锆及锆合金管道焊接工法

锆及锆合金管道焊接工法适用范围

《锆及锆合金管道焊接工法》不仅适用于化学工程、有色金属工程、核工程中锆及锆合金工艺管道的室内活动焊口的焊接，同样适用于室外固定焊口的焊接 。

锆及锆合金管道焊接工法锆材特点

1、锆属于稀贵金属材料，物理、化学性能独特，焊接时应根据其特性，制订工艺措施，以满足获得质量合格的焊接接头的要求。

2、工业纯锆是银白色金属，密度6.5克/立方厘米、熔点1852℃、比热容29焦耳/（千克·K）、电阻率45微欧姆·厘米，线膨胀系数5.9X10^-6K，由于锆的熔点高，比热容和导热率小，焊接宜采用大规格、快焊速。

3、锆材化学活性大，当被加热到焊接温度时，很容易熔解材料表面的氧化物，还与大多数元素和化合物发生反应，引起材料机械性能和耐蚀性能恶化。焊前应对材料表面进行机械清理和化学清洗。

4、锆材化学活性大，高温下会与氢、氧、氮等气体发生反应。氢、氧、氮与锆形成脆性化合物，使锆的塑性、韧性和耐蚀性能急剧降低。因此，在焊接过程中，采用改进的特殊工装，使锆管焊接区域温度可能超过200℃部位全部处于充足的惰性气体的有效保护之中，不仅室内活动口，室外固定焊口的质量同样能达到锆管焊接质量标准 。

锆及锆合金管道焊接工法工艺原理

《锆及锆合金管道焊接工法》采用手工钨极惰性气体保护焊（GTAW）焊接方法。焊前对锆管坡口及热影响区进行机械清理和化学清洗，除去母材表面的氧化膜和油污；焊接过程中，通过控制热输入降低焊接区域高温停留时间，利用脉冲焊机脉冲的可调性及参数宽范围的调节性，能够控制熔池温度，降低焊接区域的温度，实现控制熔池焊接区域温度的目的。同时，采用特殊的保护工装，使锆管焊接区域温度可能超过200℃部位的局部或全部处于惰性气体的有效保护之中，管道内部进行大流量充气直至全部焊道完成冷却至室温后撤掉保护，达到锆管焊接之目的 。

锆及锆合金管道焊接工法工艺流程

《锆及锆合金管道焊接工法》工艺流程如下：

施工准备→材料验收→划线检验→下料及坡口加工→坡口周边处理→焊件组对→焊接→焊缝外观检查→焊缝PT、RT探伤→管道水压试验→排水、干燥

锆及锆合金管道焊接工法操作要点

一、施工准备

1、焊接工艺评定及焊工考试

施工前，按照ASME第Ⅸ卷的有关规定进行焊接工艺评定；根据焊接工艺评定编制焊接工艺指导书，指导焊工培训；参照ASME第Ⅸ卷要求进行焊工考试，取得作业人员证的焊工，方可参加焊接施工。

2、场地准备

为了避免雨、雪、风、霜等干扰，需要搭设一个活动暖棚。棚架釆用Φ48X3脚手架管，棚壁用一层加厚阻燃蓬布蒙着，留一人、物进出口。棚内釆用36伏安全电压照明。环境温度不得低于15℃，相对湿度不得大于90%。

二、材料验收

管子、管件、螺栓、垫片、阀门、焊材等必须有制造厂出厂合格证和质量证明书。管子应逐根检查其外径、壁厚；表面应光滑、清洁、不得有裂纹、折叠、过腐蚀和划伤等缺陷；管件、螺栓应符合设计要求，无超标缺陷。

三、划线检验

操作人员应认真熟悉图纸，因材料价格昂贵，划线后应认真进行自检、互检和技术人员复查，并做好标记移植。

四、下料及坡口加工

锆管的切割和坡口的加工应尽可能采用机械方法，如锯、车、铁、钻、刨等，并配合水或冷却液降温，避免温升造成材料损害。大件必须采用热切割方法加工时，应留有足够余量，并采取措施保护管子内外表面，防止灼伤，切割后应釆用机械方法除去污染层。

坡口周边25毫米范围内外表面较厚的氧化膜，可使用砂轮机、电磨、锉刀、刮刀进行清理，坡口表面应光洁、无毛刺、凹坑和残存砂粒等缺陷，最后还应使用不锈钢丝刷仔细清理，加工使用的工具应为专用，并保持清洁。加工完成的坡口应经PT探伤检査合格。

