钛设备的特点不同于碳素钢、不锈钢及其它金属设备， 其制造工艺也有别于以上金属设备。某厂使用的换热器结构为方形管板(引进技术，替代产品)，换热管的数量为468根，换热管和管板均为工业纯钛(TA2)，换热管的壁厚仅为0．8 mm。换热管与管板的焊接有较大的难度。在化工设备中，换热器的换热管壁厚一般在2 mm左右，管端相对于管板可以是伸出或缩进， 也可以与管板平齐， 而壁厚较小的换热管只能采用与管板平齐或管端伸出l mm-2 mm 的接头型式。
钛材因其良好的耐腐蚀性能在海洋工业中广泛应用。现有一台我公司为中国海洋石油公司制造的海水冷却器,设备参数如下:换热面积30m2,直径φ400mm。管程介质:海水;设计压力: 1. 3Mpa;设计温度35℃;主体材质:TA2。壳程介质:天然气;设计压力1. 0Mpa;设计温度175℃;主体材质:Q345R。其中管程筒节材质TA2,厚度为10mm;管板材质:TA2,厚度为: 45mm;换热管规格为:φ19×2,材质: TA2。换热管与管板连接采用强度焊。
1·钛材的焊接性能
钛是非常活泼的金属,高温下与碳、氢、氧、氮等有很强的亲和力,在焊缝中生成氢化钛、碳化钛、氧化钛、氮化钛等脆性化合物,使焊缝的塑性韧性下降。钛的导热系数小,熔点较高,焊接时容易出现热量集中,高温停留时间过长,会导致焊缝晶粒粗大,降低焊接接头的综合性能。因此,钛材的焊接必须有良好气体保护措施和合理的焊接参规范。
2·钛材换热器的焊接
该换热器的焊接均采用钨极气体保护焊。焊丝选择STA2Rφ2~3mm,焊丝符合JB/T4745-2002《钛制焊接容器》附录D要求。电源极性为直流正接。保护气体采用氩气,纯度不低于99. 9%。此设备的焊接包括TA2板间对接;TA2换热管与管板角接两部分。
2. 1钛板对接焊接工艺
(1)加工坡口。采用V型坡口,1+0. 50mm钝边,坡口角度30+2. 52. 5°。坡口采用机械方法加工,表面不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷。
(2)清洗。焊前用丙酮将焊丝及坡口两侧表面至少50mm范围内清洗干净,并在2h内焊接,否则重新清洗。
(3)施焊过程中严格实施尾部拖罩和背面拖罩保护。
(4)按表1焊接参数施焊,焊接过程中焊丝不摆动。
(5)每层焊接完毕后检查焊缝表面颜色,表面颜色不合格焊层应去除重新焊接。
保护罩的铜管及挡板上均匀钻孔,以使气体均匀流出。尾部拖罩加在焊枪后部,用于加强正面保护,背面拖罩置于焊缝背面并根据焊接速度移动。拖罩根据焊口形状尺寸而定。需保证高温区的钛板全部置于保护之中,保护气体要提前输入并在焊缝冷却至400℃以下时才能停气。
2. 2换热管与管板角接换热管与管板的焊接难点在于:
①换热管及管板四周无法有效的气体保护。
②换热管管壁薄不易散热产生热量集中。
我们在换热管中塞入铜柱,有效地解决了气体保护和散热的难题。铜柱中心钻φ3孔,端部加工斜面如图。焊接时,焊接换热管及四周换热管中均塞入铜柱,焊接换热管内的铜柱距换热管管端10mm左右距离,起保护气体回流作用,四周换热管内的铜柱与换热管端平齐,起散热作用。采用铜材质是因为其具有良好的导热性能。
管板管孔加工2×45°坡口,换热管外伸2mm,焊角高≥1.5mm。焊接前须将管孔内部及四周、换热管顶端50mm范围内用丙酮清洗干净。钨极距管板1~1. 5mm,钨极与管孔夹角15~20°,焊接速度1. 5~2r/min。换热管与管板焊接规范参数见表1。焊接时尽量选取较小线能量,即在保证焊缝成型良好的前提下,选用小的焊接电源和大的焊接速度,多层多道焊时应在前道焊缝冷却后再焊下一道,以避免金属过热和晶粒粗大现象。
3·焊后检查
焊后首先需对焊缝外观宏观检验,如焊缝成形良好,表面呈银白色则表明焊缝具有良好性能。如果焊缝呈黄色、蓝色表明焊缝被氧化塑性稍有下降,但可以使用。如果焊缝呈青紫色、甚至暗灰色则表明焊缝氧化严重,塑性下降易有夹渣、裂纹、气孔等缺陷。焊缝出现此种颜色需重新进行焊接。宏观检验后对板间对接焊缝按图纸要求进行射线探伤,符合JB/T4730. 2-2005《承压设备无损检测》Ⅱ级合格,管板角焊缝进行着色探伤,符合JB/T4730. 5-2005《承压设备无损检测》Ⅰ级合格。探伤合格后对设备进行酸洗,酸洗液采用HF3% +HNO3水溶液,酸洗温度控制在40℃以下以防钛被氢化。
采用上述焊接工艺和工装，焊接试板、焊接接头表面光滑，焊缝均匀。剖开焊缝检查，焊缝根部熔合良好，焊缝尺寸满足要求。上述工艺用于产品焊接，取得了满意结果，经密封性检查和表面l00％渗透检查，一次合格。安装后产品运行状况一直良好，未发生管端焊缝泄漏现象。实践使我们体会到：脉冲TIG焊接方法可精确地控制焊接热输入和熔池尺寸，是焊接钛制薄壁换热管与管板接头的较佳焊接工艺。
