-2．5焊接工艺试是验研究.doc

资源描述

《-2．5焊接工艺试是验研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《-2．5焊接工艺试是验研究.doc（14页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、Ta-25W焊接工艺试验研究第36卷第4期2007年7月石油化工设备PETRO-CHEMICALEQUIPMENTVoI.36No.4July2007文章编号:10007466(2007)04001405Ta一2.5W焊接工艺试验研究于东祖,段毅,罗晓军,薛洲,吕仲光,李晓明,黄小诚,董虎林(1.中石油第二建设公司,甘肃兰州730060;2.兰州石油化工公司教培中心,甘肃兰州730060)摘要:通过对Ta一2.5w难熔重金属换热管的一系列焊接工艺试验研究,掌握了钽材的特殊焊接技术_7-艺和要求,满足了今后制造和修复苯胺装置中硫酸蒸发器管束的需要.关键词:换热管;Ta-2.5W;难熔金属;焊接;

2、试验研究;金相组织中图分类号:TG406;TG444.74文献标志码:ATheStudyofTa-2.5WWeldingProcessingTestYUDongZIl,DUANYi,LUOXiao-jun,XUEZhou,LUZhong-guang.LIXiao-ming.HUANGXiaocheng.DONGHulin(1.TheSecondConstructionCompany,CNPC,Lanzhou730060,China;2.CenterEducationofLanzhouPetroleum&ChemicalCorporation,Lanzhou730060,China)Ab

3、stract:Throughviewingtheseriesofweldingprocessingforexchangertube,whichisdifficulttomeltmetalTa一2.5W,thespecialweldingprocessingandrequiresofTa一2.5Wmaterialaregained.Towqualifiedweldersarealsobroughtup.ThesemeetthedemandtomanufactureandrepairthetubebundleforsulphuricacidevaporatorinAnilineUnit.Keywo

4、rds:heatexanghertube;Ta一2.5W;hardermeltmetal;welding;teststudy;metallurgicalstructure兰州石油化工公司苯胺装置中的硫酸蒸发器为德国QF公司生产制造,其设计参数为,管程设计压力1.7MPa,设计温度204,介质为饱和蒸汽,壳程设计压力一0.10.1MPa,设计温度204,介质为质量分数80的硫酸.由于壳程的介质腐蚀性极强,一般的不锈钢均不耐腐蚀,因此,该设备壳程侧采用了有极高耐腐蚀性的难熔重金属钽(Ta).由于钽材非常昂贵(约400万元/t),为了降低设备制造成本,硫酸蒸发器的壳体采用搪玻璃容器,管板采用16Mn

5、R+Ta复合钢板,复层钽在壳程侧,厚度为(88+0.6)mm,换热管采用钽管,规格为25.4mm0.5mm5837mm,共48根,保证壳程介质的耐腐蚀要求.该设备于2004年9月投入使用,使用7个月后,管束中的1根钽管断裂,使得设备无法正常运行,导致整个苯胺装置停工.由于当时国内还没有完全掌握这种材料的焊接技术和焊工,只能请德国QF公司焊接专业人员对硫酸蒸发器断裂的钽管进行修复,修复周期共计48d.此次修复工作不仅周期长,费用高,而且由于装置长时间停工造成了很大的经济损失.为了保证硫酸蒸发器在今后的运行当中出现问题能及时修复以及今后钽管束更新的需要,我们进行了Ta一2.5W换热管焊接工艺试验研

6、究,文中对钽换热管对接焊接工艺试验进行了简单阐述.l试验材料1.1金属钽简介钽是一种略呈蓝色的银白色难熔重金属,熔点收稿日期:2007-01-26作者简介:于东祖(1970一),男,甘肃临洮人,工程师,学士,从事压力容器的设计制造工作.第4期于东祖,等:Ta一2.5W焊接工艺试验研究为2996,仅次于钨和铼,密度为16.6g/m.Ta具有极高的耐腐蚀性,无论在冷和热的条件下,对盐酸,浓硝酸及王水都无反应,在耐腐蚀方面类似于玻璃,在化工行业中的2000多种化学试剂中,仅被40种试剂(如氢氟酸,发烟硫酸,中等浓度以下的苛性钠等)腐蚀,因此,Ta以其良好的耐腐蚀性破广泛应用于化学工业中.但是Ta价格

7、昂贵,是不锈钢的100多倍.为了降低成本,工业用钽管壁厚一般为0.51mm,板材采用钽钢复合钢板,复层厚度一般为14mm.1.2钽钨合金Ta一2.5W试验材料选用钽钨合金Ta一2.5W.根据资料显示,国外对Ta一2.5W与Ta进行了腐蚀性能评定,在一般介质中,前者的耐腐蚀性与后者相差不大,而在浓硫酸中,同等条件下Ta一2.5W的耐腐蚀性更优于Ta,适用的温度更高,而且由于Ta一2.5W的抗拉强度高于Ta,因此,厚度可以相应地减薄,从而达到降低成本和节约Ta资源的目的.Ta一2.5W的化学成分及化学性质见表1,力学性能见表2_】.Ta一2.5W具有非常好的化学稳定性,不与空气表1Ta-2.5W化

