钛管焊接工艺

1.1 钛管的设计技术条件与标准

1.1.1 设计技术条件

1.1.1.1 管材及配件材质IN17850 3.7025,3．7035,3．7055．其化学成分如下表：

序号 材料号 牌号 化学成分

DINl7850 (级别) Ti C Fe N O H

1 3.7025 Ⅰ 余量 ≤0.08 ≤0.20 ≤0.05 0.03～0.12 ≤0.013

2 3.7035 Ⅱ 余量 ≤0.08 ≤0.25 ≤0.05 0.07～0.18 ≤0.013

3 3.7055 Ⅲ 余量 ≤0.10 ≤0.30 ≤0.05 0.15～0.25 ≤0.013

1.1.1.2 管材规格：φ508×4.5，φ408×14，φ26.9×l.5,φ21.3×2.6。

1.1.1.3 钛管工作条件；温度224℃，压力2.5MPa，介质醋酸，溴化物。

1.1.1.4 管道质量要求：焊接接头系数1，焊缝射线检验100%，水压试验压力3.75MPa，气密性试验压力0.625MPa

1.1.2 技术标准

1.1.2.1 管道工程钛材焊接规范LON1015E

1.1.2.2 钛管施工技术条件伍德公司标准

1.1.2.3 钛管施工及验收规范SHJ502-86

1.2 焊接特点

钛管焊接是利用惰性气体对焊接区进行有效保护的TiG焊接工艺（乌极惰性气体保护焊）。由于钛材具有特殊的物理化学特性，因而其焊接工艺与其它金属存在较大差异。焊接时必须保证：（1）焊接区金属在250℃以上不受活性气体N，0、H及有害杂质元素C，Fe，Mn等的污染。（2）不能形成粗晶组织。（3）不能产生较大的焊接残余应力和残余变形。所以，焊接过程须按合理的工艺，严格按工序质量管理标准，实行全过程的质量控制。使人、机、料、法各因素均处于良好的受控状态，从而在合理的工期内，保证钛管的焊接质量。

2 材料、设备及工具要求

2.1 钛管及配件；应具有制造厂的出厂合格证和质量证明书。经复验其规格、化学成分、力学性能及供货状态均应符合DIN17850标准的要求。

2.2 焊接材料

2.2.1 焊丝：焊丝牌号为ERTi-2。选择焊丝应符合：（1）焊丝的化学成分和力学性能应与母材相当；（2）若焊件要求有较高的塑性时，应采用纯度比母材高的焊丝。

2.2.2 焊丝在使用前要进行材质复验，检查出厂合格证和质量证明书；焊丝表面应清洁，无氧化色、无裂纹、起皮、斑疤和夹渣等

缺陷。焊丝的化学成分应符合AWS A5．16一70的有关规定。

2.2.3 氩气：工业一级纯氩，纯度不得低于99．98%，含水量小于50Mg/L氩气在使用前先检查瓶体上的出厂合格证，以验证氢气的纯度指标，然后检查瓶阀有无漏气或失灵现象。

2.2.4 钨极：选用φ2.0～φ3.0 mm铈钨极，其化学成分应符合如下要求：

成份%

牌号 W CeO Fe2O3+Al2O3 SiO2 Mo CuO Wce-20 余量 2.0 ≤0.02 ≤0.06 ≤0.01 ≤0.01

2.3 焊接设备

2.3.1 焊机：采用直流TiG焊机。焊机应保证优良的工作特性和调节特性，同时配备有完好的电流表和电压表。

2.3.2 焊炬:采用QS一75°/500型水冷式TiG焊焊炬。焊炬应具有结构简单，轻巧耐用，枪体严密，绝缘良好，气流稳定，夹钨捧牢固，适合于各种位置焊接的特点。

2.3.3 氩气输送管；采用半硬质塑料管，不宜用橡胶软管和其它吸湿材料。使用时应专用，不得与输送其它气体的管相互串用。氩气管不宜过长，以免压力降过大引起气流不稳,一般不超过30m。

2.3.4 焊接夹具：用奥氏体不锈钢或铜制管卡兰、锁紧螺栓等组对钛管及配件。应确保对钛管及配件有一定的夹紧力,以保证轴线一致，间隙均匀合适。

2.3.5 辅助设备及工具：氩气保护罩，磨光机，专用锉刀，不锈钢丝刷等。

3 焊接工艺

3.1 管道预制阶段

3.1.1 管道切割与坡口加工；管材切割与坡口加工应在专门的作业场所内采用机械加工方法进行。加工时要用非污染介质洁净水进行冷却，以防氧化。加工工具应专用，并保持清洁，以防铁质污染。加工好的管口应保证表面平整，无裂纹、重皮等缺陷。切口平面倾斜度偏差不超过管径的1%。

3.1.2 表面清理：用奥氏体不锈钢制的钢丝刷清除钛管所有焊接表面及坡口附近100mm内的锈皮、油漆、脏物、灰尘和能与钛材起反应的杂物。用砂轮修整加工面，清除飞边、毛刺、凸凹等缺陷。

