焊轨车应用高纯气源焊接可行性分析

YHGQ－1200焊轨车是中国铁建 － 西南交通大学联合研发，拥有完全知识产权的最新型移动焊轨 设备，用以实现无缝线路单元轨现场焊联，其原理是 利用氧、乙炔燃烧产生的高温对合拢密贴的钢轨外 沿进行加热，待加热处金属达到热 － 塑性状态时施 加纵向顶锻力使两端面的金属得以完成融合 － 重结 晶，从而实现两单元轨连接，在此过程中气体的纯度 对焊接质量有直接影响。然而气压焊使用的乙 炔气体中含有多种杂质，主要包括硫化氢和磷化氢、 水和空气。其中硫化氢的燃点仅 100℃ 左右，易发 生自燃，空气混合物的爆炸下限为 1． 79% ; 磷化氢 具有一定的毒性，当浓度达到 10 mg /m3 时可产生中 毒症状，空气混合物的爆炸下限为 1． 79% ，即 2 种 杂质都属于高度易燃有毒化学品。若乙炔中杂 质过多，一则可引发堵孔、回火等问题影响焊接进 程; 二则焊接的硫、磷等有害成分将进入金属晶体 中，从而影响焊接质量; 三是有害杂质超出规范限值 有可能引发火灾、爆炸等恶性事故。相较之下，氧气 中的有害成份主要为水、二氧化碳和氮气，杂质的危 害性显然没有前者高。因此，如何解决气源的纯度 问题是当前亟待解决的问题。本文从乙炔、氧气提 纯原理着手，分析乙炔生产的现状和存在的不足，采用现场对比试焊的方法验证普通气源与高纯气源的 焊接效果，并通过落锤试验对高纯气体的焊接质量 进行检测。本研究对防范气压焊焊接失效、改善焊 接过程和提高焊接效率有重要指导价值。

1 乙炔、氧气提纯原理综述

1． 1 电石法乙炔生产原理 乙炔生产的方法包括电石法、烃类裂解法 ( 天然气制乙炔) 和等离子体裂解法( 煤制乙炔) ，其 中电石法生产的乙炔占绝大部分。
具体过程为:
( 1) 乙炔发生器: 在乙炔发生器中，电石( 碳化 钙) 与水反应生成乙炔，该反应过程将释放大量热量。
( 2) 冷凝器: 热乙炔气体离开主发电机进入冷 凝器，冷凝器由长不锈钢管组成，乙炔气体通过与管 外冷却水的热交换降低的温度，乙炔气体中的一部 分水分也将凝结并排出。
( 3) 低压干燥机: 低压干燥器装有一种化学物 质，一般为氯化钙，它从乙炔气体中吸收并去除更多 的水分。
( 4) 净化器: 该净化器本质上是一个两层净化 室，里面充满了化学混合物，旨在消除乙炔气体中存 在的磷、硫化合物，以及纯化过程中生成的酸雾。
( 5) 氨去除机: 于去除包括氨气在内有害化学 气体和颗粒物，以及空气。
( 6) 乙炔压缩机: 乙炔气体将被压缩到所需的 压力高达 300 PSI，以便可填充到气瓶，然后传递到 高压干燥机。
( 7) 高压干燥机: 高压干燥器主要填充无水氯 化钙，以吸除包括润滑油( 生产装置渗出) 、水蒸汽。
( 8) 灌装气瓶经称重、灌入丙酮后充装乙炔使 之成为溶解乙炔。

1． 2 乙炔提纯原理
乙炔提纯的方法主要分为干、湿两大类，因干法提纯操作复杂、危险性大现已基本淘汰。湿式提纯 主要 使 用 次 氯 酸 钠 ( NaClO) 将 主 要 杂 质 硫 化 氢 ( H2 S) 和磷化氢( PH3 ) 转化为酸性气体，然后再使 用中和剂氢氧化钠( NaOH) 转化为酸性盐( 液相) ， 以实现气相、液相分离从而达到纯化的目的。

1． 3 乙炔产品质量现状
根据各省质监部门的检验统计，乙炔不合格的 现象屡有发生。如沈阳市对辖区内的 7 个批次的溶 解乙炔进行检验，不合格率 43% ，生产符合规范要 求的仅为 57%。检验结果显示不合格主要体现 在以下 3 个方面: 一是乙炔的体积分数≤98% ，最低 的仅为 96． 8% ; 二是磷化氢、硫化氢超标; 三是产品 包装标识不齐全，部分无厂名、厂址、生产日期。产 品不合格的主要原因是企业为了降低生产成本减少 净化器、干燥机运行时间，或不及时更新净化器内净 化剂或中和剂，使净化器、干燥机失去净化功能，从 而造成杂质超标。其他原因还包括气瓶长期使用累 积的杂质、气体灌入过程中混入杂质等。

1． 4 氧气提纯原理
氧气的制取一般使用电解水法，通常情况下，制 取的氧气中的杂质主要是氮气、水、二氧化碳等，基 本上都源于生产过程中空气的混入。氧化的纯化一 般使用以下 2 种方法: 一是利用中惠普气体发生器制取高纯氧; 二是运用低温精馏工艺制造高纯氧。前者 的原理是运用沸石分子筛将对不同气体的吸附力差 异吸除氧气中的杂质; 后者是将氧气冷凝至液态后 直接分离其他杂质。相较而言前者的成本较低，技 术门槛不高; 后者的成本较高，但可制造用于芯片生 产的超高纯氧。