8、学成分(质量分数)表2Ta-2.5W力学性能和水作用,但却有一个很大的缺点,就是对H:,O,N:和C具有较强的化学活性,可以吸收气体并形成相应的固溶体或化合物.如在空气中,Ta一2.5W加热到5O0600以上时与O:发生氧化反应,形成一层白色或淡黄色的Ta:O氧化膜(表层下呈灰黑色,由Ta:O和Ta:O.组成),使其力学性能迅速恶化,极其容易脆断,无法使用.由此可见,少量的气体杂质对Ta一2.5w的组织结构和力学性能会产生强烈的影响,所以,这种材料必须在真空状态或全氩气氛中焊接,才能保证焊缝的各项性能符合有关技术要求.2焊接工艺试验2.1试件尺寸及接头形式对25.4mm0.5mm的Ta一2.5

9、W换热管对接焊接选择手工氩弧焊方式,采用不填充焊丝的TIG焊.鉴于试件管壁厚度仅为0.5mm,因此无需加工坡口,只需将切口打磨平整,去除毛刺,保证对口间隙小于0.5mm即可.试件之间的间隙对焊缝成型影响很大,若间隙太大,盈余量金属不能自熔而填满焊缝,甚至因停留时间长而出现烧穿管壁等缺陷,因此规定对口间隙不得超过0.5mm.坡口示意图见图1.图1Ta一2.5w管对接焊接接头型式2.2焊接设备及其他(1)焊接设备焊接过程中采用反复衰减电流才能形成致密均匀,宽窄整齐的焊缝,电流不衰减和一次衰减效果较差.本试验中选择了芬兰肯比公司生产的手工直流TIG氩弧焊机,所产生的脉冲电流频率为150HZ,能够满足

10、在较小电流焊接时电弧稳定,方便操作的要求.(2)钨极钨极不仅影响电弧的稳定性,而且还影响焊缝的直流.如果钨极头部锥角过大,则电弧稳定性差,焊缝熔深浅,焊不牢.若锥角过小,钨极尖容易熔化,形成夹钨,且焊缝中心凹陷.本试验中对铈钨极的要求为直径1.6mm,伸出长度3mm,锥角(151).(3)保护气体焊接时采用纯度不低于99.9,水的质量浓度不大于50mg/m.的氩气作为保护气体.氩气在开瓶使用前必须进行露点试验,露点温度不小于一40方可使用.(4)试件清理焊前必须对试件焊接接头进行彻底清洗,先用丙酮脱脂,再用体积分数30的HF和体积分数70的HNO.的混合溶液进行清洗,最石油化工设备2007年第

11、36卷后用水冲洗并进行烘干处理.清洗完毕的接头必须在4h内施焊,严禁用钢丝刷,棉纱,甲醇或含氯溶剂清洗.2.3焊接工艺试验2为了更好地分析Ta一2.5w在焊接时管内外是否需要氩气保护,同时为了验证所设计的保护罩的保护效果,试验中分别进行了管内外不设保护罩,保护罩管内充氩管外不充氩及保护罩管内外均充氩3组试验.3组焊接接头成型示意图见图2.(1)第1组试验采用富Ar气体保护焊,管内外不设保护罩.焊后观察,焊缝域被强烈氧化,表面呈灰黑色,焊接接头很脆.分析原是喷嘴上的(a)第1组氩气保护不够,同时管内充满空气,在焊接过程中与空气中的氧发生氧化反应,生成TaO和TaO.氧化膜.(2)第2组试验采用富

12、Ar气体保护焊,保护罩管内充氩,管外不充氩.经焊后观察,焊接接头焊缝区及热影响表面呈浅灰黑色.分析原因是喷嘴上的氩气保护不够,而且焊接过程中有空气吸入管内,发生氧化反应.(3)第3组试验采用富Ar气体保护焊,保护罩管内,外均充氩.经焊后观察,焊缝区域呈光亮的银白色,焊接接头表面成型良好,说明焊接过程中焊接区域氩气保护充分,保护罩设计合理.(b)第2组图23组焊接接头成型示图2.4气体保护措施从以上的试验可以看出,Ta一2.5W的化学活性很强,尤其是在焊接过程中,熔融钽的吸气性较强,生成的氧化物会迅速使焊接接头的塑性降低而脆性增强.因此,必须在全氩气氛围中焊接Ta一2.5W,即焊接过程中气体保护

