钛管焊接工艺

钛管焊接工艺
1前言
PTA装置是扬子乙烯二期工程的重点项目。

该装置生产能力为年产45万吨精对苯二甲酸，它是同期同西德吉玛公司引进的54万吨／年聚脂装置的配套装置，也是国内最大的聚脂原料生产装置。

由于生产条件苛刻，工艺复杂，整个装置设备、管道多（147593米，其中不锈钢管道占全部的1/4），使用材料特殊（如钛材）。

因此给施工带来较大难度，尤为突出的是钛管的焊接施工。

该装置的钛管管径φ21～508mm，壁厚l.5～l4mm，近900m，约500道焊缝，其中可通过预制完成的约400道，需现场焊接的约100道。

焊接质量要按鲁奇公司的标准检查、验收。

技术难度大，特别是钛管的全位置焊接，国内施工经验不多。

为确保焊接质量和施工工期，我公司进行了一系列的焊接工艺试验，制定了合理的施工方案，特别对钛管的全位置焊接进行了技术攻关，并获得成功。

2技术条件
2.1钛管的设计技术条件与标准
2.1.1设计技术条件
2.1.1.1管材及配件材质:DIN17850
3.7025,3．7035,3．7055．其
化学成分如下表：
2.1.1.2管材规格：φ508×4.5，φ408×14，φ26.9×l.5,φ21.3
×2.6。

2.1.1.3钛管工作条件；温度224℃，压力2.5MPa，介质醋酸，溴
化物。

2.1.1.4管道质量要求：焊接接头系数1，焊缝射线检验100%，水
压试验压力3.75MPa，气密性试验压力0.625MPa
2.1.2技术标准
2.1.2.1管道工程钛材焊接规范LON1015E
2.1.2.2钛管施工技术条件伍德公司标准
2.1.2.3钛管施工及验收规范SHJ502-86
2.2 焊接特点
钛管焊接是利用惰性气体对焊接区进行有效保护的TiG焊接工艺。

由于钛材具有特殊的物理化学特性，因而其焊接工艺与其它金属存在较大差异。

焊接时必须保证：（1）焊接区金属在250℃以上不受活性气体N，0、H及有害杂质元素C，Fe，Mn等的污染。

（2）不能形成粗晶组织。

（3）不能产生较大的焊接残余应力和残余变形。

所以，焊接过程须按合理的工艺，严格按工序质量管理标准，实行全过程的质量控制。

使人、机、料、法各因素均处于良好的受控状态，从而在合理的工期内，保证钛管的焊接质量。

3材料、设备及工具要求
3.1钛管及配件；应具有制造厂的出厂合格证和质量证明书。

经复验其规
格、化学成分、力学性能及供货状态均应符合DIN17850标准的要求。

3.2焊接材料
3.2.1焊丝：焊丝牌号为ERTi-2。

选择焊丝应符合：（1）焊丝的化学
成分和力学性能应与母材相当；（2）若焊件要求有较高的塑性时，
应采用纯度比母材高的焊丝。

焊丝在使用前要进行材质复验，检查出厂合格证和质量证明
书；焊丝表面应清洁，无氧化色、无裂纹、起皮、斑疤和夹渣等
缺陷。

焊丝的化学成分应符合AWS A5．16一70的有关规定。

3.2.2氩气：工业一级纯氩，纯度不得低于99．98%，含水量小于50Mg/L
氩气在使用前先检查瓶体上的出厂合格证，以验证氢气的纯
度指标，然后检查瓶阀有无漏气或失灵现象。

