特种材料焊接施工方案.docx
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特种材料焊接施工方案
1编制说明
1.1适用范围
1.2编制依据
2工程概况
2.1概述
2.2材料焊接特点
2.3镇江10万吨/醋酸工程特种材料焊接技术开发及应用简介
2.4施工特点
3焊接施工方法及焊接材料选择
4焊接工艺评定和焊工考试
4.1焊接工艺评定
4.2焊工考试
5焊前准备
5.1材料、场地、机具准备
5.2管材切割和坡口加工
5.3焊前清理
5.4组对和定位焊
6焊接工艺
6.1一般要求
6.2锆702焊接要求
6.3哈氏合金焊接要求
7焊接技术措施
8焊接检验及返修
9施工质量保证措施
9.1施工程序要求
9.2暖棚结构图
9.3材料堆放、运输及吊装要求
10安全技术措施
11主要工机具计划一览表
1编制说明
1.1适用范围
本方案适用于江苏索普（集团）有限公司15万吨/年醋酸主装置醋酸车间工艺管道工程项目的锆及哈氏合金等特种材料的管道焊接施工。
1.2编制依据
1.2.1ASME第Ⅸ卷
1.2.2GBJ50235-97《工业管道工程施工及验收规范》
1.2.3GBJ50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》
1.2.4设计指定规范
1.2.5江苏索普（集团）有限公司15万吨/年醋酸工程招标文件
1.2.6中国化学工程第六建设公司索普15万吨/年醋酸工程投标《施工组织设计》。
2工程概况
2.1概述
醋酸装置由一氧化碳车间及醋酸车间组成。
我公司这次投标的为醋酸车间合成（210A）、分离（210B）、回收（210C）、中间管廊（210D）、密封液（210E）和中间贮槽区（210F）等工段组成。
由于醋酸工艺的特点，其物料腐蚀性很强，设备、管道、伐门及仪表等需采用价格昂贵的特种合金材料。
醋酸工程由于特殊性及介质腐蚀性，采用稀贵金属锆材和特殊镍基合金材料制作设备和管道，工程大量使用锆702，哈氏B-3，哈氏C-276材料。
锆702及哈氏合金的主要化学成份及机械性能见下表。
锆702材料主要化学成份及机械性能
材料
名称
ASTM分类代号
化学成份%
机械性能
Zr+Hf
Hf
Sn
H
N
C
Nb
O
σs
MPa
σb
MPa
δ5%
Zr702
R60702
≥
99.2
≤
4.5
≤
0.2
≤0.005
≤0.025
≤0.05
0.05
≤0.16
207
379
16
几种哈氏合金材料主要化学成份及机械性能
材料
名称
ASTM分类
代号
化学成份%
机械性能
Ni
Mo
Fe
Cr
C
Si
Co
Mn
P
S
σs
MPa
σb
MPa
δ5%
Hastelloy
B-2
N10665
余量
26.0
-30.0
≤2
≤1.0
≤0.02
≤0.10
≤1.0
≤1.0
≤0.04
≤0.03
352
758
40
Hastelloy
C-276
N10276
余量
15.0
-17.0
4.0
-7.0
14.5
-16.5
≤0.02
≤0.8
≤2.5
≤1.0
≤0.04
≤0.03
W3.0-4.5
V≤0.35
283
690
40
以上数据来源，ASME1989第4卷，管材部分。
2.2材料焊接特点
A、锆材
锆及锆合金具有优异的核性能，良好的抗高温水和蒸汽腐蚀性能，广泛的应用于核动力工程，锆及锆合金在许多有机酸、无机酸、强碱和熔融盐中具有优异的耐蚀性和导热性，是优异的化工耐蚀结构材料，纯锆熔点达1852℃，焊接需要采用大能量热源，但在高温下化学活性很大，极易与空气中的氧、氢、氮发生反应，使其机械性能与耐蚀性能急剧降低，当被加热到焊接温度时，很容易溶解其表面的氧化物，还与大多数元素——包括陶瓷发生反应。
