淺談500m3鋯鋼復(fù)合板儲(chǔ)罐焊接工法

郭春梅+劉洋

摘要：鋯的化學(xué)活潑性大，高溫下會(huì)與氫、氮、氧等氣體起化學(xué)反應(yīng)。氫、氧、氮與鋯形成脆性化合物，不但使鋯塑性和韌性明顯變差，而且使鋯的耐蝕性急劇降低。另外，由于鋯熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱系數(shù)小，因此在鋯材的焊接中，對(duì)焊接工藝參數(shù)提出了更高的要求。文章論述了中油吉林石化公司丙烯腈廠增設(shè)500m3酸水儲(chǔ)罐項(xiàng)目中應(yīng)用的鋯鋼復(fù)合板焊接工法，從鋯的焊接性能、焊接方法、焊接工藝流程、操作要點(diǎn)、質(zhì)量控制、效益分析等方面做了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：工業(yè)鋯；鋯鋼復(fù)合板；儲(chǔ)罐焊接工法；脆性化合物；焊接工藝參數(shù)；500m3酸水儲(chǔ)罐項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：TG441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）33-0070-03

1 概述

工業(yè)鋯屬于高熔點(diǎn)稀有金屬，是原子能工業(yè)、化工、石油化學(xué)工業(yè)中的一種重要結(jié)構(gòu)材料，在大多數(shù)有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、強(qiáng)堿和一些熔融態(tài)的鹽中均具有優(yōu)良的耐腐蝕性。鋯的耐腐蝕性優(yōu)于不銹鋼、鎳和鎳合金。在苛性腐蝕介質(zhì)中與不銹鋼、鈦及鎳基合金相比，大大提高了設(shè)備的壽命和可靠性，能夠取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

鋯化學(xué)活潑性大，高溫下會(huì)與氫、氮、氧等氣體起化學(xué)反應(yīng)，鋯在315℃～1000℃強(qiáng)烈吸氫，在400℃以上強(qiáng)烈吸氧，在800℃以上強(qiáng)烈吸氮。氫、氧、氮與鋯形成脆性化合物，不但使鋯塑性和韌性明顯變差，而且使鋯的耐蝕性急劇降低，其中氧對(duì)塑性和韌性的影響大，而氮對(duì)耐蝕性的影響大。另外，由于鋯熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱系數(shù)小，因此在鋯材的焊接中，對(duì)焊接工藝參數(shù)提出了更高的要求。在中油吉林石化公司丙烯腈廠增設(shè)500m3酸水儲(chǔ)罐項(xiàng)目中應(yīng)用了鋯材的焊接技術(shù)，下面介紹一下焊接工法。

2 工法特點(diǎn)

本工法根據(jù)鋯材的特性和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從以下三個(gè)方面改進(jìn)了鋯材的焊接工藝：確定了更加合理的焊接工藝參數(shù)；制定有效的氣體保護(hù)措施；對(duì)焊接機(jī)具進(jìn)行小改造，增加一個(gè)氬氣噴嘴。

通過(guò)上述三個(gè)方面的改進(jìn)，使鋯材焊接后的外觀成形和表面顏色都有了很大程度的改觀，從而減少了焊接處理的工作量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3 適用范圍

本工法適用于鋯材（R60702）搭接焊縫。

4 工藝原理

鋯焊接性較好，可以采用多種焊接方法，其中氬弧焊是比較經(jīng)濟(jì)的方法。鋯在590℃以上對(duì)氧、氮、氫的脆性敏感，因此對(duì)該金屬的焊接必須進(jìn)行焊接保護(hù)，防止大氣污染。在焊接時(shí)，鋯必須與大氣隔離，一直冷卻到593℃以下。鋯焊絲必須進(jìn)行化學(xué)清洗。

5 工藝流程及要點(diǎn)

5.1 坡口加工

采用機(jī)械加工的方式將坡口加工成型，對(duì)焊口表面進(jìn)行機(jī)械打磨，露出金屬光澤。用丙酮對(duì)母材及焊絲進(jìn)行擦洗，保證沒有嚴(yán)重的氧化、水汽、油污及贓物。清理程序應(yīng)為：磨光機(jī)打磨→不銹鋼絲輪（刷）清理→拋光輪拋光→丙酮清洗→封口保護(hù)。

