長(zhǎng)輸管線全焊接球閥焊接工藝慨述
長(zhǎng)輸管線全焊接球閥焊接工藝慨述
摘要：介紹了全焊接球閥閥體及焊接材料、焊接方法、焊接結(jié)構(gòu)和焊接工藝，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)對(duì)焊接材料、結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化和驗(yàn)證。
關(guān)鎮(zhèn)詞：全焊接球閥；材抖；焊接工藝
一、前言
長(zhǎng)輸管線閥門是油氣管道為實(shí)現(xiàn)集輸、分輸和調(diào)節(jié)輸量，以及為實(shí)現(xiàn)站內(nèi)循環(huán)、設(shè)備連通、倒罐、越站及清管器收發(fā)等作業(yè)所使用的控制部件；既是保證管道運(yùn)行安全的設(shè)備，又是進(jìn)行管道輸送自動(dòng)控制和運(yùn)行調(diào)度的主要工藝設(shè)備。
在長(zhǎng)輸管線閥門中，尤以管線球閥使用居多。在國(guó)家重點(diǎn)管道工程中，主干線截?cái)嚅y全部采用進(jìn)口大口徑全焊接球閥，要求使用壽命必須達(dá)到 30 年及以上。支線及站場(chǎng) 26in 以下規(guī)格截?cái)嚅y采用分體式球閥。綜觀重點(diǎn)管道工程所采用的全焊接球閥，其主要特性有：① 可靠性高，閥體具有足夠強(qiáng)度，外泄漏部位少，活動(dòng)部件耐磨，在頰繁操作下能長(zhǎng)期正常運(yùn)行。② 密封性好，在高壓和在油、氣長(zhǎng)期浸泡下不泄漏。③ 開關(guān)靈敏性高。④ 油氣通過時(shí)阻力小。③ 重量輕，安裝簡(jiǎn)便。⑥ 能在全天候條件下工作。⑦ 具有防火、防靜電等功能。等道工程的發(fā)展與建設(shè)，極大地促進(jìn)了管線球閥的設(shè)計(jì)、制造、工藝的進(jìn)步，同時(shí)對(duì)管線球閥提出了更高的要求。
全焊接球閥是一種典型的焊接產(chǎn)品，目前，部分國(guó)內(nèi)廠家通過技術(shù)引進(jìn)或自主研發(fā)的方式，已實(shí)現(xiàn)全焊接球閥的國(guó)產(chǎn)化，改變了全焊接球閥完全依賴進(jìn)口的局面。但因前期使用業(yè)績(jī)的影響，很少能在重點(diǎn)工程中得到應(yīng)用。
從全焊接球閥閥體及焊接材料、焊接方法、焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝及相關(guān)試驗(yàn)等方面進(jìn)行總結(jié)，為全焊接球閥生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)指導(dǎo)和用戶使用提供參考。
二、閥體與焊接材料分析
1. 閥體材料成分分析
全焊接球閥閥體材料通常采用碳素鋼或低合金鋼，如 ASTM A105、A694、A350、A516 等，其化學(xué)成分對(duì)焊接時(shí)結(jié)晶裂紋的形成有著重要影響。焊接時(shí)，焊縫中的 S、P 等雜質(zhì)在結(jié)晶過程中形成低熔點(diǎn)共晶。其中硫?qū)π纬山Y(jié)晶裂紋影響最大，但其影響又與鋼中其他元素含最有關(guān)，如 Mn 與 S 結(jié)合成 MnS 而除硫，從而對(duì) S 的有害作用起抑制作用。Mn 還能改善硫化物的性能、形態(tài)及其分布等。因此，為了防止產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，對(duì)焊縫金屬中的 Mn/S 值有一定要求。Mn/sS 值多大才有利干防止結(jié)晶裂紋，還與含碳量有關(guān)。含 C 量愈高，要求 Mn/S 值也愈高。Si、Ni 及雜質(zhì)的過多存在也會(huì)增加 S 的有害作用。
嚴(yán)格控制閥體材料采購(gòu)時(shí)的化學(xué)成分，制定相關(guān)的材料采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，是有效避免閥門焊接時(shí)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的有效途徑之一。
2. 焊絲與焊劑選擇