五、坡口周边处理

加工完成的坡口周边75毫米范围内外表面，使用合适的溶剂（丙酮、酒精）清洗，除去材料表面的油脂、水分、灰尘。

清理完成的焊件应立即进行焊接或对焊接区域采取防尘措施，放置时间不宜超过8h，否则应再次清理。填充焊丝焊前必须用溶剂清除其表面的油脂、残留润滑剂和灰尘等污物。

六、焊件组对

管子、管件对接焊口的组对应做到内壁齐平，内壁锆边量不宜超过壁厚的10％且不大于1毫米。采用木锤或铜锤敲打，不允许强力组装。点固焊的工艺措施及焊接材料应与正式焊接一致，点焊高度不得超过管壁厚度2/3，点固焊缝不得有裂纹、气孔及不允许存在的氧化变色等缺陷。

七、焊接

1、保护工装的改进

由于锆材的焊接作业是在室外进行，为了进一步提高氩气的保护效果，使焊接质量达到要求，在原来的氯气保护工装上进行了一些改进。

（1）为了使管内充气堵板与管内径严密贴合，以提高保护效果，减少氯气耗费，把原来刚性的充气堵板改为用柔性材料制作。

（2）外部保护拖罩由原来的与被焊管间的刚性接触改为柔性接触，使焊接运动过程中拖罩与被焊管间的间隙始终处于柔性封闭，弥补可能产生的封闭不紧密，防止空气卷入焊接高温区域。这一措施大大提高了保护效果，又减少了氩气的耗费。

（3）外部保护拖罩内的保护网材料由刚性材料改为更为耐用的柔性材料，既能较好地保证流出的保护气体呈层流状态，又节约成本提高效率。

2、焊接工艺

（1）釆用氮弧焊焊接工艺，利用脉冲焊机脉冲的可调性及参数宽范围的调节性，控制热输入降低焊接区域高温停留时间，有效地控制熔池温度，降低焊接区域的温度，实现控制熔池焊接区域温度的目的。

（2）由独立的气路提供各区域保护气流，且互不干扰。

（3）焊接过程中，焊丝加热端应始终处于氧气保护区内，送丝应均匀并防止带入空气。灭弧后，焊丝可暂不拿出熔池，如果焊丝发生污染变色，则应至少切除25毫米。焊接采用大规范、快焊速，避免焊枪横向摆动，当单道焊不能满足焊缝宽度要求时，可采用压道焊。

（4）层间温度应控制在100℃以下，层间清理可使用锉刀或扁铲除去弧坑、飞溅及不利于下道焊接的焊瘤、凸起等缺陷，并使用不锈钢丝刷除去轻微的表面变色，必要时应使用溶剂清洗焊道及热影响区表面，除去工具、手套造成的污染。

（5）不同壁厚管道对接时，当壁厚差小于或等于2毫米时可以直接焊接；当壁厚差大于或等于3毫米时，则应按右图进行加工。

（6）焊接定位焊缝时，应釆用与正式焊接相同的焊丝和焊接工艺，并应由合格焊工施焊。定位焊缝表面的氧化膜应清理干净，并应将其两端修整缓坡形。定位焊缝尺寸应符合下表规定：

（7）焊接工艺参数

焊接工艺参数见下表：

3、焊接操作

（1）焊接采用三人组合焊方式，即一人焊接，一人持正面托罩，一人监控气体配送的相互配合，对焊接区域进行充分的保护，以达到必须的保护要求。

（2）焊接时钨极端部与工件的距离为2毫米，焊枪、焊丝和焊工三者的位置既要便于操作，又要保护好焊接熔池；焊丝与焊缝之间的倾角为10°左右，如倾角太大，容易扰乱电弧及焊接保护气流的稳定性；焊枪与工件表面夹角宜在80°~90°之间。

（3）当钨极与工件接触时，应立即停止焊接，将钨极、焊丝和接头处处理干净后方可继续焊接。

（4）焊接过程中，如发现焊缝及热影响区出现不允许的污染变色时，应立即停止焊接，査明原因，采取措施，并经验证确实有效后，方可继续焊接。对污染严重的焊缝，必须铲除干净，并进行必要的修复后方可进行下步焊接工作。

（5）多层多道焊时，每层焊道接头应错开，每焊完一遍即应将焊缝表面氧化膜清理掉。为保证焊接质量，焊接时层间温度不应超过100℃。当班未完成重新焊接前应当对前层焊道使用无硫乙醇或无硫丙酮擦拭脱脂清理。