3.1.3 组对：将钛管、配件对准、夹好，轴线不得偏移，间隙均匀一致，并应防止钛管在装配中被损伤和污染。避免强制组对。定位焊采用和正式焊接相同的焊接工艺。

3.1.4 脱脂处理：用赛璐珞海棉沾无硫乙醇或无硫丙酮对所有焊接表面和坡口附近50mm内全部做脱脂处理，处理后的表面应无任何残留物。

3.1.5 焊接：应在有关标准规定的条件下进行。

3.1.5.1 焊接工艺评定

在钛管正式施焊前，用φ252×14 TA2管进行焊接性试验，在此基础上进行φ36×4，φ252×14垂直固定及水平固定位置的四项焊接工艺评定。焊接工艺评定宜在焊接试验室进行。试验前拟定了与工程施工实际相同的焊接方案，评定原则、要求、方法均按ASME IX执行。评定合格的工艺参数如下：

a、坡口条件

管壁厚(mm) 坡口形式 坡口角度 对口间隙(mm) 钝边(mm) 清理范围(mm)≤2 V 50° 0～0.8 0～0.8 每侧50～100＜2 V 60° 0.5～2 1～1.5 每侧50～100

b电源种类和特性:直流正接

c焊接规范

壁厚mm ≤2 3～4 4～7 6～7 ＞7

焊接层数 1 1～2 2～3 3～4 4～5

钨极直径mm 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0

焊丝直径mm 2.0 3.0 3.0 3.0 3.0

焊枪直径mm 10～12 16～20 16～20 16～20 16～20

电压V 10～12 12～14 12～14 12～14 12～14

电流A 40～70 80～110 110～140 120～180 120～180

焊速cm/min 7.5～10 10～15 10～15 10～15 10～15

层间温度℃ ＜200 ＜200 ＜200 ＜200 ＜200

线能量KJ/cm 2.4～6.7 3.9～9.3 5.3～11.8 5.8～15.1 5.8～15.1

喷咀氩气l/min 8～12 12～15 15～20 15～20 15～20

保护罩氩气l/min 16～25 25～30 35～45 35～45 35～45

管内氩气l/min 6～10 8～15 10～20 10～20 10～20

氩气保护时间S 30～60 ＞60 ＞60 ＞60 ＞60

保护区氩气充装系数 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8

3.1.5.2 焊工资格

根据焊接工艺评定所提供的工艺参数，在专家的指导下组织焊工进行学习，并请有经验的焊工师傅作示范，对将参与焊接的焊工进行操作技能培训和考试。结果参加培训的五名焊工全部通过DIN8560规定的考试，并参加钛管的焊接工作。

3.1.5.3 焊材

焊丝为德方提供的ERTi-2，规格经工艺评定后确定为φ2.0、φ3.0。焊丝在使用前应按坡口的清理方法进行表面清理及脱脂处理，施焊时焊丝的端部应除去10～20mm长。

3.1.5.4 焊接环境

钛管施工需在预制厂房内进行，在现场焊接固定口时，应根据需要搭设防雨、防风棚，保证焊接环境符合工艺要求。若出现下列条件之一时，不准进行焊接。

3.1.5.5 层间清理与保护

对多层焊道，在下一层施焊前，首先检查表面氧化程度，如有异常情况，应立即进行表面处理或返修处理，处理时必须用专用的奥氏体不锈钢制钢丝刷和砂轮。

3.1.5.6 焊缝表面酸洗钝化处理

钛材焊接后，经表面色泽检查合格后须对焊缝和热影响区进行酸洗钝化处理。酸洗后必须立即用水彻底冲洗．以除去残留在焊件上的酸液。整个酸洗过程的温度应控制在40℃以下。酸洗钝化液按下列比例配方；

3.1.6 焊接检验

所有焊缝均应进行外观检查，X射线照相检查，着色检验和压力试验等项检验，均应合格。

3.2 管道安装阶段

经检验合格的预制管道接单线图及安装质量要求进行管道安装。安装时不能将铁质工具和支架与钛管直接接触，不能用强制方法固定钛管。安装时的现场固定焊口，焊接工艺同预制管道时的工艺．焊工应是全位置焊接培训考试合格的焊工。

4 焊接质量控制

4．1组对质量控制：组对时须将方向长度偏差、间距偏差、角度偏差、法兰相邻螺栓距离偏差、法兰面与管中心垂直偏差等，均应控制在规定的范围内。

4．2施焊质量控制：焊接重点控制焊工、焊材、焊接工艺和无损检测几个主要环节。主要采取如下措施；

4．2．1加强氩气对焊接区的保护

钛在250℃以上吸氢，400℃以上吸氧，600℃以上吸氮，这些元素的渗入将大大降低钛的力学性能。因此氩气对热态焊缝的保护是焊接接头质量优劣的关键因素。钛材管道的焊接保护都是通过管内通氩，管外用专门的保护罩来进行的。保护罩的形式一般有整罩结构、半罩结构和弯头罩结构。