锆和锆合金在200℃开始吸收氧，300℃开始吸收氢，400℃开始吸收氮，对焊接条件的变化极为敏感，焊接技术的关键是焊前金属表面的清理和焊接高温条件下的隋性气体保护。
国内核工业系统在核反应堆燃料芯棒护套等小范围锆材料焊接中，多采用真空电子束焊或隋性气体保护小室内焊接工艺，现场条件下大规模化工管道焊接很难实现。
B、哈氏合金
醋酸工程中，常用的三种Hastelloy材料，根据不同的介质、温度、压力与设计工况选用，其中HastelloyB-3合金属镍-钼系新型耐蚀合金，加工性、导热性、液态金属流动性都较差，在
500-900℃区间有敏化倾向，焊接特点主要是热输入控制；haztelloyC-276合金均属镍-铬-钼系新型耐蚀合金，有热裂纹和晶间腐蚀倾向，焊接特点也主要是热输入控制。
2.3特种材料焊接技术开发及应用简介
中化六公司1995年承建10万吨/年醋酸工程后，立即成立了以公司副总工程师挂帅的特材焊接技术攻关小组，开展了国内外文献资料收集，走访国内科研院所，知名大学，去上海当时唯一一套引进装置考察，并二次赴国外考察。
了解到国外锆材化工管道焊接，大部分在工厂内采用高技术机械焊，装备要求极高，少量现场焊口，采用常规手工钨极氩弧焊，技术绝对保密。
国内核工业系统有少量应用，现场管道焊接，无先例可鉴。
按外国的办法我们没有装备，请外国人来焊，花费巨大，国内又基本没有成功经验可供借鉴，我们根据材料供应商提供的技术通报等有限资料，立足现有装备和施工经验，经过近百次的试验研究，历时两年，创出了一套适合中国国情，投资少，适用范围广的锆材化工工艺管道焊接施工新技术，经镇江工程应用，焊接1/4〃-18〃管道焊口1200余道，经检测，质量完全符合ASME等相关规范的要求，焊缝表面均为银白色，检测数据反映，焊接质量优良，经原化工部科技司组织的专家鉴定认定：
“成果技术先进，在氩气保护工装设计上尤具特色，采用了多项技术措施，设备简单，构思新颖，技术可靠，成果处于国内领先地位，接近国际先进水平”。
在镇江工程中还焊接三种Hastelloy1/4〃-20〃管道焊口600余道，经验测，质量优良，锆材和Hastelloy特材管道焊接一次合格率达到98%以上。
镇江索普集团提供的应用证明反映该成果的成功应用，比照国内同类引进装置，节约专利使用费、人工费达420万美元。
该工程焊接技术先后获得过多项部级和国家级奖，奖励和荣誉项目清单见下表。
序号
证书编号
奖项名称
颁发单位
颁发年月
1
97Ⅱ-2-017-1
Zr702化工工艺管道焊接技术科技进步二等奖
化学工业部
97.12
2
第319847号
一种锆及锆及合金管道焊接保护工装实用新型专利证书
国家知识产权局
99
3
YJGF59-98
锆及锆合金管道焊接工法国家级工法
建设部
2000
4
HGGF-01-97-98
锆及锆合金管道焊接工法部级工法
化学工业部
99
5
XHGF9904
锆及锆合金管道焊接工法总公司级工法
中国化学工程总公司
99
6
CCIA2000-19
Zr702化工工艺管道焊接技术推荐为建筑工程新技术新产品
中国建筑业协会
2001
7
江苏索普集团有限公司年产10万吨/年醋酸工程获全国用户满意工程
中国施工企业管理协会
2001
8
镇江化工厂10万吨/年醋酸生产主装置工程第六批中国企业新纪录
中国企业联合会中国企业家协会
2001
9
Zr702化工工艺管道焊接技术一九九九年中国安装之星
中国安装协会
2000
10
镇江化工厂10万吨/年醋酸主装置焊接工程评为全国优秀焊接工程
中国工程建设焊接协会