（6）当钨极氩弧焊的钨极前端出现污染或形状不规则时，应进行修磨或更换，当焊缝出现触钨现象时，应将钨极、焊丝、熔池处理干净后方可继续进行施焊。

（7）焊接过程中，如出现点固焊开裂，造成错口时应立即停止施焊，并应立即进行修复，然后继续焊接。

八、焊缝外观检査

焊后必须进行外观检查，焊缝及热影响区不得存在夹渣、气孔、裂纹、咬边、熔合性飞溅和超过规定的颜色变化。

九、焊缝PT、RT探伤

1、焊后对焊缝正反两面必须进行100%PT探伤检査，如果背面不能接近，则打底焊道表面必须进行100%PT探伤检査。

2、对接焊缝焊后进行100%RT探伤检查，其线性象质计金属丝的材料应与管材相一致。

十、水压试验

管道安装完毕后，按设计要求进行水压试验，试验合格后用压缩空气将管内积水吹干 。

十一、劳动力组织

施工单位采用《锆及锆合金管道焊接工法》的劳动力组织见下表：

施工单位采用《锆及锆合金管道焊接工法》时，材料设备按以下要求：

一、焊接设备

焊接设备应能满足使用要求。为了保持电弧电压的稳定和能方便地调节电流，焊机选用直流氩弧脉冲焊机，焊机具有多调节性，参数连续可调。为了消除钨极和大气对焊缝的污染，焊机应有自动引弧、熄弧、电流衰减、提前送气和滞后断气程序控制。焊枪的结构尺寸，应能保证接近焊缝和从喷嘴中流出的保护气体呈层流状态，喷嘴内配有气体梳流透镜。

二、焊接材料和电极

锆和锆合金管道焊接应按AWS标准选用焊丝，原则是焊丝杂质和气体含量较母材高一个等级，其化学成分、机械性能应符合《锆和锆合金焊丝和填充丝标准》ASME SFA-5.24的要求。

焊丝须经外观和金相检验，其表面应光滑，无毛刺疤痕、折皱和裂纹，内部无包覆的润滑剂和其他污物。

电极通常采用铈钨极（Ce-2），规格为2.4~3.2毫米。使用前应将电极修磨成平底锥形。

三、保护气体

保护气体可选择氩气、氮气或二者混合气体。因氩气密度较空气大，可避免焊接过程中的扰动卷入空气，且价格比氮气便宜，通常采用高纯度的氩气，纯度应≥99.999%。

储存氩气的气瓶必须干燥，没有任何残留气体和液体。气瓶岀口处氩气的露点应低于-50℃。当气瓶压力低于98兆帕时应停止使用。输送氩气的管道应为金属软管或塑料、尼龙管，不允许使用有吸湿性的橡胶管。输送氩气的管道应没有残留水分和泄漏。

四、主要工机具

主要焊接工机具见下表：

《锆及锆合金管道焊接工法》与原工法相比，该工法具有以下特点：

1、解决了室外固定口焊接难题：不仅可以进行室内活动口的焊接，对于室外固定口的焊接，同样可以保证焊接质量。

2、对原来的保护工装进行了改进，既提高了保护效果，也提高了焊接效率，同时节约了氩气。

3、使用非熔化极脉冲氩弧焊机，利用焊机脉冲的可调性及参数宽范围的调节性，能够有效地控制熔池温度，降低焊接区域的温度，实现控制熔池焊接区域温度的目的。

4、研究开发出适合锆材焊接施工验收的企业标准《特种材料管道焊接施工验收规定》，可以保证焊接质量，焊缝一次合格率可达98.8%以上。

5、中国化学工程第六建设有限公司和陕西化建工程有限责任公司为减少焊工在室内焊接时吸收大量的氯气及其他有害气体，研制出一套焊接工位环境保护装置，改善了焊工作业条件 。

中国化学工程第六建设有限公司和陕西化建工程有限责任公司于1994年承建的江苏镇江索普集团10万吨/年醋酸工程。其主装置中工艺管道材料选用了锆材Zr702（ASTMR60702）。经过反复研究试验，两公司研制出采用特殊的工装、在大气中采用手工钨极惰性气体保护焊（GTAW）并总结成《锆及锆合金管道焊接工法》。

1997年以来，通过多项工程的实践，中国化学工程第六建设有限公司和陕西化建工程有限责任公司对原技术进行了创新，改进氩气保护工装，优化焊接工艺，解决了过去不能在室外进行焊接的难题。《锆及锆合金管道焊接工法》工艺于2009年9月18日通过陕西省石油化工科技开发协会组织的专家鉴定。2011年3月25日《锆及锆合金管道焊接工法》通过了中国化工施工企业协会组织的专家鉴定，认为该工法具有推广应用前景，同时被评为2009~2010年度（部级）工法 。

