工业纯钛泵体焊接修复工艺的制定及实施

2015-10-27于世行郝丁华

石油化工应用 2015年8期

关键词：试板泵体焊丝

于世行，郝丁华

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川750026）

工业纯钛泵体焊接修复工艺的制定及实施

于世行，郝丁华

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川750026）

本文主要介绍了工业纯钛泵体焊接修复工艺的制定及实施。通过对工业纯钛焊接过程中的保护研究，制定出适合的焊接修复工艺，实施后取得了较好的焊接效果。

工业纯钛；焊接性分析；气体保护；焊接实施

宁夏石化公司复合肥装置P01001泵泵体材质为工业纯钛（TA2），泵出口管线工作压力为5 MPa，工作温度为-20℃～80℃，运行介质为尿液，尿液来自于二化肥装置。P01001泵是复合肥装置输入尿液的主要机泵，也是装置上料的关键设备。P01001泵在生产运行过程中，运行效率逐渐降低，最终不能满足生产要求而停车检修。泵解体检查后发现壳体内部经过长期运行被尿液腐蚀，气蚀情况严重导致泵体穿孔，叶轮腔外周有气蚀严重的沟槽、坑等，泵体气蚀穿孔部位泄露的尿液直接影响环保指标及生产，壳体多处严重的沟槽需要进行焊接修复。钛及钛合金的焊接不仅需要较好的操作技术，还要有严格的保护措施。通过试焊钛合金板块，制定出了合理的焊接工艺，通过实施获得了较好的焊接结果。

1 工业纯钛的焊接性分析

1.1 工业纯钛的性能

工业纯钛呈银白色，密度为4.5 kg/cm3，熔点为1 668℃，线膨胀系数小，导热率小。

1.2 工业纯钛的可焊接性

钛的焊接主要在于技能操作与区域保护，氧、氮、氢气体对钛的焊接会构成很大影响。高温下钛与氧、氮、氢反应速度较快，钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，在空气中钛的氧化过程很容易进行。氧、氮、碳也属于稳定元素，他们以间隙形式固溶于钛中，他们能提高强度，但却使塑性严重降低。工业纯钛在焊接过程中，温度越高，时间越长，弯曲塑性下降越多，无论是焊接区还是背面高温区，如果不能得到有效的保护，必将引起塑性下降。液态的熔池和熔滴金属若得不到有效的保护，则更容易受到空气的污染，脆化程度更加严重。

1.2.1 氧和氮的影响氧在α钛中的最大溶解度为14.5%（原子），在β钛中为1.8%（原子），氮则分别为7%和2%（原子），氧和氮间隙固溶于钛中，使钛晶格畸变，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性降低，因此，焊接过程中须严格控制氧、氮的含量。

1.2.2 氢的影响氢含量从0.01%增加到0.058%，焊缝金属的脆性转变温度升高为≥40℃，随着氢含量的增加，焊缝金属冲击韧性急剧下降，而塑性下降较小，这是氢化物起的作用。

1.2.3 碳的影响常温时，碳在α钛中的溶解度为0.13%，碳以间隙形式固溶于α钛中，使强度提高，塑性降低，但作用不如氧、氮显著，碳量超过溶解度时生成硬而脆的TiC，呈网状分布，易于引起裂纹。焊接时认真清理焊丝及母材上的油污等。

1.2.4 工艺参数焊接工业纯钛时，采用合理的焊接工艺参数，控制热输入量，避免热输入引起的接头脆化，参数过小会产生马氏体，使塑性下降。参数过大时，过热区面积大，晶粒粗大，也使塑性下降，所以选用合理的焊接工艺参数，避免焊接接头脆化至关重要。

1.3 焊接方法的选用

从以上分析可以得出：由于钛的活性强，必须对焊接区采用保护罩进行焊接，手工电弧焊不能满足焊接要求，根据复合肥P01001泵结构焊件情况，手工钨极氩弧焊是理想的选择。

