钛换热器焊接施工工法

钛换热器焊接施工工法适用范围

《钛换热器焊接施工工法》适用于民用工业用钛换热器焊接施工工程。

钛换热器焊接施工工法工艺原理

《钛换热器焊接施工工法》的工艺原理叙述如下：

一、钛焊缝和热影响区的400℃以上的区域极易被空气、水分、油脂、氧化物等污染，该区域从焊件表面吸收含氢、氧、氮、碳等杂质后，机械性能会大大降低或造成焊缝金属中产生气孔，甚至造成焊接接头开裂或失效。400℃以上的区域必须用氩气保护。

二、钛的熔点高，热容量大，导热系数小，导热差，焊接后，焊缝和热影响区尤其是过热区的晶粒容易长大，粗大的晶粒使焊接接头的塑性明显下降。因此，要保证钛焊接后焊接热影响区获得良好的塑性，必须选择合适的线能量进行焊接。

三、钛管道和焊丝表面常常受到外部杂质如油脂、水分、含结晶水的表面氧化物、含碳物质、尘埃、砂粒、有机纤维、脏指印及吸附气体的污染；用角向磨光机加工坡口或用砂纸擦磨坡口后，磨料的质点（主要成分为SiC）也会造成污染。这些物质在焊接条件下，因高温受热发生分解，形成游离的氢、氧、碳，并大量溶解在熔池中或与热影响区的钛作用形成钛的化合物如TiH₂、TiC等，造成焊接接头机械性能大大降低；部分氧化物的结晶水还会和钛发生化学反应造成气孔；在接头冷却过程中，大量溶解在熔池中的氢、氧、碳大量析出形成气体造成焊接接头产生气孔，因此，焊接前，对钛和焊丝表面层清理效果的对保证焊接质量至关重要。

1.预制管道和加工坡口时，通过改变加工和表面处理方法清除焊丝表面、坡口表面及其边缘的有机物污染；控制加工和表面处理时工件温度，可防止管道和坡口污染而影响管道的性能或导致焊缝产生气孔；

2.焊接过程中，通过对保护气体纯度；焊丝、焊接坡口表面处理；焊接区域和热影响区400℃以上区域实施氩气保护，防止管道因焊接加热引起的强度、韧性下降、开裂、通过对焊工、焊接设备、焊接材料、焊接工艺参数、焊接环境的控制，防止焊接缺陷的产生，保证焊接接头的性能。

3.钛管焊接时，保护区分三部分熔池、背面焊缝、后部焊缝以及影响区（温度400℃以上区域）前两部分的气体保护工艺比较成熟，而后部焊缝及热影响区则需制作保护罩通氩气进行特别保护，才能保证焊缝及热影响区性能和组织满足设计和使用要求。400℃以上区域范围为80毫米×60毫米，保护罩的大小就由此确定，即后部长度80毫米、宽度60毫米。

4.钛的弹性模量仅为铁素体钢的一半，在同样的焊接应力下，钛的焊接变形量也会比铁素体大1倍，因而焊接钛时应设法固定焊件，减少焊接变形量。

5.保护罩的主体用δ=0.5毫米的紫铜皮或奥氏体不锈钢制作。制作程序如下：紫铜皮上放样→下料剪切→卷边→点焊固定→焊接密封→铜网填充固定→通气导管固定→试验。

钛换热器焊接施工工法施工工艺

• 工艺流程

《钛换热器焊接施工工法》的施工工艺流程见图1。

• 操作要点

《钛换热器焊接施工工法》的操作要点如下：

一、绘制排版图（图2）。

用等离子切割机下料，用刨、铣、磨等机加工方法加工坡口，并严格控制尺寸。

二、壳体板卷制、组对、焊接壳体板卷制前，卷板机滚筒表面应清理干净，以免损伤钛材表面。壳体板卷制、组对、焊接后各项允许偏差如表1。

三、加热体组装、穿管、管板焊接

1.将折流板孔边毛刺清理干净。

2.将加热体壳体水平放置于V形枕木上从一端依次进行管板、折流板、管束的组装。用4根两端丝牙长100毫米、长度为4200毫米，规格为M30的拉杆固定上、下管板及折流板，按照一定的顺序进行穿管作业，待管板两端管束尺寸精度满足焊接要求时，用管板焊机进行施焊作业。