5.2 組對(duì)

點(diǎn)固焊采用手工電弧焊，每隔300～350mm，點(diǎn)焊5～8mm。

5.3 焊接參數(shù)

焊接方法，氬弧焊。采用直徑Φ2.4mm的焊絲，電流采用直流正接方式，電壓為12～14V，電流為100～140A，主噴嘴的氬氣流量為10～12L/min，附加保護(hù)及付噴嘴的氬氣流量為22～24L/min，在施焊前2min開始送氣，在焊接結(jié)束2min后停止送氣，鎢極直徑為Φ3mm。罐板鋯貼條焊接，焊接形式如圖1所示：

圖1 罐板鋯貼條焊接

5.4 焊接

工法采用全氬弧且全熔透性焊接。點(diǎn)焊方式與正式焊接工藝相同。引弧采用回焊法，且用高頻引弧，不允許摩擦引弧。焊接采用小電流、稍擺動(dòng)的方法。

背部氣體保護(hù)通過(guò)碳鋼基層開孔持續(xù)保護(hù)。采用整體充氬，充氬時(shí)間為焊接不銹鋼的5～10倍。焊接過(guò)程中，注意焊絲端部不要離開氬氣保護(hù)區(qū)域，如果焊絲離開氬氣保護(hù)，繼續(xù)焊接時(shí)，焊絲端部至少切掉25mm。

盡量避免采用砂輪機(jī)修磨，可采用金屬磨頭修磨。若采用砂輪機(jī)修磨，打磨時(shí)需澆水冷卻，打磨溫度不得超過(guò)315℃，以避免強(qiáng)烈氧化。嚴(yán)格控制層間溫度，層間溫度不得高于107℃。焊接完成后，冷卻至環(huán)境溫度方可停止氬氣保護(hù)。并檢查外觀色澤，以銀白色為合格。

5.5 操作要點(diǎn)

鋯材焊接與其他材料焊接相比，需要注意以下

七點(diǎn)：

5.5.1 因鋯材焊接氣孔主要是由于坡口表面的污染引起，所以施焊時(shí)必須在丙酮擦洗后的30min內(nèi)，如果不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)焊接，應(yīng)采取措施對(duì)焊口進(jìn)行保護(hù)，如用醫(yī)用膠布粘貼保護(hù)。

5.5.2 確保氬氣純度≥99.996%以上。

5.5.3 在現(xiàn)場(chǎng)焊接，必須搭設(shè)擋風(fēng)設(shè)施，且擋風(fēng)設(shè)施應(yīng)盡量嚴(yán)密，以防止環(huán)境中存在的沙塵污染鋯材表面。環(huán)境溫度如低于15℃，在焊接前必須預(yù)熱到15℃以上。焊機(jī)離焊件不得超過(guò)5m。

5.5.4 為使焊縫在整個(gè)固化過(guò)程中都受到良好的保護(hù)，直至溫度下降到400℃以下，可采取以下措施：（1）采用加大氬氣流量，促進(jìn)熔池固化、降溫。但這種方法將直接影響焊接質(zhì)量，因?yàn)闅怏w流速過(guò)大，極有可能將未固化的金屬吹離熔池，如流量較小，又起不到對(duì)降溫過(guò)程保護(hù)的作用；（2）在焊接時(shí)采用罩式拖尾保護(hù)裝置。但這種方法會(huì)影響焊工在施焊過(guò)程中對(duì)熔池的觀察，不利于焊工控制焊接質(zhì)量；（3）在主噴嘴外增加副噴嘴（副噴嘴獨(dú)立送氣系統(tǒng)）的保護(hù)方法。其中副噴嘴不對(duì)熔池送氣，對(duì)已經(jīng)固化但溫度在400℃以上部分焊道送氣。這種方法一方面吸取了增大氬氣流量的優(yōu)點(diǎn)，但是又避免了把未固化的金屬吹離熔池的缺點(diǎn)；另一方面因?yàn)闆]有保護(hù)罩遮擋視線，便于監(jiān)測(cè)焊縫溫度，以便使保護(hù)噴嘴氬氣流量和焊接角度可以靈活調(diào)整，克服了增加保護(hù)罩的缺點(diǎn)，以達(dá)到最佳效果。