98
11
江苏索普集团有限公司年产10万吨醋酸工程获一九九九年度化学工业优质工程
化学工业部
99
12
江苏索普集团公司“921”工程醋酸装置竣工质量优良
江苏省化工建设工程质量监督站
98
13
攻克锆材管道施工难关QC小组成果获中国化工施工1997年度优秀QC小组成果一等奖
国家石油和化学工业局
98
14
锆材焊接攻关QC小组被命名为一九九八年全国化工优秀质量管理小组（三等）
国家石油和化学工业局
98
15
锆材焊接攻关QC小组被命名为一九九八年全国工程建设优秀质量管理小组
国家工程建设质量奖审定委员会
98
ZR702化工工艺管道焊接技术及镇化10万吨/年醋酸工程获奖项目一览表
2.4施工特点及难点
锆702属非合金级锆，是优异的化工耐蚀结构材料。
锆材的化学性质活泼，当被加热到焊接温度时，极易与空气中的氧、氢、氮和材料表面的氧化物发生反应，形成脆化物，造成材料机械性能和耐蚀性能急剧恶化，对焊接条件变化极为敏感，焊接要点是：
焊前材料和焊丝表面清理和焊接过程中高纯惰性气体配合特殊工装的防护；哈氏B-2合金，属镍-钼系新型耐蚀合金，加工性、导热性，液态金属流动性都较差，在500-900℃区间有敏化倾向，焊接要点主要是管内惰性气体保护和热裂倾向控制；哈氏B-3、哈氏C-276合金均属镍-铬-钼系统新型耐蚀合金，加工焊接与奥氏体不锈钢基本相似，只是要求更高，有热裂纹和晶间腐蚀倾向，焊接要点主要是严格控制热输入。
锆材属稀贵金属，价格十分昂贵，几种哈氏合金，均系国外进口，价格不菲，要求参预施工人员认真熟悉施工组织设计和施工图纸，严格按照本方案慎重下料，避免浪费，参照本公司现有国家级工法《锆及锆合金管道焊接工法》及镇化10万吨/年醋酸工程哈氏合金焊接技术成果，精心组织，再创辉煌。
3焊接施工方法及焊接材料选择
考虑到醋酸工程特种材料焊接的特殊性，参照镇化醋酸工程特种材料焊接施工经验，本次施工全部采用加工场管段预制焊接，然后运到现场螺栓连接安装，现场不发生焊接。
焊接方法和焊接材料选择
管道材料
焊接方法
焊接材料
备注
Zr702
GTAW
ERZr-2
氩气纯度不低于99.999%
HastelloyH-3
GTAW
ERNiCrMo-10
氩气纯度不低于99.99%
HastelloyC-276
GTAW或
GTAW+SMAW
ERNiCrMo-9
ENiCrMo-9
氩气纯度不低于99.99%
4焊接工艺评定和焊工考试
4.1焊接工艺评定
采用我公司已评定合格的焊接工艺评定，详见下表：
管道材料
WPS编号
PQR编号
备注
Zr702
921T-1
921T-2
961118
961120
HastelloyB2
921T-3
921T-4
961123
961124
HastelloyG-3
HastelloyC-276
921T-5921T-6
961125
961126
现场焊接作业工艺指导书，详见附件1--6，当工艺评定不能满足现场施工要求时，应按管辖规范，重新评定。
4.2焊工考试
原有3名焊工，曾按照ASME第Ⅸ卷要求进行过技能评定（焊工考试），因国外规范无时限要求，原焊工考试合格证有效。
如设计部门、监理部门有要求或新增焊工，还应进行焊接操作项目，重新进行焊工考试。
考虑到焊工有一段时间未进行过上述焊接操作，正式焊接施工前，还应进行适应性培训，焊前测试，以保证焊接施工质量。
5焊前准备
5.1材料、场地、机具准备
5.1.1焊接施工所涉及的管材、管件、焊材等应符合ASTM《美国材料协会标准》、AWS《美国焊接协会标准》等专用标准要求，施工前应按设计要求，认真核对其材质、规格、型号。