四、主要焊接施工工艺及措施

采用钨极氩弧焊，并根据焊缝具体位置和形状制作专用拖护罩用氩气对焊接区域及热影响区250℃以上区域进行保护。

1.焊接前准备工作

为了保证焊接质量，在焊接前，一定要把接头坡口和焊丝、切条表面清理干净，以除掉油污、氧化层及吸气层。具体程序为：机械清理一酸洗一水洗干燥一除油。

机械清理：用角向磨光机打磨坡口表面，露出金属光泽后，用刮刀和锉刀将已打磨好的坡口表面的氧化物、杂质等清除干净，刮削深度0.025毫米，用砂布将焊丝和坡口边缘40~60毫米范围内的氧化物清除干净后，用丙酮清洗已处理好的表面，防止酸洗后产生新的残留物。

酸洗：用丙酮清洗后，将焊丝和管子坡口浸入2%~4%HF 30%~40%HNO₃ H₂O酸洗液中2~3分钟，搅动酸洗液或活动管子、焊丝，待管子和焊丝出现金属本色时酸洗。

水洗、干燥：酸洗后的管子和焊丝马上用水冲洗，除掉其表面残留的酸液和残留物，然后用清洁的白布揩擦干净；自然干燥后立即进行焊接，不能立即进行焊接的管口和焊丝，用白布将已处理好的表面包好，以防弄脏。

除油：在组对焊接前，用丙酮再次清洗已经经过酸洗、水洗和干燥的接头坡口和焊丝表面。防止焊接气孔的产生。

2.拖护罩和背面保护装置制造

1）焊缝正面后端的保护：对已脱离喷嘴保护区，但仍在250℃以上的焊缝和热影响区表面采用氩气气流的拖护罩进行保护，拖护罩结构及尺寸如图3。

2）焊缝背面的保护：平板对接焊采用背面通氩气的气流管实施保护，保护焊缝背面不受有害气体的侵害。保护装置如图4。

3）管板焊接时，管板和管束表面应清理干净，不得留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、油污等，采用弧形拖罩，拖罩结构图5。

3.工装制造

1）组装、穿管工装：为保证加热体组装的精度及加热体两端管板中心线同心度的定位精度，确保293根ф30×2钛管穿管工序的顺利进行，在管板与筒体组装的施工过程中需设计制作专用的定位用双头螺杆，在管板中心及外围设置4根定位用螺杆。

2）穿管台架：为保证加热体筒体的水平度及穿管筒体位置精度要求，需制作专用台架，将加热筒体固定于台架上进行穿管工作。

3）吊具：为确保钛制压力容器在制作加工厂吊装工作的需要，防止吊具在另部件的组装、焊接的过程中划伤钛金属表面，专门定购6根型号为FA01的合成纤维吊装带用于容器的制作吊装工作。

4）为便于钛制换热器制造检验合格，由制造加工厂运输到安装现场，需制作成品运输专用固定支架，确保容器运输的安全，对成品实施有效的保护。

4.点固焊

1）壳体板δ5毫米拼接时需点固焊，焊点间距为100~150毫米，长度约10~15毫米，点焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体与正式焊接相同。

2）焊丝牌号与母材相同，表面不得有氧化层，若有需用细沙打磨，焊丝可放在温度为150~200℃的烘箱内保存，随用随取，取焊丝应戴洁净的手套，施焊前应切除端部已被氧化的部分。

3）氩气为一级氩气，即纯度为99.999%露点在-40℃以下，杂质总含量小于0.02%，相对湿度小于5%，水分小于0.001毫克/升。

4）管板焊接机专用ф0.8毫米规格的钛焊丝需委托管板焊接机厂家绕制成重量为1.0千克左右的焊丝盘供管板焊机使用。

5.焊接

1）采用手工钨极氩弧焊，电极采用铈钨棒。

2）选用与母材成分相同的焊丝，焊丝规格ф2.5毫米。

选用高纯度的氩气，氩气纯度不小于99.99%。

3）氩气保护范围：确保焊接溶池、焊丝及母材上温度超过400℃的热影响区的正反面与空气隔绝。

焊枪喷嘴直径选用ф16~20毫米

保护罩保证覆盖焊缝后部长度140毫米、宽度60毫米区域，保护罩形式一固定式，半开式、移动式保护罩。为了避免铁磁物质存在造成电弧的磁偏吹，采用厚度为1~2毫米的奥氏体不锈钢或紫铜制作保护罩外壳，保护罩内加4~5层120目的铜丝网，保证保护气体通气均匀。大直径采用半开式拖罩保护，保护方法是在TIG焊矩上附加一个弧形拖罩，宽40~60毫米、高60~70毫米、长120~140毫米。

4）焊工按照《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》GB 50236要求考试合格。

5）使用带高频引弧装置、电流衰减装置和延时气体保护装置的焊机，如ZX7-300ST等，直流正接。

6）焊接规范：见按照公司焊接工艺评定报告编制的焊接工艺指导书或参考表2。

6.管板焊接顺序：按图6将管板中的管孔分为8区域，每个区域又以三个管孔为一个焊接单元，依次向管板外侧进行，直至区域全部焊完第一遍，具体顺序为1-5、3-7、2-6、4-8。接着，再重新从第一区域将错开的单元按上顺序依次焊完，完成整个焊接工作，换热管与管板端头的焊接采用管板焊接机（型号Digital305-GB80）进行。

