化工装置钛合金设备常见缺陷及修复办法

来源：发布时间：2014-07-11 11:26:38点击率：

2005年,对大庆石化分公司化工二厂醋酸装置1台钛材换热器试压检修时,发现管束开裂,处理方法只有2种:制作同样可代替的钛材换热器,或者对换热管端部泄漏部位进行焊接处理。如果重新制作同样可代替的钛材换热器,制造工期为8 d,装置开工在即,显然不可行。只能修复换热管端泄漏部位。因为设备的材质是TA(4α+β相),钛合金这种合金在室温下,其强度可达到93.1 MPa,而且在高温下(500℃以下)性能稳定,可焊性良好。从焊道取样分析其填充焊丝为TC4,所以可以采用现场就地焊接修复[1]的办法。
    1·钛合金焊接时容易产生的主要缺陷
    (1)钛及钛合金焊接时,焊接接头产生热裂纹的可能性很小,这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少,由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上,加之有效结晶温度区间窄小,钛及钛合金凝固时收缩量小,焊缝金属不会产生热裂纹。但是,钛及钛合金焊接时,热影响区可能出现冷裂纹,其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散,氢含量的提高使该区析出TiH2量增加,增大热影响区脆性,另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力,再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集,以致形成裂纹。
    (2)钛及钛合金焊接时,气孔是经常碰到的问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。氢是冷裂纹和气孔形成的主要原因。因为氢在小于300℃,在α相中溶解度很小,在室温时极限溶解度只有0.002%。当焊缝或热影响区在焊后冷却到300℃以下,过饱和的氢即以氢化钛(γ相)形式析出。体积增大并产生晶间应力,此应力发展会引起晶间微裂纹。晶间微裂纹在外应力作用下会扩展成为裂缝[2]。
    2·修复方法的确定
    钛合金焊接时,当温度高于500~700℃时,很容易吸收空气中的氧、氢和氮,严重影响焊接质量。因此,钛合金焊接时,对熔池全面及高温部位(400~650℃以上)的焊缝区必须严加保护。为此,钛及钛合金焊接时必须采取特殊的保护措施。因此,采用氩弧焊接的方法处理,并采用喷尺寸较大的焊矩,以扩大气体保护区面积,当喷嘴不足以保护焊缝及近缝区高温金属时,需补充氩保护拖罩。
    3·氩弧焊焊接工艺及参数的选择
    焊缝和近缝区颜色是保护效果的标志,银白表示效果、黄色为轻微氧化。焊缝和热影响区的表面颜色见表1。

    经过钛材手工钨板氩弧焊焊接试验结果,决定采用的焊接工艺参数见表2。
    4·焊前准备和坡口选择
    (1)焊件和焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响。焊前可先对试件及焊丝进行酸洗。用净水冲洗,烘干后立即施焊。用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭钛板坡口以及其两侧(分别为50 mm内)、焊丝表面、工具夹与钛板接触的部分。
    (2)焊接设备的选择[3]。钛及钛合金氩弧焊应选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源,且延迟递气时间不少于15 s,避免焊接时遭受到氧化、污染。所以采用WSM-315型IGBT逆变直流脉冲氩弧焊机。
    (3)焊接材料的选择。氩气纯度应不低于99.99%,露点在-40℃以下,相对湿度小于5%。当氩气瓶中的压力降至0.981 MPa时,应停止使用。填充丝一般采用同质材料,为改善接头塑性,可用比母材合金程度稍低焊丝TC3,该次焊接采用焊丝:TC3。
    (4)坡口形式的选择。原则上尽量减少焊接层数和焊接金属。随着焊接层数的增多,焊缝累计吸气量增加,以至影响焊接接头性能。又由于钛及钛合金焊接时焊接熔池尺寸较大,因此焊件开单V型70~80°坡口。
    5·结束语
    正确选择焊接工艺参数彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮、油污等有机物。控制好氩气的流量及流速,防止产生紊流现象,影响充气保护效果。采用手工钨极氩弧焊钛合金焊接处理裂纹办法可行,可以得到满意的效果。该设备E203自2005年8月检修后投产至今,运行一直良好,未发现该修复焊口泄漏现象,为醋酸装置安全生产提供了可靠保障。

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