施工单位采用《锆及锆合金管道焊接工法》时的工程质量控制要求：

一、控制措施

1、上岗焊工选择责任心强、心理稳定性好有三年以上奥氏体材料氩弧焊经验的焊工，进场焊接前须经过不少于3天使用脉冲焊机、锆材焊丝、锆管材的适应性训练达到要求后才能够正式进行焊接作业，焊口各项检验一次合格率100%。

2、施工安装现场建立临时锆材预制洁净车间，洁净室地面应进行处理。预制车间设原材料堆放、焊前准备、焊口组对、焊接、焊接半成品堆放等几个功能区域，防止相互干扰，影响人员操作技能发挥。

3、工作平台、组对卡具釆用奥氏体材料，敲击工具采用紫铜或橡胶锤减少铁离子的污染。

4、管道焊接时，检査员应检查每层焊道的表面颜色。焊道表面应为银白色，完工的焊缝表面允许有淡黄色或浅蓝色存在，但必须用不锈钢丝刷去除。如果出现更深的表面颜色变化，则应对受污染的焊缝及附近母材进行修复。

5、每个焊工每焊20个锆管焊口或10米焊缝长度时，检査人员有权指示焊工按焊接产品的相同工艺焊接一试管，经加工成两根弯曲试样，按工艺评定要求进行面弯和背弯试验。如果弯曲试验不能通过，表明该焊工焊接的产品质量不合格。

6、焊缝如果存在不允许的缺陷，必须进行返修。缺陷应采用机械方法或其他合适的方法去除，并经PT探伤检査，确认缺陷已全部消除后，方可补焊。焊缝返修的焊前清理、焊接工艺、焊接检验应按原要求进行。

7、为了检查控制锆焊缝可能的氧化程度，除了目视检查颜色变化外，还釆取对每一道口进行硬度测试，严格控制了焊缝的氧化。

8、焊接过程中对焊口质量形成过程不断总结，对焊接质量有怀疑时就停下来分析问题，改进焊接工艺和操作方法，排除产生缺陷的隐患，确保焊接质量。

二、质量控制标准

1、《ASME锅炉及压力容器规范》第Ⅱ、Ⅷ、Ⅸ卷2007版。

2、《工业金属管道工程施工规范》GB50235-2010_。

3、《现场设备、工艺管道焊接工程施工及验收规范》GB50236-1998。

4、鉴于锆及皓合金管道施工及验收规范在中国国内还不完善，中国化学工程第六建设有限公司和陕西化建工程有限责任公司参照ASTM标准体系，并结合该企业多年锆及锆合金、镍基合金中的哈氏合金管道施工的实践经验总结并编制了一套《特种材料管道施工及验收规定》Q/LJ010402.45-2009企业标准。在该公司承建的醋酸装置中，锆及皓合金管道的焊接施工同样应执行此标准 。

一、经济效益

1、施工单位采用该工法进行锆化工工艺管道焊接，不仅可以节约成本，同时可以提高效率，为企业承接类似工程提供了技术支持：与原来的氩气保护工装相比较，原来一瓶氩气焊几个达因的焊口，采用该工法减少了氩气的消耗，一瓶氩气可以焊更多个达因的焊口。外部保护拖罩内的保护网由刚性材料改为柔性材料更为耐用。一个保护网可以用于焊接更多个达因的焊口，既节约了成本，又提高了效率。

2、采用本技术进行锆化工工艺管道的现场焊接，可以确保焊接质量，保证装置的安全稳定运行。

3、由于解决了锆材室外焊接难题，减少了连接法兰的用量，降低了工程造价，为业主节约了成本。

二、社会效益

随着中国国民经济的快速发展，锆材在化工行业，特别是在醋酸装置中得到广泛应用。并且中国醋酸装置国产化程度不断提高，醋酸装置的规模不断扩大，及19世纪20世纪初中国国内进口醋酸装置的技改与维修，锆及锆合金管道焊接技术必将有推广应用前景，其经济效益与社会效益都有。同时，锆及锆合金管道焊接技术的开发与应用，为锆材在民用化工行业的广泛应用提供了技术支持 。

