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Ta25W焊接工艺试验研究
Ta-2.5W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-CHEMICALEQUIPMENT
VoI.36No.4
July2007
文章编号:
1000—7466(2007)04—0014—05
Ta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;试验研究;金相组织
中图分类号:
TG406;TG444.74文献标志码:
A
TheStudyofTa-2.5WWeldingProcessingTest
YUDong—ZIl,DUANYi,LUOXiao-jun,XUEZhou,LUZhong-guang.
LIXiao-ming.HUANGXiao—cheng.DONGHu—lin
(1.TheSecondConstructionCompany,CNPC,Lanzhou730060,China;
2.CenterEducationofLanzhouPetroleum&ChemicalCorporation,Lanzhou730060,China)
Abstract:
Throughviewingtheseriesofweldingprocessingforexchangertube,whichisdifficult
tomeltmetalTa一2.5W,thespecialweldingprocessingandrequiresofTa一2.5Wmaterialare
gained.Towqualifiedweldersarealsobroughtup.Thesemeetthedemandtomanufactureandre—
pairthetubebundleforsulphuricacidevaporatorinAnilineUnit.
Keywords:
heatexanghertube;Ta一2.5W;hardermeltmetal;welding;teststudy;metallur—
gicalstructure
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
程设计压力一0.1~0.1MPa,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16MnR+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
25.4mm×0.5mm×5837mm,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
0.5~1mm,板材采用钽钢复合钢板,复层厚度一般
为1~4mm.
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5O0~600℃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25.4mm×0.5mm的Ta一2.5W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1~50HZ,能够满足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(15±1)..
(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)拉伸试件进行拉伸试验,试验结
果见表5.从表中可以看出焊缝强度均高于母材,
(i)焊缝区
(i)焊缝区
焊缝强度满足使用要求.
表4试验分析项目及试样数量个
ASTMB52l92(R0525)一
母材355345
第1组355355
第2组350390
第3组350400
断于母材
断于母材
断于母材
3.2微观金相组织分析
对3组试件的焊缝区,热影响区以及母材区采
用光镜方法进行了金相组织分析,结果见图5.
(ii)热影响区
(a)第1组
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(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:
①介质1.质量分数6O的H.SO+质量
分数0.5的HNO.,沸腾温度120℃.②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2006—19-1(b)试样编号2006—20—1
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
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1200℃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:
[1]ASTMB708—92,钽和钽合金中厚板,薄板和带材Is]
E23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:
27—28
[3]JB4708—2000,钢制压力容器焊接工艺评定Es].
(许编)
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