唐元斌

(中國(guó)人民解放軍第四八一零工廠， 遼寧 大連 116041)

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鈦合金管在艦船上應(yīng)用的工藝研究

唐元斌

(中國(guó)人民解放軍第四八一零工廠， 遼寧 大連 116041)

摘要根據(jù)鈦合金管路特點(diǎn)，我廠對(duì)鈦合金管彎制、焊接及船上安裝的工藝進(jìn)行了研究并完善。改進(jìn)后的工藝能夠滿(mǎn)足船廠施工要求，并在某型艦艇上應(yīng)用。經(jīng)過(guò)該艇多年的航行，驗(yàn)證了抗蝕性完全滿(mǎn)足性能需要。本文根據(jù)工藝研究成果，簡(jiǎn)要介紹了鈦合金管子制作焊接工藝的改進(jìn)方法及相關(guān)參數(shù)，并對(duì)鈦合金管路在船上的防蝕形式給出安裝意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞鈦合金管彎曲焊接安裝

0引言

鈦合金管路具有機(jī)械強(qiáng)度高、密度低、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，是一種優(yōu)秀的船舶材料，特別適用于制造壓力高、流速快、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)的系統(tǒng)管路，且可以減輕管路系統(tǒng)的重量。但由于鈦合金管路的管壁薄、焊接易氧化、電勢(shì)高易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，給鈦合金管路的彎曲、焊接和船上安裝等施工帶來(lái)一系列問(wèn)題。針對(duì)鈦合金管路的特點(diǎn)，在施工過(guò)程中對(duì)鈦合金管路的彎曲、焊接、安裝等方面進(jìn)行了工藝研究，并在我廠建造的某型艦艇上進(jìn)行了應(yīng)用。本文對(duì)該工藝方法在生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的工藝參數(shù)及施工中的注意事項(xiàng)進(jìn)行提煉和總結(jié)，以期在船舶管系設(shè)計(jì)、工藝與制作方面與業(yè)內(nèi)人員交流與參考。

1鈦合金管系的下料與彎制

鈦合金管路下料、彎制與常規(guī)的彎管工藝相差較大，圖1和圖2為工藝改進(jìn)前后的對(duì)比樣品。其下料、彎制工藝改進(jìn)后要點(diǎn)及參數(shù)如下。

鈦合金彎曲前應(yīng)先進(jìn)行下料，下料時(shí)應(yīng)使用專(zhuān)用的切割機(jī)、鋼鋸片、不含鐵質(zhì)的砂輪片或等離子切割機(jī)。開(kāi)支管孔可用等離子切割或等效機(jī)械加工方法，堅(jiān)決杜絕利用氣焊進(jìn)行切割。

由于鈦合金一般管壁都較薄，為獲得較好的彎曲質(zhì)量，彎管時(shí)應(yīng)采用有芯彎管機(jī)，并加裝防皺裝置，彎制時(shí)采用銅夾具、彎模和芯棒。彎管前，應(yīng)清除管子內(nèi)外表面、彎管機(jī)胎具與管子接觸部分粘附的硬雜物，避免彎曲時(shí)劃傷管子，并在管子內(nèi)徑和芯棒工作部分涂抹潤(rùn)滑油。為防止管子橢圓度和褶皺超標(biāo)，應(yīng)采用彎曲半徑不小于3倍半徑的彎模。彎曲時(shí)管子與芯棒間的間隙，應(yīng)根據(jù)管子規(guī)格的大小而定，但一般在0.5 mm～1 mm之間。芯棒的提前值對(duì)鈦合金管彎曲成形影響較大。經(jīng)實(shí)踐證明，提前2 mm～3 mm效果較好，但影響提前值的因素很多，因此提前值的確定應(yīng)根據(jù)彎管設(shè)備的性能狀況而定(一般采取試彎確定)。