7.钛焊缝表面的形状尺寸及外观要求：

1）焊缝和热影响区表面用10倍放大镜进行100%检查，不应有裂纹、未溶合、气孔、弧坑、夹杂等缺陷。

2）钛压力容器焊缝表面不应有咬边。

3）钛焊缝和热影响区表面颜色的规定见表3。

参考资料：

《钛换热器焊接施工工法》所用的材料及设备见表4。

参考资料：

《钛换热器焊接施工工法》的工法特点是：

1.防止空气污染焊接接头的方法简单有效；施工工期短，效率高，焊接接头合格率高。

2.采用钨极氩弧焊焊接，根据不同的接头形式制作不同形式的热影响区保护罩，制作成本低，焊工操作方便，保护效果好。

3.用普通的焊接设备通过严格的焊接工艺参数控制，保证了焊接接头的性能，经济适用。

4.利用传统的机加工方法进行坡口加工，施焊前用化学方法对焊接坡口和焊丝表面进行处理，可有效防止焊缝产生气孔。该方法简单、适用、可行，实施效果好，处理成本低，是该工法的创新点。

钛是一种化学性质比较活泼的金属，有良好的耐腐蚀性和较高的强度、重量比，在航空、造船、化学、制盐工业、轻工等工业领域得到了广泛的应用，民用工业用钛中约有3/4用于容器。

由十四冶建设集团云南安装工程有限公司压力容器厂承担制造的云铜电解九、十跨七台钛换热器和云南省第二安装工程公司承接的思茅纸厂厂区工程钛换热器，采用手工钨极氩弧焊焊接，主要施工难点：

1.施工现场安装时，由于焊接接头形式和位置各异，焊缝和热影响区的400℃的保护比较困难，焊接时如何防止焊缝和热影响区的400℃以上的区域受污染是钛管道焊接的难题。

2.有的焊缝由于产生了气孔而返修时，用传统的方法即清除焊接缺陷用角向磨光机打磨焊缝后，酸洗一水洗一干燥一再用丙酮清洗，然后进行返修，结果在返修区域会产生密集的蜂窝状的气孔，其数量和尺寸远远超过返修前，如何防止焊缝产生气孔是钛管道焊接的难题之一。

3.钛焊接后，焊接接头的塑性明显下降。如何保证焊接接头的性能钛管道焊接的难题之一针对上述难点和特点，两家公司联合成立了钛焊接专项技术攻关小组，通过到上海等地调研学习和自主试验，进行了钛管焊接专项技术攻关，解决了上述难题，完成了TA2焊接工艺评定试验和焊工培训考试，在安装工程中不断改进完善，形成了一套行之有效、具有一定技术含量的钛材焊接施工工艺，编制了《钛换热器焊接施工工法》，成功地解决了钛换热器焊接问题，制造的钛换热器质量达到优良，并一次性通过云南省特种设备检测中心的监检。

《钛换热器焊接施工工法》的质量控制要求如下：

一、按照公司建立的符合GB 19001、GB/T 14001、GB/T 28001标准要求的质量、环境、职业健康安全管理体系要求进行质量控制。

二、制造符合下列标准

《钛制焊接容器》JB/T4745-2002；

《管壳式换热器》GB151-1999；

《压力容器无损检测》JB 4730-94；

《钛制设备设计技术规定》CD 130A8-87。

三、质量控制措施

1.钛制容器的制造加工应在防尘、防风、防潮、防混合气体，清洁、宽敞、平整及道路通畅的封闭环境中进行并与钢结构作业区隔离，防止铁的污染。

2.场地施工环境改造，制造钛容器的场地应铺设橡胶或其他软质材料，以免碰伤、擦伤钛金属表面；钛制零部件不应与钢件等混放，应经常清理现场，清除切屑等杂物。为保证施工环境的要求在厂房内改造一块场地用于钛容器的组装和焊接，将钛材焊接区域与钢结构制作区分离开确保施焊的环境在无尘、无烟、防风的条件下进行。