（1）焊絲材料選擇 焊絲主要作為填充金屬，向焊縫添加合金元素，直接參與焊接過程中的冶金反應(yīng)，其化學(xué)成分和物理性能不僅影響焊接過程中的穩(wěn)定性、焊接接頭性能和質(zhì)量，同時(shí)還影響著焊接生產(chǎn)率。
焊絲材料的選擇主要根據(jù)閥體材料來進(jìn)行。對(duì)常用閥體材料，通常所選用的焊絲材料有碳素鋼焊絲如 H08MnA、低合金鋼焊絲如 H10Mn2。同時(shí)，焊絲直徑的選擇對(duì)焊縫形狀也有著較大影響，在焊接電流、電弧電壓、焊接速度一定時(shí)，焊縫熔深與焊絲直徑成反比，熔寬與焊絲直徑成正比。對(duì)于全焊接球閥常采用的埋弧自動(dòng)焊，其焊絲直徑一般為 2.5~6mm。
（2）焊劑材料選 擇焊劑在焊接過程中起隔離空氣、保護(hù)焊縫金屬不受空氣浸害和參與熔池金屬冶金反應(yīng)的作用。當(dāng)焊絲確定后，配套用的焊劑則成為關(guān)鍵材料，它直接影響焊縫金屬的力學(xué)性能（特別是塑性及低溫韌性）、抗裂性能、焊接缺陷發(fā)生率及焊接生產(chǎn)率等。
這就要求焊劑必須具有良好的冶金性能和工藝性能；顆粒度符合要求（普通焊劑顆粒度為 0.45~2.50mm，0.45mm 以下的細(xì)粒不得大于 5%，2.50mm 以上的粗粒不得大于 2%；細(xì)顆粒度焊劑粒度為 0.28~1.425mm，0.28mm 以下的細(xì)粒不得大于 5%，1.425mm 以上的粗粒不得大于 2%）；含水量 w（H2O）≤0.10%；機(jī)械夾雜物的含量不得大于 0.30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；含硫磷量 w（S）≤0.060%，w（P）≤0.080%。
根據(jù)所選用焊絲材料，及閥體材料化學(xué)成分，焊劑多選用高硅型熔煉焊劑或高堿度燒結(jié)型焊劑。
三、焊接坡口形式
全焊接球閥采用埋弧自動(dòng)焊，配合以空冷或風(fēng)冷方式進(jìn)行焊接。
長(zhǎng)輸管線球閥鍛鋼閥體壁厚通常在 40~50mm 以上，宜采用窄間隙坡口埋弧焊，坡口底層間隙為 8~35mm，坡口角度為 1°~7°，每層焊縫道數(shù)為 1~3，常采用工藝墊板打底焊。為使焊絲送達(dá)窄坡底層，需設(shè)計(jì)能插人坡口內(nèi)的專用窄焊嘴，焊絲向下伸長(zhǎng)度常取 45~75mm，以獲得較高熔敷速率。焊接時(shí)采用專用焊劑，其顆粒度一般較細(xì)，脫渣性應(yīng)特好，并滿足高強(qiáng)韌性焊縫金屬性能。為保證焊絲和電弧在深而窄坡口內(nèi)的正確位置，必要時(shí)須采用自動(dòng)跟蹤控制。
四、焊接過程及分析
1. 影響焊縫形狀、性能的因素
（1）焊接藝參數(shù)的影響
1）焊接電流。當(dāng)其他條件不變時(shí)，熔深與焊接電流變化成正比，電流小，熔深淺，余高和寬度不足；電流過大，熔深大，余高過大，易產(chǎn)生高溫裂紋。
2）電弧電壓。電弧電壓與電弧長(zhǎng)度成正比，在相同的電弧電壓和焊接電流時(shí)，如果選用的焊劑不同，電弧空間電場(chǎng)強(qiáng)度不同，則電弧長(zhǎng)度不同。當(dāng)其他條件不變時(shí)，電弧電壓低，熔深大，焊縫寬度窄，易產(chǎn)生熱裂紋；電弧電壓高時(shí)，焊縫寬度增加，余高不夠。埋弧焊的電弧電壓是依據(jù)焊接電流調(diào)整的，即一定焊接電流要保持一定的弧長(zhǎng)才可能保證焊接電弧的穩(wěn)定燃燒，所以電弧電壓的變化范圍是有限的。
3）焊接速度。焊接速度對(duì)熔深和熔寬都有影響，通常情況下熔深和熔寬與焊接速度成反比。焊接速度對(duì)焊縫斷面形狀也有影響，一般焊接速度過小，熔化金屬量多，焊縫成形差；焊接速度較大時(shí)，熔化金屬量不足，容易產(chǎn)生咬邊。實(shí)際焊接時(shí)，為了提高生產(chǎn)率，在提高焊接速度的同時(shí)必須加大電弧功率，才能保證焊縫質(zhì)量。
4）焊絲直徑。焊接電流、電弧電壓和焊接速度一定時(shí)，熔深與焊絲直徑成反比關(guān)系，但這種反比關(guān)系隨電流密度的增加而減弱。
（2）工藝條件對(duì)焊縫成形的影響
1）焊縫坡口形狀、間隙的影響。在其它條件相同時(shí)，增加坡口深度和寬度，焊縫熔深增加，熔寬略有減小，余高顯著減小。