圖1　常規(guī)工藝的彎管樣品　　　　　　　　　　圖2　工藝改進(jìn)后的彎管樣品

2鈦合金管的焊接

由于鈦合金的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，在400 ℃～600 ℃時(shí)能與空氣中的氧、氫、氮等元素結(jié)合而發(fā)生反應(yīng)，使鈦及鈦合金的性質(zhì)顯著下降。因此在鈦合金管路焊接過(guò)程中氬氣的保護(hù)尤其重要，即使是焊接好的焊縫也需要在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行冷卻。在工藝研究過(guò)程中對(duì)氬氣的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的工藝與普通材料的氬弧焊相比，焊接鈦合金管路時(shí)額外增加了一路氬氣，利用焊接保護(hù)罩(拖罩)對(duì)焊好后的焊縫進(jìn)行保護(hù)(見(jiàn)圖3)。在焊接過(guò)程中，根據(jù)焊口的形式及位置，必須合理選擇相應(yīng)的焊接保護(hù)罩。在焊接過(guò)程中應(yīng)注意焊接保護(hù)罩應(yīng)在焊槍的后端，并緊靠近焊槍?zhuān)遗c焊槍運(yùn)行速度保持同步，必要時(shí)，可將焊槍和焊接保護(hù)罩作成一體式。圖4為我廠經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)最終定型的鈦合金管路對(duì)接焊時(shí)的焊接保護(hù)罩形式，其鈦合金管的焊接工藝改進(jìn)后的要點(diǎn)及參數(shù)如下。

圖3　焊接保護(hù)氣體系統(tǒng)原理圖　　　　　　　　　　　　　　圖4 焊接保護(hù)罩簡(jiǎn)圖

鈦合金管的焊接采用手工鎢極氬弧焊，焊接設(shè)備采用直流正接電源，鎢極采用鈰鎢電極，鎢極長(zhǎng)出焊接嘴端面約10 mm。鈦合金焊接所用氬氣純度應(yīng)為Ar≥99.99%，焊絲采用與母材同牌號(hào)或高于母材純度的焊絲。

焊接前，施工人員佩戴潔凈的白細(xì)紗布手套(嚴(yán)禁佩戴棉線手套)，用絲粗為0.3 mm不銹鋼絲刷，將焊口處刷至銀白金屬色，然后用干凈白綢布(不得使用棉線制品)蘸少許丙酮將焊接區(qū)域擦凈。經(jīng)處理的焊區(qū)嚴(yán)禁用手觸摸和接觸鐵質(zhì)物品。如管路有油污，在進(jìn)行上述工序前，應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗去除油污。清理后，應(yīng)盡快施焊，如不能立即施焊，應(yīng)采取措施對(duì)焊區(qū)進(jìn)行保護(hù)，間隔時(shí)間應(yīng)不超過(guò)8 h，否則應(yīng)重新清理。

鈦合金管對(duì)接焊時(shí)，管子壁厚<2 mm的無(wú)需開(kāi)坡口，但≥2 mm需要開(kāi)60°的V型坡口，焊接對(duì)接間隙為0.5 mm。焊接時(shí)應(yīng)進(jìn)行定位焊，定位點(diǎn)焊數(shù)量應(yīng)根據(jù)管徑大小對(duì)稱(chēng)布置，小管徑點(diǎn)焊不得少于三點(diǎn)，點(diǎn)焊長(zhǎng)度不小于6 mm，且焊點(diǎn)應(yīng)均勻牢固，焊點(diǎn)不得有裂紋存在。對(duì)接焊時(shí)，為了使焊接接口成型質(zhì)量達(dá)到單面焊雙面成型要求，焊口的成型應(yīng)分兩次進(jìn)行：一次為封底焊接，另一次為成型焊接。鈦合金管搭焊時(shí)，其正面焊口的成型焊分兩次進(jìn)行：一次為封底焊接，另一次為成型焊。法蘭面焊口(法蘭內(nèi)口)的成型焊一次完成。表1為我廠在焊接鈦合金管路時(shí)所采用的焊接參數(shù)。

表1　焊接參數(shù)表

鈦合金管焊接時(shí)，正面(外管及焊槍)氬氣保護(hù)流量為13 L/min～15 L/min，反面(內(nèi)管)氬氣保護(hù)流量為4 L/min～6 L/min。焊接引弧前，焊絲加熱端不允許移出氬氣保護(hù)區(qū)，并盡可能一次焊完一條焊縫。如中途停焊，再繼續(xù)焊接時(shí)，應(yīng)將焊肉接口端搭接10 mm～15 mm。焊接過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻注意焊肉的顏色變化，如果焊肉顏色出現(xiàn)輕微藍(lán)色時(shí)，應(yīng)立即停止施焊，此時(shí)焊縫有氧化現(xiàn)象，應(yīng)檢查氣體保護(hù)效果的可靠性，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)合格后方可繼續(xù)施焊。圖5為焊接過(guò)程中由于氬氣防護(hù)不到位，導(dǎo)致的過(guò)度氧化樣品。