1.4 工业纯钛试板焊接

为了使工业纯钛泵体焊接修复达到较好的效果，对工业纯钛试板进行了试焊。选择两对长200 mm、宽100 mm、厚3 mm的钛板作为焊接试板，焊接位置为平焊。首先采用机械方式清理试板上的氧化膜，采用丙酮清洗，然后进行组对点固，预留间隙为2 mm。焊接分两种方法：一种是不采用保护，直接焊接，另一种是采用气体保护罩保护焊接区及高温区进行焊接。不采用保护，直接焊接所得到的焊缝表面呈黄斑灰色，并且焊缝表面上有黄色污物，焊后焊缝在降温过程中伴有清脆的噔、噔裂纹声，是焊缝被空气污染后晶粒间撕裂的声音。降到室温后，对试板焊缝做90°弯曲试验发生脆断，此方法不适用。采用气体保护罩保护焊接区及热影响区的方法，焊后焊缝呈银白色，焊缝在降温过程中无噔、噔的声音，冷却至室温后，对试板焊缝做90°弯曲试验合格，焊缝完好无开裂现象，说明采用气体保护罩的方法是可行的，最终决定选用保护罩对焊接区进行保护并焊接。

图1 复合肥P01001泵修复前图

图2 复合肥P01001泵修复后焊缝图

2 焊接工艺的制定及实施

2.1 焊接材料的选用

（1）钛及钛合金焊接时，要求选用的焊接材料化学成分与母材的化学成分相同。复合肥P01001泵体焊接，母材材质为工业纯钛TA2，选用的焊材材质也为TA2，焊丝直径φ3 mm。

（2）保护气体选用氩气（氩气纯度为99.99%），输气管采用乙烯及塑料软管输送氩气。

2.2 焊前清理

在焊接前对待焊区及其周围必须认真清理，去除污物后保持干燥。

（1）对母材焊接区及保护区的油污、油脂、油化、挂印等污物部位，采用丙酮清洗，采用不含氯离子的纯净水清洗，清洗后晾干。

（2）对母材焊接区及保护区氧化膜采用磨光机打磨，使用碳化硅砂轮片，打磨去除焊接区表面氧化膜。

（3）焊丝表面氧化膜采用6#砂纸打磨去除，再用丙酮清洗干净。

2.3 焊接工艺实施

由于工业纯钛导热性差，散热慢，高温停留时间长，加之钛的活性强，故选择大直径喷嘴，提高电弧热量集中，缩小喷嘴与母材之间的距离。本次焊接分为“拖罩气体保护下焊接”和“泵壳箱内气体保护下焊接”。

2.3.1 “拖罩气体保护下焊接”复合肥P01001泵体隔离板焊接，防止空气污染焊接高温区，制作拖罩：长度120 mm，宽度60 mm，高度25 mm，设有分布网。“拖罩焊接”是使用焊炬喷嘴拖着保护罩，边焊接边保护前行的焊接方法。将焊接区、高温区与空气隔开，避免了高温的焊缝及热影响区暴露在空气中被污化。

表1 焊接电流

右手持氩弧焊枪稳稳前行，左手持焊丝均匀滴入，焊炬前行时稍作小的摆动，使两母材与焊丝均匀溶合，焊缝每次焊接长度应小于保护罩的长度，以免被空气污染焊缝，采用托罩分段分块焊接，解决了复合肥P01001泵叶轮的焊接修复。

2.3.2 “泵壳箱内腐蚀沟槽气体保护下焊接”复合肥P01001氨液泵，内壳气蚀严重，空间狭小，焊接修复难度大，无法使用托罩，如不采用保护，焊接质量得不到保证，为了满足焊接要求，采取“泵壳箱内保护焊接”。

为了营造泵壳焊接保护环境，试用很多方法，使用了很多隔离物件，不是无法焊接，就是无法观察，最后制定出有效措施-“玻璃隔离保护”，既能观察到焊缝能顺利进行焊接，又能起到隔离保护气不泄露的作用，创造出“泵内小焊接室”的焊接环境，解决了无法施焊的难题。对“泵内小焊接室”进行充入保护气体-氩气，把空气逐渐置换出“泵内小焊接室”，提高了“泵内小焊接室”保护气体的纯度。具备焊接条件后，双手在“泵内小焊接室”焊接操作顺利，首先对泵体气蚀形成的大孔及凹坑采用段焊补孔，再对泵内被腐蚀的沟槽采用多道焊接，微摆动，控制层间温度，用此方法顺利完成焊接。