鉭復(fù)合板設(shè)備的焊接技術(shù)研究

林金峰* 王勝輝 張蒲根

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 前言

金屬鉭是一種稀有金屬，在自然界中的含量很低，主要通過電子束或真空電弧熔煉而成。其熔煉時(shí)能耗較高，因此價(jià)格昂貴。鉭在常溫下性能穩(wěn)定，其線膨脹系數(shù)小、延展性好、導(dǎo)熱率高，且具備良好的高溫強(qiáng)度和加工性能。鉭的耐蝕性優(yōu)于鈦、鋯、鈮，除發(fā)煙硫酸、氫氟酸等介質(zhì)外，鉭在大多數(shù)工業(yè)酸中的耐蝕性能非常好。鉭對(duì)缺口敏感性不強(qiáng)，不易發(fā)生腐蝕疲勞等局部腐蝕，腐蝕類型為均勻腐蝕[1]。因此，鉭在石油化工設(shè)備中應(yīng)用時(shí)主要是以鉭復(fù)合板和襯里結(jié)構(gòu)的形式[2]。

鉭覆層或鉭管的焊接過程是制造鉭復(fù)合板設(shè)備的關(guān)鍵步驟，因此解決鉭的焊接問題是鉭在化工容器中廣泛應(yīng)用的前提。本文對(duì)鉭材的力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究，介紹了鉭復(fù)合板設(shè)備的3 種連接結(jié)構(gòu)和相關(guān)焊接研究，并提出了鉭焊接過程的主要控制要點(diǎn)，作為生產(chǎn)過程的技術(shù)參考。

1 鉭的力學(xué)性能試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》附錄B，采用厚度為0.5 mm 的矩形截面非比例試樣，其橫截面尺寸為15 mm×0.5 mm，原始標(biāo)距為30 mm，拉伸速率為2 mm/min，如圖1 所示。試樣1 的拉伸試驗(yàn)曲線如圖2 所示。材的規(guī)定。平均上屈服強(qiáng)度和平均抗拉強(qiáng)度分別為292 MPa 和294 MPa，上屈服點(diǎn)數(shù)值上與抗拉強(qiáng)度相近，平均斷后伸長率為55.3%。平均維氏硬度HV0.3為117.4，可見表2。

圖1 拉伸試樣

圖2 試樣1的拉伸試驗(yàn)曲線

表1 鉭板拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2 鉭板的維氏硬度測試結(jié)果

由試樣拉伸曲線可見，跟碳鋼比，鉭材的彈性階段曲線斜率大，即鉭比碳鋼的剛度更大；鉭的上屈服點(diǎn)較高，數(shù)值上與抗拉強(qiáng)度相近；在拉伸過程的應(yīng)變強(qiáng)化階段，隨著變形增加，載荷增加的幅度相對(duì)平緩，平均斷后伸長率可達(dá)到55%，這與碳鋼有一定區(qū)別。

由圖3 中的掃描電鏡照片可見，試樣母材為纖維狀組織，且有軋制痕跡。拉伸宏觀斷口顯示，拉伸斷口平整，有一定頸縮，斷口表現(xiàn)出一定脆性特征，這是拉伸變形的引起材料應(yīng)變強(qiáng)化所致。平均斷后伸長率達(dá)到55.3%，說明變形率大，塑性良好。

圖3 拉伸斷口掃描電鏡

2 鉭設(shè)備的焊接

襯鉭或鉭復(fù)合板壓力容器的設(shè)計(jì)和制造暫沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)一般參照GB 150—2011《壓力容器》，GB 151—2014《熱交換器》，NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》等標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)條款，結(jié)合工藝特點(diǎn)等信息來制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)從而指導(dǎo)生產(chǎn)。在首次設(shè)備制作前，應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定合適的焊接工藝參數(shù)，必要時(shí)可增加接頭金相組織分析、力學(xué)性能測試和管接頭拉脫力試驗(yàn)等。對(duì)施焊人員的能力要求由企業(yè)制定，可參照TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.1 鉭復(fù)合板設(shè)備的焊接特點(diǎn)

為了降低成本，復(fù)合板中鉭的厚度應(yīng)盡可能小[4]。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇以碳鋼為基層來承擔(dān)強(qiáng)度載荷，以鉭為覆層解決耐腐蝕問題，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)一般不考慮鉭厚度。鉭的熔點(diǎn)為2 996 ℃，而鋼的熔點(diǎn)約為1 500 ℃，鉭與鋼的熔點(diǎn)相差懸殊，對(duì)焊接十分不利，尤其是隨著鉭材厚度減薄，焊接難度進(jìn)一步增大[5]。

鉭-鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在鉭覆層施焊過程中，可能引起基層鋼材熔化，在高溫下發(fā)生共晶反應(yīng)，形成脆性鉭-鐵金屬間化合物，或在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋沿熔池向基層擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致貫穿性裂紋。圖6 所示的界面溫度與復(fù)層厚度之間的關(guān)系表明，增加鉭材的厚度，可以降低界面溫度，防止焊縫開裂；當(dāng)鉭層厚度≤2.0 mm 時(shí)，鋼發(fā)生熔化，鐵元素高溫?cái)U(kuò)散到焊縫導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，而當(dāng)鉭層厚度＞2.0 mm 時(shí)，可以完成鉭-鋼復(fù)合板的焊接工作，故建議采用復(fù)層厚度為2.5～4 mm[6]。

