浅谈醋酸装置中Zr702等特种管材焊接工艺控制与施工管理
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【摘要】 Zr及Zr合金是优异的耐蚀结构材料,广泛的应用于核动力工程和化工耐蚀结构。采用真空电子束焊或惰性气体保护小型室内焊接工艺,现场条件下大规模的化工管道焊接有较大难度。本文主要论述了Zr702等特种管材在大型醋酸主装置工艺管道焊接方面特殊要求及施工管理控制,通过实践,安徽华谊年产50万吨醋酸装置中zr702等特种管材的施工质量达较高水平,整个特材管道(含Zr702,C276,B3等管道)焊缝一次探伤合格率达到99.89%,且特材管道的施工质量完全达到设计要求。
【关键词】 Zr702特种管材焊接工艺施工管理
程概况
安徽华谊化工有限公司50万吨/年醋酸工程施工中,因醋酸主装置物料腐蚀性很强,故采用稀贵金属锆材和其他镍基合金材料制作设备和管道,其中Zr702管材,最大直径为400mm,壁厚最厚为15.88mm;C276管材最大直径为800mm,壁厚最厚为10S;B3管材最大直径为800mm,壁厚最厚为10S;总焊接工作量达9055达因。其中DN300-DN400的锆管焊接层数达14层左右,焊接温度、质量控制难度大。最大设计压力4.5MP,测试压力10.52MP,Zr702安装工作量主要集中在R20101氧化反应器和P20201A/B泵,P20101A/B四台锆泵周围。
2 施工特点及难度
锆702属非合金级锆,熔点约1852℃,焊接需要采用大能量热源,在高温下化学活性很大,极易与空气中的氧、氢、氮发生反应,形成脆化物,使其机械性能与耐蚀性能极具降低,锆和锆合金在200℃开始吸收氧,300℃开始吸收氢,400℃开始吸收氮,对焊接条件变化极为敏感。锆对杂质的存在十分敏感,微量的杂质(如氧、氢、氮、碳等)就可导致脆化,直接影响到它的塑形、韧性。故焊前材料和焊丝表面清理和焊接过程中高纯惰性气体配合特殊工装的防护尤为关键。
由于大口径特材卷管加工技术限制和锆材的加工特殊性,成型后管道的圆度较差,容易造成错边量不匀、局部超标,造成薄弱点;导热系数中等,为碳钢的一半,容易造成局部过热,致使表面形成青紫色或暗灰色,造成材料机械性能和耐蚀性能急剧恶化;施工现场要进行组装,现场特材固定焊口焊接环境要求高;大口径特材管道安装高度高,组装要求高。
3 焊接施工方法及焊接材料选择
考虑到醋酸工程特种管材焊接的特殊性,参照上海吴泾化工醋酸工程的特种管材焊接施工经验,本次施工的Zr702、B3、C276等特材仍采用加工场管段预制焊接和现场固定口焊接的方法进行。焊接方法为GTAW,和焊接材料为进口ERZr-焊丝,保护气体氩气纯度不低于99.999%高纯氩气。
4 Zr702特材管道原材料的质量控制
(1)特材管道组成的检验包括特材管子、管件、法兰、紧固件、垫片、阀门、支吊架等材料的检验;
(2)焊接施工所涉及的管材、管件、焊材等应符合ASTM《美国材料协会标准》,AWS《美国焊接协会变准》等专用标准及施工设计图的要求,施工前认真核对其材质、规格、型号,并进行外观检查,特材部分全部进行光错分析;在自检合格的前提下及时报检;
(3)按设计施工图要求对每根特材管道及组成件实物进行编号统计。
5 特材管道施工过程控制
5.1 切割和坡口加工
(1)Zr702管材只允许采用机械方法切割和加工坡口,本工程上的特材管道切割全采用专业车床切割。加工坡口所用工具为专用,并保持清洁,切割后采用机械方法除去毛刺及污染层。断料材料涂色后切断,不得切断后涂色。