5.1.2焊接场所应安排在室内，避免雨、雪、风、霜的干扰，室内保持干燥、清洁，无灰尘，无黑色金属的切割，打磨和焊接施工，并有保温、加温措施，环境温度不得低于5℃，相对湿度不得大于90%，否则应采取有效措施，方可施工。
5.1.3焊接设备应能满足使用要求，手工钨极氩弧焊机应具备高频或脉冲引弧，熄弧电流衰减，提前送气和延时断气程序功能等。
5.2管材切割和坡口加工
5.2.1管材下料前，应认真熟悉管道单线图，仔细核对材质、规格、尺寸，做好标记移植。
划线应采用记号笔，禁止打钢印，经质检员、技术员复核后方可切割。
5.2.2锆702管材只允许采用机械方法切割；哈氏合金管材允许采用等离子弧切割，但应对切口附近内外表面采取防污染措施，切割后应采用机械方法除去污染层。
5.2.3加工坡口所用工具应为专用，并保持清洁。
5.2.4机械加工后，坡口表面还应使用锉刀、刮刀、不锈钢丝刷等工具进一步加工，使坡口表面平整光洁，无毛刺、凹坑、砂粒等缺陷。
5.3焊前清理
5.3.1坡口两侧各25mm范围内、外表面，采用锉刀、刮刀或不锈钢丝刷除去氧化膜。
5.3.2坡口两侧各75mm范围内、外表面，采用合适的溶剂（酒精、丙酮）除去油脂、水份、灰尘等杂物，施用溶剂应采用干净的海绵或白绸布，不得使用毛巾、棉纱。
5.3.3清理好的焊件应立即进行焊接或采取防尘措施，放置时间不得超过8h。
对锆702焊件，临焊前，应使用溶剂对坡口再清洗一遍。
5.3.4填充焊丝使用前必须用溶剂清除其表面上的油脂、残留的润滑剂和灰尘等污染物，并置于干净的场所保存。
药皮焊条应在250-300℃烘箱内烘干1-2h，然后转入120-150℃恒温箱内保存，随用随取，远距离携带应使用保温筒。
5.4组对和定位焊
5.4.1管子、管件组对按照GB50235-97、GB50236-98规范有关规定进行，采用木锤或铜锤敲打，不允许强力组装。
5.4.2定位焊应采用与正式焊接相同的焊接材料和焊接工艺，定位焊缝的厚度，不得超过管子壁厚的2/3，并需特别注意定位焊缝的质量，发现裂纹、气孔、不允许的氧化变色等缺陷，应清除重焊。
6焊接工艺
6.1一般要求
6.1.1焊接施工应采用滚轮架，尽可能在平焊位置施焊，注意起弧和收弧处的质量。
多层焊，应将层间接头错开，收弧时应填满弧坑。
6.1.2当母材温度低于15℃时，应对近缝区进行预热，加热可采用远红外电加热，也可采用喷灯，但应避免火焰直接接触焊接坡口，以防止污染，预热温度应在18℃以上，焊接层间温度应控制在100℃以下。
6.1.3焊接过程中，如钨极碰触溶池或焊丝，应停止焊接，除去被污染的焊缝，修磨或更换电极。
6.2锆702焊接要求
6.2.1为防止空气污染，焊接时必须对焊接区域，温度高于200℃的热态金属采取有效的惰性气体保护措施，并注意保持焊接用具，工装、人员衣着的干净无尘。
6.2.2保护工装结构形式应根据接头形式确定，并尽可能与被焊管材表面贴合严密，可采用耐高温胶布辅助封闭措施，提高保护效果，防止因空气漏入造成失效。
6.2.3由独立的气路提供各区域保护气流，且达到均匀，非紊流和互不干扰。
输气管路应无泄漏和残留水分，一般应采用塑料管、尼龙管，禁止使用橡胶管等易吸湿材料管道。
6.2.4为保证保护气体纯度，防止紊流卷入有害气体，焊接开始前，各部均应提前送气。
焊接停止后，应继续送气，直至焊接区域冷却到200℃以下。
6.2.5焊接采用小规范，快焊速，并避免焊枪横向摆动，当单道焊缝不能满足焊缝宽度要求时，可采用压道焊。
6.2.6焊接过程中，焊丝加热端应始终处于氩气保护区内。
灭弧后，焊丝可暂不拿出焊接区域。
如发生污染变色，则应切除至少25mm。
6.2.7焊接过程中，如发现焊缝及热影响区出现不能允许的污染变色时，应立即停止焊接，查明原因，采取措施，并经验证确实有效后，方可继续焊接。