3.2.3钨极：选用φ2.0～φ3.0 mm铈钨极，其化学成分应符合如下要
求：
3.3焊接设备
3.3.1焊机：采用直流TiG焊机。

焊机应保证优良的工作特性和调节特
性，同时配备有完好的电流表和电压表。

3.3.2焊炬:采用QS一75°/500型水冷式TiG焊焊炬。

焊炬应具有结
构简单，轻巧耐用，枪体严密，绝缘良好，气流稳定，夹钨捧牢固，
适合于各种位置焊接的特点。

3.3.3氩气输送管；采用半硬质塑料管，不宜用橡胶软管和其它吸湿材
料。

使用时应专用，不得与输送其它气体的管相互串用。

氩气管不
宜过长，以免压力降过大引起气流不稳,一般不超过30m。

3.3.4焊接夹具：用奥氏体不锈钢或铜制管卡兰、锁紧螺栓等组对钛管
及配件。

应确保对钛管及配件有一定的夹紧力,以保证轴线一致，
间隙均匀合适。

3.3.5辅助设备及工具：氩气保护罩，磨光机，专用锉刀，不锈钢丝刷
等。

4焊接工艺
4.1管道预制阶段
4.1.1管道切割与坡口加工；管材切割与坡口加工应在专门的作业场所
内采用机械加工方法进行。

加工时要用非污染介质洁净水进行冷
却，以防氧化。

加工工具应专用，并保持清洁，以防铁质污染。

加
工好的管口应保证表面平整，无裂纹、重皮等缺陷。

切口平面最大
倾斜度偏差不超过管径的1%。

4.1.2表面清理：用奥氏体不锈钢制的钢丝刷清除钛管所有焊接表面及
坡口附近100mm内的锈皮、油漆、脏物、灰尘和能与钛材起反应的
杂物。

用砂轮修整加工面，清除飞边、毛刺、凸凹等缺陷。

4.1.3组对：将钛管、配件对准、夹好，轴线不得偏移，间隙均匀一致，
并应防止钛管在装配中被损伤和污染。

避免强制组对。

定位焊采用
和正式焊接相同的焊接工艺。

4.1.4脱脂处理：用赛璐珞海棉沾无硫乙醇或无硫丙酮对所有焊接表面
和坡口附近50mm内全部做脱脂处理，处理后的表面应无任何残留
物。

4.1.5焊接：应在有关标准规定的条件下进行。

4.1.
5.1焊接工艺评定
在钛管正式施焊前，用φ252×14 TA2管进行焊接性试验，在此基础上进行φ36×4，φ252×14垂直固定及水平固定位置的四项焊接工艺评定。

焊接工艺评定宜在焊接试验室进行。

试验前拟定了与工程施工实际相同的焊接
方案，评定原则、要求、方法均按ASME IX执行。

评定合格的工艺参数如下： a、坡口条件
b电源种类和特性:直流正接
c焊接规范
4.1.
5.2焊工资格
根据焊接工艺评定所提供的工艺参数，在专家的指导下组织焊工进行学习，并请有经验的焊工师傅作示范，对将参与焊接的焊工进行操作技能培训和考试。

结果参加培训的五名焊工全部通过DIN8560规定的考试，并参加钛管的焊接工作。

4.1.
5.3焊材
焊丝为德方提供的ERTi-2，规格经工艺评定后确定为φ2.0、φ3.0。

焊丝在使用前应按坡口的清理方法进行表面清理及脱脂处理，施焊时焊丝的端部应除去10～20mm长。

4.1.
5.4焊接环境
钛管施工需在预制厂房内进行，在现场焊接固定口时，应根据需要搭设防雨、防风棚，保证焊接环境符合工艺要求。

若出现下列条件之一时，不准进行焊接。

4.1.
5.5层间清理与保护
对多层焊道，在下一层施焊前，首先检查表面氧化程度，如有异常情况，应立即进行表面处理或返修处理，处理时必须用专用的奥氏体不锈钢制钢丝刷和砂轮。

4.1.
5.6焊缝表面酸洗钝化处理
钛材焊接后，经表面色泽检查合格后须对焊缝和热影响区进行酸洗钝化处理。

酸洗后必须立即用水彻底冲洗．以除去残留在焊件上的酸液。

整个酸洗过程的温度应控制在40℃以下。

酸洗钝化液按下列比例配方；
4.1.6焊接检验
所有焊缝均应进行外观检查，X射线照相检查，着色检验和压力试验等项检验，均应合格。

4.2管道安装阶段
经检验合格的预制管道接单线图及安装质量要求进行管道安装。

安装时不能将铁质工具和支架与钛管直接接触，不能用强制方法固定钛管。

安装时的现场固定焊口，焊接工艺同预制管道时的工艺．焊工应是全位置焊接培训考试合格的焊工。

4.3钛管焊接工艺流程简图如下所示：
5焊接质量控制
5．1组对质量控制：组对时须将方向长度偏差、间距偏差、角度偏差、法兰相邻螺栓距离偏差、法兰面与管中心垂直偏差等，均应控制在规定
的范围内。

5．2施焊质量控制：焊接重点控制焊工、焊材、焊接工艺和无损检测
几个主要环节。

主要采取如下措施；
5．2．1加强氩气对焊接区的保护
钛在250℃以上吸氢，400℃以上吸氧，600℃以上吸氮，这些元素的渗入将大大降低钛的力学性能。

因此氩气对热态焊缝的保护是焊接接头质量优劣的关键因素。

钛材管道的焊接保护都是通过管内通氩，管外用专门的保护罩来进行的。

保护罩的形式一般有整罩结构、半罩结构和弯头罩结构。

a、整罩结构
为避免铁离子污染，所有保护用的结构材料采用铜材制作。

整罩结构形式如图：
结构由氩气导管、缓冲器、保护罩、密封口等组成。

氩气导管采用φ6mm铜管，进人混合室有一横管上钻有一排φ1～1.5mm 小孔，孔方向前上壁，主要使氩气人口减少冲力，分布均匀，再通过二层20～40目的铜丝网进入保护区罩。