(2)特材管材下料前,认真熟悉管道单线图,按施工图结合现场设备安装的实际情况绘制单线图,并统一进行编号。仔细核对材质、规格、尺寸,做好标记移植。划线应采用记号笔,禁止打钢印,必须经质检员、技术员复核后方可切割。通过统一编号我们可以追溯该管道预制及组装的全过程。
(3)在预制阶段结合现场情况,细致审图,合理分段,做好实测实量工作,并将仪表接口、静电接地及运输、吊装等制约条件全盘考虑,防止错误、遗漏。预制安装完成的管道分类堆放
(4)机械加工后,坡口表面还应使用非黑色金属的刮刀、不锈钢丝刷等工具进一步加工,使坡口表面平整光洁,无毛刺、凹坑、砂粒等缺陷。
(5)避免使用砂轮加工,要用砂轮加工时,应用金刚砂或氧化铝型耐磨料制成的砂轮片。用砂轮打磨时,不能用力过猛或连续时间过长,以防材料局部区域温度超过200℃,而氧化变色。一旦出现变色必须轻轻磨掉。
(6)焊接坡口加工为单边30度+5度
5.2 焊前清理
(l)坡口两侧各25m范围内、外表面,采用锉刀、刮刀或不锈钢丝刷除去氧化膜。
(2)坡口两侧各75m范围内、外表面,采用适合的溶剂(酒精、丙酮)除去油脂、水份、灰尘等杂物,施用溶剂应采用干净的海绵或白绸布,不得使用毛巾、棉纱。焊接材料(焊丝)用同样的方法进行清洗。恒温箱内保存,随用随取,远距离携带应使用保温筒。
5.3 组对和定位焊
(l)管子、管件组对按照GB50235-97、GB50236-98规范有关规定进行,在不锈钢组对架上进行,组对时采用木锤或铜锤敲打,不允许强力组装，特别对泵口或短管部分。
(2)定位焊应采用与正式焊接相同的焊接材料和焊接工艺,定位焊缝的厚度,不得超过管子壁厚的2/3,长度10mm左右。
(3)需特别注意定位焊缝的质量,发现裂纹,气孔、未焊透、氧化变色等缺陷。应清除重焊,并要有合格焊工施焊。
(4)定位焊后的焊件应立即进行焊接,如不能立即进行焊接的应采取有效的防尘措施。
5.4 焊接工艺及措施
锆702管材焊接的关键是要求获得有效的良好保护,使焊接高温区与空气隔绝。氧气纯度应为99.999%,露点低于一50℃(-60)的高纯级氩气。
对较大的工件采取局部保护,应采用尾随拖罩保护的焊炬及背面保护拖罩。拖罩的形状大小应根据工件及焊接规范决定。焊炬、拖罩和背面保护拖罩应单独供气,拖罩罩应紧贴工件,长、高、宽合适,内装200目不锈钢丝网,以增加氧气流的稳定性。
采用铜制的衬垫,拖罩或强制冷却措施,以均匀快速冷却焊接区。材料表面和中间层必须洁净,焊件与焊丝在焊接前应用不含氯的溶剂(如丙酮、甲苯、甲乙酮、异丙酮)脱脂擦拭。
5.5 焊接技术措施
保护工装结构形式应根据接头形式确定,并尽可能与被焊管材表面贴合严密,可采用耐高温胶布辅助封闭措施,提高保护效果,防止因空气漏入造成失效。工装内部通水降温,加快冷降速度,减小工装体积。
焊接采用小电流、快焊速,并避免焊枪横向摆动,当单道焊缝不能满足焊缝宽度要求时,可采用多层多道焊。保护拖罩应根据接头形式确定,尽可能与焊件表面贴合严密,防止空气漏入保护失效。管内充氢气保护,两端采用硬质海绵塞,确保不漏气,表面间隙采用耐高温胶布辅助封闭措施,达到良好的背面保护提高保护效果。
为防止有害气体对焊接区域的侵入,对于温度高于200℃的热态焊件,必须采取有效的高纯度氢(99.999%)气体保护,并注意焊接用具、人员的衣着及工具干净无尘。
三路保护气体(焊炬、拖罩、背面保护〉应独立供气,到达均匀,无紊流和互相干扰。检查输气应管路无泄露、无残留水分。输气软管应采用塑料管、尼龙管,禁止使用橡胶管等易吸湿材料管道。
为有效保护,焊接时一般不做横向摆动。焊接规范(电流、电压、保护气流量、焊接速度等)根据焊接作业指导书的具体数据执行,焊接作业指导书将依据焊接工艺评定及现场施焊条件进行制定。