中石化第十建设有限公司 山东青岛 266555
摘要：本文以我公司承建的国内某PTA装置工艺管道施工为例，阐述了在管道施工阶段使用全位置TIG机动焊焊接钛金属（ASTM B265-Gr.2）管道，通过合理的焊接设备选型和严格的焊接工艺执行，在保证焊接质量的基础上，提高了焊接效率。
关键词：钛金属管道；TIG机动焊；焊接工艺；操作要点。
前言：
钛金属具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能，被广泛应用于国民经济的多个部门，特别是在石油化工装置中，用钛金属代替不锈钢、镍基合金和其他稀有金属作为耐腐蚀材料，对提高产品质量，延长设备使用寿命，降本增效和改善劳动条件方面有着十分重要的意义，同时，随着经济的发展和智能化时代的来临，钛材质工艺管道在管道预制阶段的焊接已由传统的手工焊逐步发展为先进的机动焊，并向着智能化方向不断迈进。
1.钛金属的特性：
钛是一种银白色金属，具有密度小、熔点高、线膨胀系数小和导热性差等特点。钛与氧的亲和力很强，在室温条件下就能在表面生成一层致密而稳定的氧化薄膜，由于氧化薄膜的保护作用，从而使钛具有了良好的耐酸、碱腐蚀性能。钛通常有两种晶格结构，在882℃以下为密排六方晶格结构，称为а钛；在882℃以上为体心立方晶格结构，称为β钛。
钛金属在常温下的化学性能比较稳定，但随着环境温度的升高，其化学活性急剧增大，对空气中氧、氮、氢等杂质的吸收能力也随之急剧增强，在固态下就有很强的吸收各种气体的能力。研究资料表明，钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，且随着温度的升高，其吸收能力也随之增强。当钛金属在吸收了一定数量的氢、氧、氮等气体杂质之后，其屈服极限和延伸率等力学性能将急剧下降，材料的耐腐蚀性能也会同时降低。
2.TIG机动焊设备选型：
根据钛金属管道特性和规格以及设备性能设备性能，选用某厂家生产的TIG全位置机动焊机，该设备采用特殊设计的开启式刚性环形轨道，拆装方便，连接可靠，焊接小车爬行平稳，弧长变化小，焊接过程稳定，焊接参数可在焊接之前设置，也可以在焊接过程中进行实时调节，爬行小车体积小，重量轻，装卡简单没操作易于掌握，控制系统抗干扰能力强，性能可靠。能够解决管道工程难题，实现“机器替代人工”，实现高质量、高效率、低成本的运营目标。
3.焊接工艺：
施工前结合现场具体的条件和ASTM B265-Gr.2材质特点，公司焊接实验室依据NB/47014-2011标准进行了焊接工艺评定（PQR）。试件规格300*300*20，壁厚适用范围（5mm≤δ≤40mm），满足壁厚适用要求，焊接方法选用手工氩弧焊打底，全位置机动焊盖面（GTAW+GTAW），机械程度为机动焊，喷嘴、尾部、背部保护气体均为纯度为99.99%的氩气。
根据生产厂家提供的原材料产品质量证明书对ASTM B265-Gr.2合金含量、力学性能进行分析，焊接材料的选择根据ASTM B265-Gr.2材质的化学成分、力学性能、使用与施焊条件综合考虑，选用与ASTM B265-Gr.2化学成分相当，熔敷金属的抗拉强度值不低于原材料标准抗拉强度值的下限以及具有良好的焊接工艺性能的焊接材料，ASTM B265-Gr.2材质化学成分及力学性能见表1.
表1 ASTM B265-Gr.2材质化学成分及力学性能
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4.坡口加工与组对定位
4.1坡口加工
4.1.1ASTM B265-Gr.2材质管道下料采用卧式金属带锯机（型号：G4240/70）进行冷切割下料，采用端面径向坡口机（型号：FPEBM-40A）进行机械坡口制备后再使用无铁钛材专用砂轮片进行精细修磨，要求坡口处不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷。
4.1.2坡口清理工具与坡口直接接触部位的材质必须是无铁钛材，清理的工具应专用。
4.1.3经过机械加工完的焊件坡口及两侧各50mm的内外表面，应用钛材钢丝刷，铰刀等机械方法清除其氧化膜，毛刺和表面缺陷，然后使用不含硫的丙酮进行脱脂处理。
4.2 组对定位
4.2.1组对内壁平齐，错边量不应超过壁厚的10%，且不大于1mm
4.2.2定位焊使用内部搭接式点焊法，此种焊接方法必须保证焊透，在正式打底焊接时不必打磨掉焊点，使其成为正式焊缝的一部分，这样做的目的是减少中间打磨的频次，最大程度上减少焊缝污染，从而减少气孔的产生。
4.2.3定位焊焊缝长度为5mm-15mm，厚度约为3mm，沿焊缝均匀布置，且定位焊不得有裂纹、气孔、夹钨及氧化变色等缺陷。
5.焊接工艺参数及注意事项：
5.1焊接参数推荐表：
表2：焊接工艺参数
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5.2焊接操作要点：
5.2.1 起弧时，应注意观察钨极高低和焊丝进入熔池的部位，如有必要，需要调节焊枪高低以使焊接过程稳定；
5.2.2 焊接过程中，应注意观察熔池形态，适时调节焊枪左右、高低及摆幅，使两侧熔合良好；
5.2.3焊接过程中，一旦出现钨极烧损或钨极粘上焊丝，应尽快停止焊接，待更换好钨极再继续焊接；
5.2.4若焊枪无法向一侧移动，可能是焊枪到达该侧限位，应马上停止焊接，待调整好焊枪位置后再行焊接；
5.2.5钛管氩弧机动焊钨极与焊丝间隙为2-3mm，压低枪头与焊道距离，到达接头部位时，应注意观察接头高低，随时调节焊枪高低，以免钨极碰到工件；
5.2.6仰焊与下45°为主焊接速度略慢于立焊与平焊，立焊与平焊位置焊接参数略大于仰焊与下45°位置；
5.2.7焊接过程中通过在焊枪后置保护装置使得刚刚焊接成型的焊缝得到再次的气体保护，要保证焊道300-500mm长度范围内始终能够得到高纯度的氩气的充分保护，严格防止焊道被氧化；
5.3 效率对比
5.3.1钛管氩弧机动焊在焊接取证及焊接工艺评定满足对现场施工的技术支持前提下，经过与手工氩弧焊焊接钛管DN1100*25.4mm对比后发现，焊接质量优于手工焊的同时，焊接效率也是手工焊氩弧焊焊接钛管道的2倍以上。
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图1：焊接过程 图2：焊接成型
6结束语
焊接试验及现场应用结果表明，采用全位置机动焊接系统进行各种材质的焊接工艺评定，焊接接头的强度、冲击韧性等力学性能符合焊接工艺评定要求，满足现象施工需求。
管道工程是石油化工工程的核心工程之一，管道工程的施工进度直接关系到整个石油化工工程的进度。管道工程同时又是质量要求最高，工人技能要求最高，用工数量最多的工程。在人工成本的不可逆转的持续攀升，市场竞争日趋激烈的市场环境下，作为劳动力密集型企业的施工企业面临着成本居高不下的巨大压力，想尽一切办法减少用工数量，提高劳动效率，成为施工企业实现赢利和发展的唯一途径。
参考文献：
[1]NB/47014-2011《承压设备焊接工艺评定》
[2]SH 3501-2011 《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》
[3]SH3502-2018 《钛管道施工及验收规范》
[4]GB50236-2011 《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》