1、施工单位的上岗人员应严格执行公司安全、防火规章制度及本工种安全操作规程，还应执行有关用电、高压气瓶、化学药品等专用管理制度、规程。

2、焊接操作区应清除易燃易爆物品。

3、所有用电器具均应接地良好，其接线、维护应由专业人员进行。

4、焊接操作区应设挡板隔离，防止光辐射危害。

5、焊接操作区应有通风措施，钨极磨削宜采用湿式或封闭式砂轮机，防止粉尘污染。

6、焊接操作区应配备足够的消防器材，锆切屑、碎末在空气中有自燃性，应集中存放在储水容器中。

7、施工单位工作结束后，应切断电源，仔细检査，确认无起火危险后方可离开现场 。

一、工程实例

中国化学工程第六建设有限公司和陕西化建工程有限责任公司采用《锆及锆合金管道焊接工法》承建完成20多套醋酸装置，主要包括：

• 上海焦化厂2万吨醋酊装置；

• 山东兖矿联工发化工有限公司20万吨/年醋酸装置建筑及安装工程；

• 兖矿国泰20万吨/年醋酸改扩建工程；

• 榆林卓越能源公司15万吨/年醋酸项目工程；

• 云南云维股份有限公司20万吨/年醋酸装置工程；

• 河南驻马店顺达20万吨/年醋酸工程；

• 山东德州华鲁恒升20万吨/年醋酸 2万吨/年醋酎工程；

• 河北建滔集团40万吨/年醋酸工程；

• 安徽巢湖皖维集团5万吨/年醋醉工程；

• 河南驻马店36万吨/年醋酸技改项目；

• 南京塞拉尼斯60万吨/年醋酸工程主装置；

• 天津碱厂搬迁改造工程20万吨/年醋酸装置；

• 河南龙宇煤化工40万吨醋酸装置；

• 延长石油集团榆林20万吨醋酸项目。

二、延长石油项目

延长石油集团榆林20万吨/年醋酸项目有1053.4米锆材管道，焊接量9340达因，因为采用室外焊接，节约锆材法兰150余对（价值约150万元），采用《锆及锆合金管道焊接工法≧》进行锆材管道的焊接，降低人工及辅材费30%，实际工期比原计划工期缩短6个月，试压一次成功。受到业主及监理单位的好评，取得了经济效益和社会效益 。

注：施工费用以2009-2010年施工材料价格计算

1、洁净室的焊接作业区域内制作具有优良通风功能的焊接平台，最大限度地减少高纯氩在空间底层的聚集和高密度电孤作用下产生臭氧的浓度，避免焊工过多的吸入氩气和臭氧产生的头晕恶心等不良生理反应，保证作业人员的身体健康。

2、施工单位在作业现场配置吸氧装置，降低焊工吸入过多的氩气和臭氧对身体健康的影响。

3、施工单位加强对酸洗钝化液体的管理，严禁将废液倒入土质地面或水渠，应集中存放交有处理废液资质的单位处置。

4、施工单位应对于锆材的边角料和其他不产生严重化学污染的辅材废料，分类集中保管或作为工业垃圾集中处置 。

2011年9月30日，中华人民共和国住房和城乡建设部审定《2009-2010年度国家二级工法名单（升级版）》，以建质[2011]154号文件公布，《锆及锆合金管道焊接工法》被评定为中国国家二级工法 。2100433B

2017年9月29日，《锆及锆合金管材涡流检测方法》发布。

2018年4月1日，《锆及锆合金管材涡流检测方法》实施。

AB型化合物中一种氚贮存合金。其中氚贮存用金属铀的氚化物UH₃，最大缺点是U及UH₃在室温下与空气强烈反应燃烧，粉化为超细粉并带入氚工艺系统。锆钴氢化物ZrCoH_x在室温下平衡离解压低，不易燃烧、粉化，贮氚密度高，衰变氦-3释放百分比小等优点，是优异的氚贮存材料。用高纯锆粉、钴粉按比例混匀， 在无熔化极氩弧炉内熔炼，块材经均匀化处理、压碎(20～120目)成粉， 在化学床经400℃真空除气，在低于10Pa下充入1MPa高纯氢经3～4次氢化、去氢化循环，使吸氢饱和，ZrCo 完全活化。ZrCo合金吸氢量达205～ 224mol/g，金属铀仅为140mol/g。 ZrCoH₃吸氢量达1.83～1.97at.%， 吸氢后体积膨胀18%，在590至 670℃有较宽的平衡平台压力，反应焓 93.6kJ/molH₂。ZrCo粉升至60℃快冷至室温堆体颜色无明显变化。 ZrCOH₂粉接触空气5分钟后缓慢燃 烧，由室温升100℃后缓冷至室温未燃烧。