5.5.5 對(duì)于主噴嘴的直徑，一般選用內(nèi)徑16mm以上的為宜，并應(yīng)在焊接前送氣，以保證周邊氣體的純度。

5.5.6 對(duì)鋯材焊接，應(yīng)盡量采用小電流、慢焊速等小熱量輸入焊接方法。

5.5.7 焊接完畢，焊縫呈現(xiàn)淺黃色、深黃色、淡藍(lán)色表明焊縫已被氧化，需要用不銹鋼絲刷清除表面。深藍(lán)色、藍(lán)灰色、灰色、白色表示焊縫被強(qiáng)烈氧化，需要打磨并修補(bǔ)。

6 所需設(shè)備

本工法需要的主要設(shè)備：YD-350GR氬弧焊機(jī)2臺(tái)，400A逆變焊機(jī)5臺(tái)，磁力鉆1臺(tái)，切割機(jī)1臺(tái)，直磨機(jī)

1臺(tái)。

7 質(zhì)量控制

7.1 焊縫質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》。無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行JB/T4730-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》。

7.2 質(zhì)量保證措施

7.2.1 焊工必須按國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒發(fā)的《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》進(jìn)行考試，并取得相應(yīng)的焊工資格證書。

7.2.2 施焊前，所用材質(zhì)應(yīng)按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》及GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并評(píng)定合格。

7.2.3 組對(duì)間隙嚴(yán)格按要求執(zhí)行。為保證組對(duì)間隙，必須嚴(yán)格控制如下環(huán)節(jié)：壁板尺寸的偏差，應(yīng)符合GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，保證橫平豎直。

7.2.4 焊材必須具有材質(zhì)合格證。

7.2.5 焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝。

8 效益分析

采用本工法極大地降低了不合格率，且提高了工作效率，從而節(jié)省了成本。以完成1m焊縫所需的各種消耗為例，對(duì)效益情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

第一，傳統(tǒng)氬弧焊方法下，焊工在焊接后，還要對(duì)部分焊道進(jìn)行打磨，而改進(jìn)后的方程基本做到了焊縫一次成形，在很大程度上減少了二次打磨修補(bǔ)的過(guò)程。使用傳統(tǒng)焊接方法，1名焊工，焊接1m焊縫再進(jìn)行二次打磨修補(bǔ)，約需4小時(shí)；采用改進(jìn)后的方法，焊接1m焊縫，并進(jìn)行少量二次打磨和修補(bǔ)，約需2.5小時(shí)，平均1m焊縫減少1.5小時(shí)。平均每個(gè)班可增加約1m合格焊縫。如按400元/8小時(shí)計(jì)算焊工人工費(fèi)，則焊接1m焊縫，可節(jié)約人工費(fèi)支出約75元。

第二，增加尾部保護(hù)以后，雖然增加了近2.5倍氬氣使用量，但同時(shí)減少了鋯材焊絲的二次投入以及打磨和擦洗用料的投入。假設(shè)二次補(bǔ)焊使用的鋯材焊絲和增加的氬氣價(jià)值相等，則可減少打磨及擦洗用料投入約20元/m。經(jīng)上述分析，焊接每m焊縫的可見經(jīng)濟(jì)節(jié)約為95元/m，一臺(tái)500m3儲(chǔ)罐的鋯材焊縫約為800m，可節(jié)約成本約76000元。

采用本工法后，焊縫成形美觀，焊接速度快，受到業(yè)主、監(jiān)理及其他相關(guān)單位的贊揚(yáng)，其社會(huì)效益巨大。

9 應(yīng)用實(shí)例

本工法在2011年在中油吉林石化公司丙烯腈廠增設(shè)500m3酸水儲(chǔ)罐項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用，效果較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 郗峰波，李晴，李鵬飛.鋯的焊接特性與工藝性[J].現(xiàn)代焊接，2013，（1）.

[2] 李獻(xiàn)軍，夏峰，文志剛，馮軍寧.工業(yè)純鋯產(chǎn)品的性能和應(yīng)用[J].精細(xì)化工原料及中間體，2010，（2）.

[3] 周文超，周為.鋯及其復(fù)合板焊接工藝研究[J].熱加工工藝，2013，（23）.