2 移动气压焊气源使用现状调查

与移动闪光焊不同的是气压焊的焊接能量来源于乙炔 + 氧气燃烧的化学能，因此，气体的纯度对加 热效率有直接影响，同时也要求整个气体输送管道 能精确、平稳的将混合气体输出至加热器。YHGQ － 1200 焊轨车相较于一般气压焊或氧 割设备具有系统复杂、气体管路长( 全车约 18． 5 m) 、阀口多( 44 个) 、自动化程度高( 对正、焊接、顶 锻、推瘤、正火、风冷等工序自动完成) 等特点，焊机 上的高精度流量控制阀对污染物极为敏感。从加热 器构造来说，气压焊的喷孔较小，最小孔径仅为 0． 5 mm，因而管路内任何一处出现故障或状态不良均有 可能导致气体输出不稳定、堵孔甚至回火。综合以 上分析可知保障气体的纯度是焊接得以正常进行必要条件。因乙炔属于易燃易爆品，国家铁路局对于该类 物品有严格的储存 － 附挂 － 运输管制措施，故气压 焊轨车使用的气体均为施工驻地采购的普通工业乙 炔、氧气。由于生产厂家水平良莠不齐导致气体纯 度难以满足要求: 一是各地的乙炔纯度不一、杂质各 有特点，且充装的压力起伏较大( 1． 5 ～ 3． 0 MPa) ; 二是目前尚无快速便捷的检测手段用于现场纯度检 验，导致对气体的质量难以把控，其结果是使用时都 需要对当地的气体进行“适应性焊接”以了解其特 性，因乙炔杂质造成的堵孔、回火也时有发生。

3 普通气源 － 高纯气源试焊对比分析

3． 1 高纯乙炔、氧气检测标准
根据溶解乙炔国家标准要求，乙炔的体积分数 须≥98． 0% ，对硫化氢与磷外氢的检测须满足硝酸 银试纸不变色的要求，但事实上目前尚无真正的高 纯乙炔国家标准，而用于原子实验室分析光谱仪 器的纯度要求为 99． 999% ，因此将高纯乙炔的标准 定为 99． 9% 较为合适。

3． 2 试焊情况对比
通过对普通工业乙炔、氧气和高纯乙炔、氧气的 焊接效果进行对比，试焊乙炔、氧气比例均为93 /91， 焊接时间为 300 s，焊接时天气为晴天，焊接环境温 度相差≤5℃，通过焊接时加热器喷焰的效果对比， 普通乙炔杂质较多，加热器轨底角火孔出现红火，火 苗偏斜，说明已发生堵孔，随时可能发生回火，火焰 燃烧的废气偏红色，说明燃烧时气体中含有一定的 杂质随喷焰喷出; 在换用高纯乙炔、氧气后，堵孔的 问题迎刃而解，火焰燃烧的颜色正常，燃烧后的废气 较为洁净，可透过尾气看到对面靠模块孔洞。

4 应用局限性与改进建议

4． 1 应用局限性
现场焊接对比试验表明提高气源的纯度是改进 焊接过程或改善焊接质量的可行办法，但受限于我 国对于危化品储运要求，气源供应商在施工地一般 仅有一家，而当地企业不一定有相应的技术能力提 供高纯乙炔、氧气。此外，高纯乙炔的质量检测也是 一个难点，规范提供的试验方法，如溴法、奥氏吸收 仪法等，须配备专门的实验室、实验器材和人员， 这对于流动施工而言较难实现。从成本 － 效益原则 来看，高纯乙炔、氧气的价格约是普通气源的 3 倍，

4． 2 改进建议
( 1) 从气体指标与现场应用来看，气体纯度问 题主要与乙炔有关，纯氧的纯度一般可满足现场焊 接的要求，杂质中的氮气、氩气对焊接的影响很小， 故可优先考虑使用高纯乙炔，氧气则使用普通纯氧， 以降低使用成本。
( 2) 从长远来看，改进管道的过滤设备，如加装 专用乙炔杂质过滤器是另一可行的解决途径，这对 于无高纯乙炔生产企业的施工地而言更为实际。
( 3) 委托有相关资质的第三方检测机构定期对 乙炔产品的质量进行检测是保障气源纯度的关键， 同时，这对于防止磷化氢、硫化氢等杂质超标，杜绝 恶性事故隐患具有重要意义。

5 结语

以往的研究与应用较为重视设备保养对焊接质 量的影响，而对于气源纯度的重要性认识不够。现场焊接对比试验表明: 提高乙炔、氧气纯度，尤其是 乙炔纯度，对于改善焊接过程，防止回火有显著的作 用。落锤结果表明: 使用高纯乙炔、中惠普气体发生器制备氧气的焊头质量 完全符合规范要求。但从成本 － 效益角度来看，使用高纯乙炔 － 纯氧的组合更为合理; 从实际运用来 看，在乙炔主管路上加装专用乙炔杂质过滤器是解决施工现场无高纯气源的可行替代方案。