a、整罩结构

为避免铁离子污染，所有保护用的结构材料采用铜材制作。结构由氩气导管、缓冲器、保护罩、密封口等组成。

氩气导管采用φ6mm铜管，进人混合室有一横管上钻有一排φ1～1.5mm小孔，孔方向前上壁，主要使氩气人口减少冲力，分布均匀，再通过二层20～40目的铜丝网进入保护区罩。保护罩的直径宜比钛管直径大40mm左右，长度一般在80～120mm，密封口长20mm左右，宜与钛管外径保持均匀的1～2mm的间隙。这样一方面避免氩气流失太多，另一方面又可保证保护区内微正压，可防止外部空气混入。喷嘴焊丝插入口在25～40mm左右。如太小则影响视线看不清焊缝，难以保证质量，太大则氩气流失严重，影响效益。

b、半罩结构

半罩结构的原理基本同全罩结构，在口径较大Dg150以上采用此种结构。

半罩的长度一般在230～250mm，宽90～100mm，高40mm，密封口长40mm。

对半罩以外部分，为减少氩气流失，增加保护效果，并且为固定半罩，适合全位置焊接需要，须制作一条弧形的，宽度30～50mm，中间带凹形的保护带，该带两端连接在保护罩上，一端固定，一端采用活扣连接。在实际施焊中可达到理想的保护效果，也解决了全位置焊接中一些技术难题。

c、弯头罩结构为达到氩气保护弯头焊缝的目的，必须增加一个弯头形状的附加罩。在固定焊时，弯头附加罩不动，直管保护罩与弯头附加罩活动配合，可绕弯头附加罩旋转，达到氩气保护的目的。

d、管内充氩保护，均采用分段充氩的方法。在焊口的两侧200～300mm的地方，作好密封装置，封好充氩。密封装置采用胶皮和不锈钢夹板封口。出气口采用φ4mm孔径，进气口采用φ8mm孔径，这样可保证将管内空气驱赶干净，达到氩气保护的目的，另一方面保证管内做正压，防止外部空气进入，有利于焊缝成形。但也不能使正压力过大，压力过大将使溶池金属喷出或产生背面内凹缺陷。进气侧应密封严密，防止进氩气时从缝隙处带人空气而导致氩气保护被破坏。对全位置焊接的焊口，充氩比较困难，因为焊口两端距离都较长，还有弯头件等。充氮仍采用分段充氮方法，在该道焊缝组对前，就将密封垫片（由不锈钢夹板与胶皮组成，充氩管为软胶管，并联一根有一定强度的不锈钢丝）放置在管道内距焊口200～300mm处。待焊缝组对焊接完成后，将密封垫片取出即可。

4．2．2加强焊工培训，提高全位置焊口质量

对于钛管的全位置焊口的焊接，是现场施工的一个重要突破口。由于操作受阻（要带动保护罩一起转动，还不能使用内填丝法）和视线不好，无法准确掌握熔池的形成、结晶情况，容易产生内凹及熔合不良的缺陷，因此焊工必须掌握要领，熟练操作，做到节奏均匀，快速填丝，控制熔池温度，才能保证焊接质量。上岗焊工必须培训考试合格，在此基础上选出素质好、体力充沛的焊工进行全位置管道焊缝的焊接。

4．2．3严格执行焊接工艺，提高焊缝一次合格率

由于钛材焊接的特殊要求和工艺特点，焊口多次受热会较大地降低材料的韧性，因此在焊接过程中要精心组织管理，严格执行工艺制度、可能地提高焊工的一次焊接合格率。尤其要消除过度氧化、裂纹、未溶合、未焊透、内凹、缩孔等缺陷。在整个焊接过程中要特别控制好层间温度、焊接线能量、焊材、焊接环境等工艺要素。由专人负责测量和记录工艺数据，专人负责保管和清理焊丝。

5 技术经济效果

5.1 技术效果：施工实践证明本工艺成熟、先进、设备简单、容易掌握，具有广泛的实用性。

5.2 质量效果；在整个PTA工程钛管施工中，严格执行焊接施工工艺，获得了较好的质量效果，所有焊接接头经下列项目检验，均达到满意的结果。

5.3 外观检查：按LON1015进行检查，所有焊接接头焊缝表面成型良好，与母材圆滑过渡，无表面气孔、裂纹、凹陷等缺陷。热影响区颜色多为银白色和金黄色，有少数焊口为紫色。结果优良率98%，合格率100%。

5.4 X射线照相检查：按DIN54Ⅲ规定进行检验，照片质量根据54-109规定，拍片的鉴定和分类按llW规定进行。结果：一次合格率98%，二次合格率100％。

5.5 着色检查：所有焊缝按AD-MerKbeattHPS/3规定作着色检查。结果100%合格。

5.6 压力试验：所有预制管道都在预制场内作水压缩试验和气密性试验，安装后作系统的水压试验和气密性试验。试验压力为：水压强度3.75MPa．气密性0.625MPa。试验结果100%合格。