[4] 王堅(jiān)，楊俊，顧紹玨，左占科.鋯制容器筒體環(huán)焊縫焊接方法探討[J].中國(guó)化工裝備，2009，（3）.

作者簡(jiǎn)介：郭春梅（1978-），女，吉林吉林人，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：化工裝備技術(shù)；劉洋（1979-），男，吉林吉林人，中油吉林化建工程有限公司工程師，研究方向：焊接技術(shù)。

5.5.6 對(duì)鋯材焊接，應(yīng)盡量采用小電流、慢焊速等小熱量輸入焊接方法。

5.5.7 焊接完畢，焊縫呈現(xiàn)淺黃色、深黃色、淡藍(lán)色表明焊縫已被氧化，需要用不銹鋼絲刷清除表面。深藍(lán)色、藍(lán)灰色、灰色、白色表示焊縫被強(qiáng)烈氧化，需要打磨并修補(bǔ)。

6 所需設(shè)備

本工法需要的主要設(shè)備：YD-350GR氬弧焊機(jī)2臺(tái)，400A逆變焊機(jī)5臺(tái)，磁力鉆1臺(tái)，切割機(jī)1臺(tái)，直磨機(jī)

1臺(tái)。

7 質(zhì)量控制

7.1 焊縫質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》。無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行JB/T4730-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》。

7.2 質(zhì)量保證措施

7.2.1 焊工必須按國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒發(fā)的《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》進(jìn)行考試，并取得相應(yīng)的焊工資格證書。

7.2.2 施焊前，所用材質(zhì)應(yīng)按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》及GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并評(píng)定合格。

7.2.3 組對(duì)間隙嚴(yán)格按要求執(zhí)行。為保證組對(duì)間隙，必須嚴(yán)格控制如下環(huán)節(jié)：壁板尺寸的偏差，應(yīng)符合GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，保證橫平豎直。

7.2.4 焊材必須具有材質(zhì)合格證。

7.2.5 焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝。

8 效益分析

采用本工法極大地降低了不合格率，且提高了工作效率，從而節(jié)省了成本。以完成1m焊縫所需的各種消耗為例，對(duì)效益情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

第一，傳統(tǒng)氬弧焊方法下，焊工在焊接后，還要對(duì)部分焊道進(jìn)行打磨，而改進(jìn)后的方程基本做到了焊縫一次成形，在很大程度上減少了二次打磨修補(bǔ)的過(guò)程。使用傳統(tǒng)焊接方法，1名焊工，焊接1m焊縫再進(jìn)行二次打磨修補(bǔ)，約需4小時(shí)；采用改進(jìn)后的方法，焊接1m焊縫，并進(jìn)行少量二次打磨和修補(bǔ)，約需2.5小時(shí)，平均1m焊縫減少1.5小時(shí)。平均每個(gè)班可增加約1m合格焊縫。如按400元/8小時(shí)計(jì)算焊工人工費(fèi)，則焊接1m焊縫，可節(jié)約人工費(fèi)支出約75元。

第二，增加尾部保護(hù)以后，雖然增加了近2.5倍氬氣使用量，但同時(shí)減少了鋯材焊絲的二次投入以及打磨和擦洗用料的投入。假設(shè)二次補(bǔ)焊使用的鋯材焊絲和增加的氬氣價(jià)值相等，則可減少打磨及擦洗用料投入約20元/m。經(jīng)上述分析，焊接每m焊縫的可見經(jīng)濟(jì)節(jié)約為95元/m，一臺(tái)500m3儲(chǔ)罐的鋯材焊縫約為800m，可節(jié)約成本約76000元。

采用本工法后，焊縫成形美觀，焊接速度快，受到業(yè)主、監(jiān)理及其他相關(guān)單位的贊揚(yáng)，其社會(huì)效益巨大。

9 應(yīng)用實(shí)例

本工法在2011年在中油吉林石化公司丙烯腈廠增設(shè)500m3酸水儲(chǔ)罐項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用，效果較好。

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[4] 王堅(jiān)，楊俊，顧紹玨，左占科.鋯制容器筒體環(huán)焊縫焊接方法探討[J].中國(guó)化工裝備，2009，（3）.