焊接結(jié)束后，即使熄弧仍需繼續(xù)通氬氣10 s～15 s，直到焊口處得到適當(dāng)冷卻。管子焊接后，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫的焊接應(yīng)均勻，焊接應(yīng)圓滑地向母材過(guò)渡。焊接內(nèi)外表面不應(yīng)有裂紋、焊瘤、氣孔、咬邊及未填滿(mǎn)的弧坑或凹陷存在。圖6為工藝改進(jìn)后，滿(mǎn)足要求的鈦合金管子對(duì)接焊的樣品。

圖5　保護(hù)罩失效導(dǎo)致焊接失敗樣品　　　　　　　　圖6　符合要求的鈦合金管焊接樣品

3鈦合金管的安裝

鈦合金管路的安裝會(huì)直接影響管路的使用壽命。工藝研究時(shí)從鈦合金管路的通艙形式、鈦合金管路與附件的安裝、鈦合金管路支架的安裝等方面進(jìn)行工藝改進(jìn)以防止腐蝕，并對(duì)施工過(guò)程的電絕緣提出了檢測(cè)方法。鈦合金管的安裝工藝改進(jìn)和電絕緣檢測(cè)方法如下。

3.1鈦合金管的通艙形式

鈦合金管路的通艙形式可采用焊接式、對(duì)夾式、DGM-NG形式等。具體采用何種形式，應(yīng)根據(jù)通艙的位置、空間大小、管徑等因素綜合選擇。

焊接式的通艙件復(fù)板需要采用過(guò)渡用復(fù)合材料，如：鈦鋁既能和鈦合金焊接，也能和鋁制船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，焊接形式通艙件主要用于液艙和露天甲板部位。

對(duì)夾式一般用在螺紋通艙管件。針對(duì)鈦合金管路需要在艙壁接觸處加絕緣墊片，絕緣墊片材質(zhì)為四氟乙烯，其艙壁的水密靠螺母的壓緊來(lái)實(shí)現(xiàn)。安裝過(guò)程中，在艙壁與螺紋通艙管件接觸處涂防水密封膠，增加防腐電絕緣隔離效果，該類(lèi)型主要用于空間有限，且通艙管徑較小的情況。

DGM-NG通艙形式主要由金屬框體、DGM耐火密封膠和NG耐火套管(薄片)等組成，其金屬框體與艙壁焊接，需要穿艙的管路從框體內(nèi)穿過(guò)，框體和管路的間隙利用耐火套管(薄片)進(jìn)行填充，框體兩端再利用耐火密封膠進(jìn)行密封。該類(lèi)型通艙形式用于多管子和單管子形式貫穿密封。該通艙形式使鈦合金管路不直接和艙壁接觸，很好地避免電化學(xué)腐蝕。該類(lèi)型主要用于除液艙和露天甲板部位的其他部位，但由于需要的框體較大，空間狹小部位也不太適用。

3.2鈦合金管路與附件的安裝

由于鈦合金管路和附件之間的材料不同，存在電化學(xué)腐蝕，為避免腐蝕鈦合金管路上存在的異種金屬部位，應(yīng)進(jìn)行防腐電絕緣隔離，并在管路的適當(dāng)位置安裝陽(yáng)極環(huán)。

電絕緣組件的安裝。根據(jù)法蘭規(guī)格，選用相應(yīng)尺寸的螺栓、絕緣密封墊片及絕緣套管。安裝時(shí)在絕緣套筒兩端加入測(cè)量片，螺栓絕緣套筒嵌入各法蘭螺栓孔中，安裝后的螺栓絕緣套筒受力端，應(yīng)與測(cè)量片和法蘭外平面靠緊，并將管子連接的兩法蘭螺栓孔對(duì)正，再加入法蘭密封絕緣墊片，螺栓與絕緣套筒之間應(yīng)裝鋼質(zhì)平墊，管路連接不允許強(qiáng)行安裝。安裝結(jié)束后電絕緣組件應(yīng)進(jìn)行連接測(cè)試，用500 V兆歐表測(cè)量?jī)煞ㄌm之間、法蘭與螺栓之間的絕緣情況，測(cè)量值應(yīng)不小于10 kΩ。電絕緣組件如圖7所示。