保护罩的直径宜比钛管直径大40mm左右，长度一般在80～120mm，密封口长20mm左右，宜与钛管外径保持均匀的1～2mm的间隙。

这样一方面避免氩气流失太多，另一方面又可保证保护区内微正压，可防止外部空气混入。

喷嘴焊丝插入口在25～40mm左右。

如太小则影响视线看不清焊缝，难以保证质量，太大则氩气流失严重，影响效益。

b、半罩结构
半罩结构的原理基本同全罩结构，在口径较大Dg150以上采用此种结构。

半罩的长度一般在230～250mm，宽90～100mm，高40mm，密封口长40mm。

对半罩以外部分，为减少氩气流失，增加保护效果，并且为固定半罩，适合全位置焊接需要，须制作一条弧形的，宽度30～50mm，中间带凹形的保护带，该带两端连接在保护罩上，一端固定，一端采用活扣连接。

在实际施焊中可达到理想的保护效果，也解决了全位置焊接中一些技术难题。

c、弯头罩结构
为达到氩气保护弯头焊缝的目的，必须增加一个弯头形状的附加罩。

在固定焊时，弯头附加罩不动，直管保护罩与弯头附加罩活动配合，可绕弯头附加罩旋转，达到氩气保护的目的。

d、管内充氩保护，均采用分段充氩的方法。

在焊口的两侧200～300mm 的地方，作好密封装置，封好充氩。

密封装置采用胶皮和不锈钢夹板封口。

出气口采用φ4mm孔径，进气口采用φ8mm孔径，这样可保证将管内空气驱赶干净，达到氩气保护的目的，另一方面保证管内做正压，防止外部空气进入，有利于焊缝成形。

但也不能使正压力过大，压力过大将使溶池金属喷出或产生背面内凹缺陷。

进气侧应密封严密，防止进氩气时从缝隙处带人空气而导致氩气保护被破坏。

对全位置焊接的焊口，充氩比较困难，因为焊口两端距离都较长，还有弯头件等。

充氮仍采用分段充氮方法，在该道焊缝组对前，就将密封垫片（由不锈钢夹板与胶皮组成，充氩管为软胶管，并联一根有一定强度的不锈钢丝）放置在管道内距焊口200～300mm处。

待焊缝组对焊接完成后，将密封垫片取出即可。

5．2．2加强焊工培训，提高全位置焊口质量
对于钛管的全位置焊口的焊接，是现场施工的一个重要突破口。

由于操作受阻（要带动保护罩一起转动，还不能使用内填丝法）和视线不好，无法准确掌握熔池的形成、结晶情况，容易产生内凹及熔合不良的缺陷，因此焊工必须掌握要领，熟练操作，做到节奏均匀，快速填丝，控制熔池温度，才能保证焊接质量。

上岗焊工必须培训考试合格，在此基础上选出素质好、体力充沛的焊工进行全位置管道焊缝的焊接。

5．2．3严格执行焊接工艺，提高焊缝一次合格率
由于钛材焊接的特殊要求和工艺特点，焊口多次受热会较大地降低材料的韧性，因此在焊接过程中要精心组织管理，严格执行工艺制度、最大可能地提高焊工的一次焊接合格率。

尤其要消除过度氧化、裂纹、未溶合、未焊透、内凹、缩孔等缺陷。

在整个焊接过程中要特别控制好层间温度、焊接线能量、焊材、焊接环境等工艺要素。

由专人负责测量和记录工艺数据，专人负责保管和清理焊丝。

6技术经济效果
6.1技术效果：施工实践证明本工艺成熟、先进、设备简单、容易掌握，
具有广泛的实用性。

6.2质量效果；在整个PTA工程钛管施工中，严格执行焊接施工工艺，获
得了较好的质量效果，所有焊接接头经下列项目检验，均达到满意的结果。

6.3外观检查：按LON1015进行检查，所有焊接接头焊缝表面成型良好，
与母材圆滑过渡，无表面气孔、裂纹、凹陷等缺陷。

热影响区颜色多为银白色和金黄色，有少数焊口为紫色。

结果优良率98%，合格率100%。

6.4X射线照相检查：按DIN54Ⅲ规定进行检验，照片质量根据54-109规
定，拍片的鉴定和分类按llW规定进行。

结果：一次合格率98%，二次合格率100％。

6.5着色检查：所有焊缝按AD-MerKbeattHPS/3规定作着色检查。

结果100%
合格。

6.6压力试验：所有预制管道都在预制场内作水压缩试验和气密性试验，
安装后作系统的水压试验和气密性试验。

试验压力为：水压强度
3.75MPa．气密性0.625MPa。

试验结果100%合格。

6.7经济效果：钛管的焊接成功为化建公司创造了经济效益，为扬子石化
公司PTA工程顺利投产奠定了基础，也为我国石化工程施工钛管全位置焊接积累了经验。

同时用本工艺方法在PTA装置的HA-402搅拌机轴和支承法兰的补焊中应用，节约外汇20万元，并保证设备正常开车运行。