圖5 鉭-鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)圖

圖6 界面溫度與復(fù)層厚度關(guān)系圖

圖7 所示為鉭-鋼復(fù)合管板與鉭管的焊接結(jié)構(gòu)。有研究對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，氬弧焊焊接線能量為280 J/mm 時(shí)，焊接溫度分布是以焊縫熔池為中心的一個(gè)扇形區(qū)域，溫度由內(nèi)向外遞減，熔池處溫度最高，約為3 000 ℃；鉭管的厚度對(duì)焊接溫度場影響不大；當(dāng)管板的鉭復(fù)層厚度為2 mm 時(shí)，界面溫度超過1 500 ℃，會(huì)引起基層鋼熔化，而復(fù)層厚度為2.5 mm 時(shí)，界面處的最高溫度低于1 500 ℃，基層鋼不會(huì)熔化[7]。

圖7 鉭-鋼復(fù)合管板與鉭管的焊接結(jié)構(gòu)圖

此外，鉭對(duì)空氣中的N，H，O 等元素比較敏感，當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，鉭就會(huì)與其發(fā)生反應(yīng)，生成脆性化合物，從而使焊縫硬度提高，塑性下降。因此，為了保證焊接質(zhì)量，施焊環(huán)境和焊接工藝的控制要求較高。

為了保證上述兩種結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，采用氬弧焊焊接時(shí)，覆層厚度至少應(yīng)為2.5 mm。

2.2 鉭-鈦（銅）-鋼三層復(fù)合板的焊接要點(diǎn)

鉭-鈦（銅）-鋼三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)如圖8 所示。三層復(fù)合板采用鈦或銅作為過渡層，鉭作為覆層，鋼作為基層承載，這是因?yàn)殂g與鈦（或銅）高溫下不會(huì)形成脆性金屬間化合物，同時(shí)也容易與鋼結(jié)合。采用三層復(fù)合板時(shí)，鉭的厚度沒有不少于2.5 mm 的要求，其厚度可以更小，進(jìn)一步降低了材料成本，因此三層復(fù)合板比鉭-鋼復(fù)合板具有更加明顯的優(yōu)勢。

圖8 鉭-鈦（銅）-鋼三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)

鉭-鈦（銅）-鋼三層復(fù)合板的基層焊縫采用對(duì)接焊接，覆層焊縫采用墊條和鉭蓋板的組合。墊條一般采用鉭或鈦，當(dāng)采用鈦墊條時(shí)，可以對(duì)鈦墊條和覆層進(jìn)行密封焊。學(xué)者分別對(duì)鉭-鈦（銅）-鋼三層復(fù)合板進(jìn)行焊接研究，結(jié)果表明：選擇合適的焊接熱輸入，雖然焊縫和熱影響區(qū)的晶粒有一定增長，但過渡層和鋼未發(fā)生互溶，可以保證鉭焊縫質(zhì)量[1,8-9]。

通過查閱相關(guān)的資料和技術(shù)分析表明，進(jìn)行以下有效的焊接控制措施，是確保鉭制多層復(fù)合板焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

（1）鉭材應(yīng)獨(dú)立存放，避免與其他金屬接觸發(fā)生污染；

（2）焊接場地應(yīng)選擇清潔的獨(dú)立區(qū)域或潔凈廠房，由焊接工程師指定的焊工施焊；

（3）焊接過程采用純度為99.99%以上，露點(diǎn)≤-50 ℃的高純氬氣作為保護(hù)氣，并通過檢漏孔、槍嘴、專用保護(hù)拖罩三面通氣保護(hù)；

（4）嚴(yán)格按照工藝要求，采用機(jī)械清理和脫脂處理（乙醇或丙酮）的方式，清除焊接坡口及其兩側(cè)30～50 mm 區(qū)域內(nèi)的氧化物、油污等污染物，清理完畢后應(yīng)立即施焊；

（5）墊條安裝時(shí)應(yīng)先修磨，保證其與基層貼緊，一般與覆層平齊；

（6）在焊接過程中，要嚴(yán)格按照焊接工藝要求，控制焊接熱輸入，防止焊縫晶粒粗大，多層焊接時(shí)，一般應(yīng)控制層間溫度不超過100 ℃；

（7）焊后應(yīng)進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，焊縫及熱影響區(qū)必須為銀白色；

（8）對(duì)鉭貼條焊縫進(jìn)行滲透檢測，并通過檢漏孔在鉭蓋板和復(fù)層間通入氮?dú)?，?duì)其進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，無泄漏則為合格。

3 結(jié)論

本文對(duì)鉭的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)測試和討論，總結(jié)了國內(nèi)鉭焊接研究的技術(shù)成果，并得出以下結(jié)論：

（1）跟鋼材相比，鉭的剛度和伸長率更大，硬度小，且上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近；

（2）為了保證鉭復(fù)合板的焊接質(zhì)量，避免鉭和鋼互溶，鉭-鋼復(fù)合板的覆層厚度至少應(yīng)為2.5 mm；

（3）總結(jié)了國內(nèi)鉭焊接研究成果，針對(duì)鉭-鈦（銅）-鋼三層復(fù)合板的鉭貼條角焊縫焊接技術(shù)，提出了鉭焊接的控制要點(diǎn)，可以有效確保焊縫質(zhì)量，為鉭化工設(shè)備的生產(chǎn)過程提供技術(shù)參考。