陽(yáng)極環(huán)的安裝(見(jiàn)圖8)。根據(jù)管路的通徑選取相應(yīng)規(guī)格的陽(yáng)極環(huán)和連接附件。陽(yáng)極環(huán)盡量在管子的彎曲和支管處安裝，加裝距離為5 m左右。如果陽(yáng)極環(huán)與設(shè)備的撓性接頭直接相連時(shí)，則此端不接導(dǎo)線。陽(yáng)極環(huán)安裝結(jié)束后，要進(jìn)行絕緣性和通導(dǎo)性?xún)煞N測(cè)試。為保證陽(yáng)極環(huán)的安裝密封性和工作可靠性，測(cè)試應(yīng)在系統(tǒng)通入介質(zhì)之前進(jìn)行。絕緣性測(cè)試：陽(yáng)極環(huán)的安裝絕緣性測(cè)試，是在不接通導(dǎo)線的情況下進(jìn)行，用500 V兆歐表測(cè)量?jī)煞ㄌm與陽(yáng)極環(huán)外殼、法蘭與螺栓之間的絕緣情況，測(cè)量值應(yīng)不小于10 kΩ。通導(dǎo)性測(cè)試：陽(yáng)極環(huán)的安裝通導(dǎo)性測(cè)試是在接通導(dǎo)線的情況下進(jìn)行，測(cè)量陽(yáng)極環(huán)外殼與法蘭間的通導(dǎo)性測(cè)值應(yīng)小于1 Ω。

圖7　電絕緣組件安裝示意圖　　　　　　　　　　　　　　圖8　陽(yáng)極環(huán)安裝示意圖

3.3鈦合金管路支架的安裝

由于鈦合金管的電勢(shì)較高，且大多布置在花鋼板下及潮濕艙室內(nèi)，因此管子吊架應(yīng)采用電隔離行式。該類(lèi)型吊架在“U”型螺栓的內(nèi)圈增加聚四氟乙烯襯套，在支架與管子接觸處增加聚四氟乙烯墊板，在U型螺柱與鋁制角鋼之間增加螺栓絕緣套筒(見(jiàn)圖9)。在進(jìn)行電隔離吊架安裝時(shí)，應(yīng)保證吊架與鈦合金管路之間的絕緣性，并進(jìn)行測(cè)量。用500 V兆歐表測(cè)量鈦合金管子與“U”型螺栓及支架的絕緣情況，測(cè)量值應(yīng)不小于10 kΩ。

圖9　絕緣吊架安裝示意圖[][]

4結(jié)束語(yǔ)

我廠承建某型艦艇的實(shí)船應(yīng)用了改進(jìn)后的鈦合金管路彎曲、焊接、安裝等工藝。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)船驗(yàn)證，證明了該工藝方法可行、可靠、能夠滿(mǎn)足施工需要，且能得到理想的效果。也充分證明了鈦合金管系材料是一種經(jīng)得起考驗(yàn)、理想的船用材料。但與常用鋼材相比較而言是一種貴金屬材料，也只是一些特殊的高速船、艇的建造過(guò)程中得以應(yīng)用。因此，施工人員接觸較少，這就要求在施工前加強(qiáng)對(duì)鈦合金性能進(jìn)行全面了解，針對(duì)其特點(diǎn)制定有針對(duì)性的工藝，只有這樣才能充分地發(fā)揮鈦合金材料的優(yōu)勢(shì)，才能使鈦合金產(chǎn)品在裝船實(shí)踐中逐步得到推廣和完善。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院.CB1216-2012艦船用鈦及鈦合金焊接工藝要求[S].2013.

[2]張承濂. 船舶材料手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

Technology Research of Titanium-alloy Pipe in Marine

TANG Yuan-bin

(PLA 4810 Shipyard, Dalian Liaoning 116041, China)

AbstractAccording to the characteristics of the titanium-alloy pipe, the titanium-alloy pipe's bending, welding and installation process of the ship were studied and improved. The improved process can meet the construction requirements of the shipyard, and used in a certain type of missile boat. After years of sailing, verify the corrosion resistance performance fully meet the need. According to the process of research, briefly introduced the improved method and related parameters in welding process of titanium-alloy pipe, and the installation of anti-corrosion of the titanium-alloy pipe in the ship are given advices.

KeywordsTitanium-alloy pipeBendingWeldingInstalling

中圖分類(lèi)號(hào)U668

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：唐元斌(1978-)，男，工程師，從事管裝的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和施工工藝等方面工作。