2）焊劑堆高的影響。焊劑堆高應(yīng)保證在絲極周圍埋住電弧，一般在 25~40mm。當(dāng)使用黏結(jié)焊劑或燒結(jié)焊劑時(shí)，由干密度小，焊劑堆高比熔煉焊劑高出 20%~50%。焊劑堆高越大，焊縫余高越大，熔深越淺。
3）焊絲、焊嘴與工件傾角對(duì)焊縫成形也有較大的影響。在全焊接球閥焊接過程中，應(yīng)盡量保證焊嘴、焊絲垂直干工件表面。
2. 焊接及分析
焊接試驗(yàn)采用圓筒進(jìn)行，材料 A105。其主要目的是試驗(yàn)驗(yàn)證和確定閥體原材料、焊絲直徑、焊劑牌號(hào)，優(yōu)化焊接坡口結(jié)構(gòu)及焊接參數(shù)，預(yù)測(cè)和控制焊接時(shí)溫度變化、變形量和焊接殘留應(yīng)力，為全焊接球閥的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。焊接試驗(yàn)系統(tǒng)由電流電壓測(cè)量系統(tǒng)、位移變形測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。
1）焊接時(shí)溫度側(cè)定。根據(jù)溫度測(cè)定的結(jié)果（如圖 1 所示），在球閥焊接時(shí)，控制層間溫度不超過閥座密封圈的安全使用溫度 150℃，不會(huì)對(duì)閥門密封性能造成影響。
圖 1 距離焊縫中心 25mm 處的溫度變化曲線圖
2）焊接變形的測(cè)定。圓筒焊接采用內(nèi)徑為 600mm，厚度 50mm 左右的圓簡(jiǎn)進(jìn)行。焊接時(shí)圓筒兩端無束縛，焊接完成后，測(cè)得的圓筒變形軸向方向約為 2.5mm，徑向方向約為 1.5mm。在全焊接球閥設(shè)計(jì)過程中，需考慮此焊接變形對(duì)球閥密封性能的影響，適當(dāng)調(diào)整閥座與閥體之間的配合間隙。
焊接時(shí)可采用不同的輔助方式如風(fēng)冷、振動(dòng)，改善焊接時(shí)工件的變形。通常情況下，振動(dòng)焊接時(shí)變形較小，風(fēng)冷其次。
3）焊接殘留應(yīng)力的測(cè)定。焊后通過不通孔法測(cè)量焊接殘留應(yīng)力。焊接殘留應(yīng)力分布曲線如圖 2 所示。
圖 2 殘留應(yīng)力分布圖
側(cè)定結(jié)果表明，距離焊縫中心位置越遠(yuǎn)，殘留應(yīng)力越小。對(duì)球閥閥體焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可有效降低閥體焊接后因變形而產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。同時(shí)，焊接時(shí)采用不同的輔助方式如振動(dòng)、風(fēng)冷，可不同程度上降低焊接后殘余應(yīng)力。通常情況下，振動(dòng)焊接可有效釋放焊接后的殘留應(yīng)力。
焊接完成后，X 射線探傷和超聲波探傷完全合格；力學(xué)性能評(píng)定，拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和側(cè)彎試驗(yàn)合格；焊縫熱影響區(qū)按 JB4708 測(cè)定合格。
五、結(jié)語
全焊接球閥是一種典型的窄間隙埋弧焊焊接產(chǎn)品，涉及材料科學(xué)、焊接工藝學(xué)、焊接裝備自動(dòng)化研制，三維熱彈塑性有限元計(jì)算以及管線球閥的設(shè)計(jì)等多方面的知識(shí)。隨著西氣東輸、西部原油成品油、川氣東送等大批國(guó)家重點(diǎn)管道工程的施工建設(shè)，極大地促進(jìn)了全焊接球閥國(guó)產(chǎn)化技術(shù)、裝備、制造及工藝的進(jìn)步，井逐步趨向成熟和完善，開始向大口徑、高壓力方向發(fā)展。
通過對(duì)焊縫成形和焊縫金屬力學(xué)性能的影響因素，以及對(duì)焊接試驗(yàn)結(jié)果的分析，合理地設(shè)計(jì)閥門閥體結(jié)構(gòu)、焊縫坡口形式、閥座結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制閥體原材料的化學(xué)成分，選用合理的焊絲焊劑及工藝參數(shù)，采用窄間隙坡口多道、多層焊接，適時(shí)控制焊接過程中的層間溫度，完全可滿足全焊接球閥的焊接生產(chǎn)要求。
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