果,決定采用的焊接工藝參數見表2。
    4·焊前準備和坡口選擇
    (1)焊件和焊絲表面質量對焊接接頭的力學性能有很大影響。焊前可先對試件及焊絲進行酸洗。用凈水沖洗,烘干后立即施焊。用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭鈦板坡口以及其兩側(分別為50 mm內)、焊絲表面、工具夾與鈦板接觸的部分。
    (2)焊接設備的選擇[3]。鈦及鈦合金氬弧焊應選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源,且延遲遞氣時間不少于15 s,避免焊接時遭受到氧化、污染。所以采用WSM-315型IGBT逆變直流脈沖氬弧焊機。
    (3)焊接材料的選擇。氬氣純度應不低于99.99%,露點在-40℃以下,相對濕度小于5%。當氬氣瓶中的壓力降至0.981 MPa時,應停止使用。填充絲一般采用同質材料,為改善接頭塑性,可用比母材合金程度稍低焊絲TC3,該次焊接采用焊絲:TC3。
    (4)坡口形式的選擇。原則上盡量減少焊接層數和焊接金屬。隨著焊接層數的增多,焊縫累計吸氣量增加,以至影響焊接接頭性能。又由于鈦及鈦合金焊接時焊接熔池尺寸較大,因此焊件開單V型70~80°坡口。
    5·結束語
    正確選擇焊接工藝參數徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮、油污等有機物。控制好氬氣的流量及流速,防止產生紊流現象,影響充氣保護效果。采用手工鎢極氬弧焊鈦合金焊接處理裂紋辦法可行,可以得到滿意的效果。該設備E203自2005年8月檢修后投產至今,運行一直良好,未發現該修復焊口泄漏現象,為醋酸裝置安全生產提供了可靠保障。
參考文獻:
[1]姆.納.福金.鈦和鈦合金在化學工業上的應用[M].上海:上海科學技術文獻出版社,1976:37.
[2]增淵興一.焊接結構分析[M].北京:機械工業出版社,1978:56-58.
[3]杜禮辰,翟書汾.工程焊接手冊[M].北京:原子能出版社,1981:34-35.
作者簡介:高俊生,男,工程師,1981年畢業于大慶石油化工總廠職工大學化工機械專業。現從事化工設備管理工作。