3.检验焊接接头的力学性能和弯曲性能，制作纵焊缝产品焊接试板，制取试样，进行拉力、冷弯和必要的冲击试验。

四、主要质量控制点

1.材料检查验收。

2.坡口加工、组对检验。

3.焊前对母材、焊丝的清理。

4.焊接过程中对焊缝、热影响区的保护。

5.焊缝外观检验和色泽检查。

6.焊缝射线探伤。

7.试压及清洗用水（洁净水）。

1.《钛换热器焊接施工工法》在整个过程中因施工工序的连续性，工艺的成熟能有效的利用材料，降低成本，最大限度地消除对周围环境的影响，做到了质量有保障、环境无影响、职业健康安全有保证，为2009年后类似工程项目提供了可靠的依据及技术指标，取得更好的社会效益和环境效益。

2.《钛换热器焊接施工工法》对钛制设备的制造及钛材焊接等方面具有较强的指导意义，有利于先进施工工艺的推广和应用，提高企业的竞争力。

采用《钛换热器焊接施工工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

1.焊工穿白色帆布工作服、翻毛皮鞋、配焊工手套和头戴式面罩。配合焊工的工作人员配墨镜、工作靴和工作服。

2.酸洗、色泽检验人员戴橡胶手套进行操作。

3.安全用电、防火、防爆、防高空坠落、防弧光伤害措施和普通焊接相同。

《钛换热器焊接施工工法》的应用实例如下：

1.云铜电解九、十跨、云铜广东清远电解100M2列管式钛换热器制作工程

云铜电解九、十跨100M2列管式钛换热器制作工程，共计制造7台。换热器用于饱和水蒸气和电解液介质间的能量转换，换热器高度4814毫米，壳体直径ф800，管板直径ф975，壳体厚度5毫米，管板厚度26毫米，换热器内部安装有293根ф30×2毫米的钛管，除折流板为1Cr18Ni9Ti外其余材料均用TA2工业纯钛制造。

2.思茅纸厂厂区工程2万/年烧碱的氯碱车间和年产6万吨纸浆纸的制车间的二氧化氯工段的氯气、二氧化氯气体TA2管道，拍片381张，一次合格率97.5%。

3.云南盐化股份有限公司10万吨/年烧碱装置干氯气、湿氯气等剧毒介质TA2管道，拍片3316张，一次合格率98.1%。

4.云南南磷集团10万吨/年烧碱装置安装过程中，安装了23种规格为ф20×2~ф159×4.5的工业纯钛（TA1、TA2）管道，45天完成全部安装，比同类工程同数量管道安装缩短工期15天，拍片10417张，一次合格率98.5%。

《钛换热器焊接施工工法》的环保措施如下：

1.施工现场材料、机具、半成品及成品应按规定位置堆放整齐，场地整洁，有序。

2.严格遵照国家或行业的各工种劳动保护条例规定实施环境保护。

3.保持车间整洁干净，成品、半成品、零件、余料等材料要分别堆放，并有标识。

4.废料要及时清理，并在指定地点堆放，保证施工现场的清洁和施工道路的畅通。

5.进行射线检测时，应在检测区域内划定隔离防范警戒线，并远距离控制操作。

6.严格控制噪声在95分贝以下，对于某些机械的噪声无法消除时，应采取相应的个人防护措施。

2011年9月，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2009-2010年度国家级工法的通知》建质[2011]154号，《钛换热器焊接施工工法》被评定为2009-2010年度国家二级工法。

钛换热器因金属离子不易流失、所以可充分利用这种非磁性特点，用做制药及食品等用途的换热器。由于钛的抗腐蚀能力强、所以器换热器的使用寿命长、并且在使用中维护费用也少。此外、因其具有体积小、换热能力大等优点、相关设备（如泵）的投资及运行费用也能相应减少 。|

在实际运用中，换热器的换热效果与换热器的物料及工艺特性有很大的关系。 物料在浓缩过程中，溶质或杂质常在加热表面沉积、析出结晶而形成垢层，影响传热；有些溶质是热敏性的，在高温下停留时间过长易变质；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。

钛换热器物理性质

钛换热器选用优质钛管制成。在物理性质上，钛管具有质量轻，机械性能优越等多种优点。钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm²。有些钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）却超过优质钢。此外，钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性 。

钛换热器化学性质

在化学性质上，钛表现出较好的稳定性，在多种工业溶液中都具有良好的耐腐蚀性。工业纯钛是优良的制冷设备配件材料。

工业纯钛可广泛使用于有机化合物、碱溶液、以及盐溶液等介质中，且不易与之发生反应，耐腐蚀性优良；纯钛在常温下对低浓度的盐酸、硫酸、硝酸等无机酸具有良好的耐腐蚀性；但随着介质浓度以及工作温度的增加，工业纯钛易与上述无机酸发生化学反应，使得钛的耐腐蚀性降低，因此，在换热过程中应当注意介质的浓度与工作温度。

工业纯钛在常温下对蚁酸、草酸、乳酸等有机酸具有良好的耐腐蚀性。