13、罩的管内,管外必须全部充满氩气对焊接过程进行有效保护,焊接气体保护罩示意见图3.图3气体保护罩示图保护罩管内外的氩气可对焊缝及热影响区进行保护,防止氧化,并对焊缝外观成型起到一定的调节作用.喷嘴保护气对熔池形成高温保护,喷嘴保护气流量对焊缝质量有很大影响,不仅对熔池形成高温保护,而且对焊接电弧的稳定性和焊缝质量也有一定影响.如果流量太小,焊接电弧稳定性较差,保护效果严重下降,如果太大,会形成气孔和下凹.3试验分析项目按照第3组试验的试验条件,对各项工艺参数进行了反复对比试验,选择出的最佳焊接工艺参数见表3L3J.为了验证焊接参数的合理性,根据表中焊接参数总共焊接了18个焊接试件,试件焊接完毕后

14、均进行100PT和100RT检测,合格后按照如表4所示内容进行各项试验.合格焊接试件示意图见图4.表3焊接工艺参数对所有试件进行RT,PT检测,未发现缺陷,全部合格.根据有关资料介绍,Ta-2.5W管焊接后是否热处理以及热处理温度对焊缝的耐腐蚀性有较大影响.因此,将18件试件分为3组,每组6个.其第4期于东祖,等:Ta一2.5w焊接工艺试验研究中第l组焊后不进行热处理,第2组焊后进行700真空热处理,第3组焊后进行l2OOoC真空热处理.图4焊接试件不图热处理完毕后对3组试件各取2件分别进行了拉伸试验,另取一组母材试件(2件)分别进行拉伸试验和和微观金相组织分析.3.1拉伸试验对3组(6件)拉

16、(iii)母材区(ii)热影响区(iii)母材区(b)第2组(i)焊缝区(ii)热影响区(iii)母材区(c)第3组图53组试件金相组织图(100)从图5可以看出,所有焊接试件母材及焊缝区组织均为柱状奥氏体组织,与母材金相组织相比,焊石油化工设备2007年第36卷缝区及热影响区的晶粒较大.对比热处理前后的各试件焊缝和热影响区组织,没有发现变化,说明热处理没有改变焊缝及热影响区组织结构.3.3高温静态浸泡试验分别对3组试件(各取2件)进行了两种试验条件下腐蚀502h的静态浸泡试验,测定了其平均腐蚀速率.(1)试验条件进行高温静态浸泡试验的介质分别为:介质1.质量分数6O的H.SO+质量分数0.5

17、的HNO.,沸腾温度120.介质2.质量分数8O的H.SO+质量分数0.5的HNO.,沸腾温度130.(2)试验结果2种介质高温静态浸泡的试验结果见表6.从试验结果可以看出,Ta一2.5w管对接焊接完成后无需进行焊后热处理,即可满足耐腐蚀性能的要求.(3)试验后金相组织分别将在两种介质中经过高温静态浸泡试验并且未经热处理的2件试件取样进行了焊缝区电镜扫描,焊缝区的金相组织见图6.表6高温静态浸泡试验结果(a)试样编号200619-1(b)试样编号2006201图6浸泡腐蚀试验后试件焊缝金相组织(200X)浸泡试验结果说明,Ta一2.5w焊接接头在高温浓HSO混合溶液中的腐蚀是非常微小的,焊缝区

18、的耐腐蚀性与母材一致.另外从浸泡后的金相图中可以看出Ta-2.5w焊接接头在浓硫酸介质中不存在晶间腐蚀倾向.3.4水压试验取2个长为300mm的焊接试件进行焊后水压试验,试验压力为苯胺硫酸蒸发器管程设计压力的2倍,即3.4MPa,无渗漏现象,进一步证明了焊缝的强度和致密性均符合要求.4结语(1)Ta一2.5w焊接过程必须采用反复衰减电流,才能形成致密均匀,宽窄整齐的焊缝.(2)Ta-2.5W的化学活性很强,尤其是在焊接过程中,熔融钽的吸气性较强,生成的氧化物会迅速使焊接接头的塑性降低而脆性增强,因此必须在全氩或真空气氛中焊接才能够保证焊接接头的力学性能.(3)根据对试件不热处理,700和120

19、0真空热处理后的拉伸试验,浸泡试验前的金相组织,静态高温浸泡试验,浸泡试验后的金相组织分析对比,热处理前后的抗拉强度和金相组织没有变化,浸泡试验前后的金相组织也没有发生变化,而热处理后的焊件腐蚀速率反而大于不热处理的焊件,由此可以看出Ta-2.5w焊后无需进行热处理.(4)从高温静态浸泡的试验结果可以看出,Ta一2.5W焊接接头及母材在浓硫酸中的腐蚀速率极低,抗腐蚀性能完全满足使用要求.(5)本试验研究得到的焊接工艺适用于薄壁Ta一2.5w的焊接,符合我公司苯胺装置硫酸蒸发器实际使用工况要求,具有一定的工程实用性.参考文献:1ASTMB70892,钽和钽合金中厚板,薄板和带材IsE23范如源,郭鹏钽一12钨焊接工艺试验研究J.机械工艺师,2001,5:27283JB47082000,钢制压力容器焊接工艺评定Es.(许编)

展开阅读全文