轻微的表面变色可用不锈钢丝刷清除。
对污染严重的焊接，必须铲除干净，并进行必要的修复后，方可进行下一步的焊接工作。
6.3哈氏合金焊接要求
6.3.1哈氏合金管道焊接时，管道内应充氩保护。
由于液态金属流动性较差，根部间隙应适当加大，打底焊道封口时，应注意管内充氩压力，防止产生焊缝内凹缺陷。
6.3.2焊接采用小规范，快焊速，严格控制热输入。
手工钨极氩弧焊应避免焊枪的横向摆动，手工电弧焊摆动幅度应不大于焊条直径的3倍。
6.3.3层间应认真清理，除去溶渣、飞溅、不良成形造成的边缘夹角等影响继续焊接的缺陷，并用不锈钢丝刷清除焊道表面的氧化膜，必要时还应采用溶剂清理，防止油污、灰尘等造成焊缝液化裂纹。
7焊接技术措施
7.1由于锆及锆合金材料的特殊性，锆及锆合金焊接技术的关键是焊前金属表面的清理和焊接高温条件下的隋性气体保护，选用在大气中采用手工钨极惰性气体保护焊（GTAW）方法，主要技术措施是：
（1）焊前对锆管道材料和焊丝表面进行机械清理和化学清洗；
（2）根据不同锆702管道焊接形式，制作特殊保护工装；
（3）焊接过程中，焊把、管内、保护工装三部分充以高纯度氩气保护；
（4）工装与被焊管间采用耐高温胶布滑动密封提高保护数果；
（5）工装内部通水降温，加快冷降速度，减小工装体积。
附工装保护示意图
7.2哈氏合金由于其加工性、导热性、液态金属流动性差的特点，其焊接技术措施主要是热输入的控制。
8焊接检验及返修
8.1焊后必须进行焊缝外观检查。
检查前应将焊缝及热影响区表面的溶渣、飞溅清理干净。
焊缝及热影响区不得存在夹渣、气孔、裂纹、咬边、熔合性飞溅等缺陷。
焊缝表面质量应不低于GB50236-98规范、II级焊缝标准，并认真填写检查记录。
8.2锆702管道焊接时，检查员应检查每层焊道表面颜色，焊道表面应是银白色。
完工的焊缝内外表面允许有淡黄色或浅兰色存在，但必须用不锈钢丝刷去除。
如出现更深的表面变色，则应查清原因，进行修复。
哈氏合金管道完工的焊缝，也应除去其表面的氧化变色。
8.3焊后应对焊缝正反两面进行100%液体渗透探伤检查。
如背面无法接近，则打底焊道表面应进行100%液体渗透探伤检查。
液体渗透探伤方法和评定执行JB4730-94规范。
8.4对接焊缝焊后进行100%射线探伤检查，焊缝质量不得低于II级。
射线探伤方法和评定执行JB4730-94规范。
8.5每个焊工每焊接10个锆管焊口时，检查人员根据执行工艺纪律情况，有权要求焊工按焊接产品相同的工艺焊接一个试管，加工成两根弯曲试件，按评定要求进行弯曲试验。
如果弯曲试验不能通过，则该焊工焊接的产品质量将被判为不合格。
8.6焊缝如果存在不能允许的缺陷，必须进行返修。
缺陷应采用机械方法或其它合适的方法去除，并经液体渗透探伤检查，确认缺陷已全部清除后，方可补焊。
8.7焊缝返修的焊前清理、焊接工艺、焊接检验应按原要求进行。
同一部位返修不得超过两次。
经两次返修仍不合格的焊缝，应割口重焊。
9施工质量保证措施
9.1施工程序要求
根据材料特性，焊接施工全部在室内，预制完成的管段，运至现场进行组装。
预制场内应布置必要的加工机具，并具备焊接，无损探伤、试压、清洗、吹扫、包装等条件。
要求施工队周密考虑现场情况，细致审图，合理分段，做好实测实量工作，并将电气仪表接口、静电接地及运输、吊装等制约条件全盘考虑，防止错误、遗漏.安装完成的管道应与工程管理,甲方生产协调,做好成品保护工作，防止损坏、丢失。
9.2、暖棚结构图
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