作者簡(jiǎn)介：郭春梅（1978-），女，吉林吉林人，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：化工裝備技術(shù)；劉洋（1979-），男，吉林吉林人，中油吉林化建工程有限公司工程師，研究方向：焊接技術(shù)。

5.5.6 對(duì)鋯材焊接，應(yīng)盡量采用小電流、慢焊速等小熱量輸入焊接方法。

5.5.7 焊接完畢，焊縫呈現(xiàn)淺黃色、深黃色、淡藍(lán)色表明焊縫已被氧化，需要用不銹鋼絲刷清除表面。深藍(lán)色、藍(lán)灰色、灰色、白色表示焊縫被強(qiáng)烈氧化，需要打磨并修補(bǔ)。

6 所需設(shè)備

本工法需要的主要設(shè)備：YD-350GR氬弧焊機(jī)2臺(tái)，400A逆變焊機(jī)5臺(tái)，磁力鉆1臺(tái)，切割機(jī)1臺(tái)，直磨機(jī)

1臺(tái)。

7 質(zhì)量控制

7.1 焊縫質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》。無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行JB/T4730-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》。

7.2 質(zhì)量保證措施

7.2.1 焊工必須按國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒發(fā)的《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》進(jìn)行考試，并取得相應(yīng)的焊工資格證書。

7.2.2 施焊前，所用材質(zhì)應(yīng)按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》及GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并評(píng)定合格。

7.2.3 組對(duì)間隙嚴(yán)格按要求執(zhí)行。為保證組對(duì)間隙，必須嚴(yán)格控制如下環(huán)節(jié)：壁板尺寸的偏差，應(yīng)符合GB50128-2005《立式筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，保證橫平豎直。

7.2.4 焊材必須具有材質(zhì)合格證。

7.2.5 焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝。

8 效益分析

采用本工法極大地降低了不合格率，且提高了工作效率，從而節(jié)省了成本。以完成1m焊縫所需的各種消耗為例，對(duì)效益情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

第一，傳統(tǒng)氬弧焊方法下，焊工在焊接后，還要對(duì)部分焊道進(jìn)行打磨，而改進(jìn)后的方程基本做到了焊縫一次成形，在很大程度上減少了二次打磨修補(bǔ)的過(guò)程。使用傳統(tǒng)焊接方法，1名焊工，焊接1m焊縫再進(jìn)行二次打磨修補(bǔ)，約需4小時(shí)；采用改進(jìn)后的方法，焊接1m焊縫，并進(jìn)行少量二次打磨和修補(bǔ)，約需2.5小時(shí)，平均1m焊縫減少1.5小時(shí)。平均每個(gè)班可增加約1m合格焊縫。如按400元/8小時(shí)計(jì)算焊工人工費(fèi)，則焊接1m焊縫，可節(jié)約人工費(fèi)支出約75元。

第二，增加尾部保護(hù)以后，雖然增加了近2.5倍氬氣使用量，但同時(shí)減少了鋯材焊絲的二次投入以及打磨和擦洗用料的投入。假設(shè)二次補(bǔ)焊使用的鋯材焊絲和增加的氬氣價(jià)值相等，則可減少打磨及擦洗用料投入約20元/m。經(jīng)上述分析，焊接每m焊縫的可見經(jīng)濟(jì)節(jié)約為95元/m，一臺(tái)500m3儲(chǔ)罐的鋯材焊縫約為800m，可節(jié)約成本約76000元。

采用本工法后，焊縫成形美觀，焊接速度快，受到業(yè)主、監(jiān)理及其他相關(guān)單位的贊揚(yáng)，其社會(huì)效益巨大。

9 應(yīng)用實(shí)例

本工法在2011年在中油吉林石化公司丙烯腈廠增設(shè)500m3酸水儲(chǔ)罐項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用，效果較好。

參考文獻(xiàn)

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[3] 周文超，周為.鋯及其復(fù)合板焊接工藝研究[J].熱加工工藝，2013，（23）.

[4] 王堅(jiān)，楊俊，顧紹玨，左占科.鋯制容器筒體環(huán)焊縫焊接方法探討[J].中國(guó)化工裝備，2009，（3）.

作者簡(jiǎn)介：郭春梅（1978-），女，吉林吉林人，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：化工裝備技術(shù)；劉洋（1979-），男，吉林吉林人，中油吉林化建工程有限公司工程師，研究方向：焊接技術(shù)。