長輸管線全焊接球閥焊接工藝慨述
長輸管線全焊接球閥焊接工藝慨述
摘(zhai)要(yao)：介紹了全(quan)焊接(jie)球閥閥體及焊接(jie)材(cai)料、焊接(jie)方法、焊接(jie)結構和焊接(jie)工藝，進行相關試驗對(dui)焊接(jie)材(cai)料、結構及工藝優化和驗證。
關鎮詞：全焊接球閥；材(cai)抖；焊接工藝
一、前言
長輸管(guan)線閥(fa)門(men)是(shi)油氣管(guan)道為(wei)(wei)實(shi)現集輸、分輸和(he)調(diao)節輸量，以(yi)及(ji)為(wei)(wei)實(shi)現站內循(xun)環(huan)、設備(bei)連通、倒罐(guan)、越站及(ji)清(qing)管(guan)器收發等作業(ye)所使用的(de)控(kong)制部件；既(ji)是(shi)保證(zheng)管(guan)道運行(xing)安(an)全(quan)的(de)設備(bei)，又是(shi)進行(xing)管(guan)道輸送(song)自(zi)動控(kong)制和(he)運行(xing)調(diao)度的(de)主要工藝設備(bei)。
在(zai)長(chang)輸管線(xian)(xian)閥門中(zhong)，尤(you)以(yi)管線(xian)(xian)球閥使用(yong)居多。在(zai)國家(jia)重點管道(dao)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)中(zhong)，主干線(xian)(xian)截(jie)斷(duan)閥全部(bu)(bu)采用(yong)進口大口徑全焊(han)接球閥，要(yao)(yao)求(qiu)使用(yong)壽(shou)命必須達到 30 年及以(yi)上。支線(xian)(xian)及站場 26in 以(yi)下規格截(jie)斷(duan)閥采用(yong)分體式球閥。綜觀重點管道(dao)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)所采用(yong)的全焊(han)接球閥，其(qi)主要(yao)(yao)特性有：① 可靠性高，閥體具有足夠強度，外泄漏部(bu)(bu)位少，活動(dong)部(bu)(bu)件耐(nai)磨(mo)，在(zai)頰繁(fan)操作(zuo)下能長(chang)期(qi)正常運行(xing)。② 密封性好(hao)，在(zai)高壓(ya)和(he)在(zai)油、氣長(chang)期(qi)浸泡下不泄漏。③ 開(kai)關靈敏性高。④ 油氣通過時(shi)阻力小。③ 重量(liang)輕，安(an)裝簡便。⑥ 能在(zai)全天候條件下工(gong)(gong)(gong)作(zuo)。⑦ 具有防火、防靜電等(deng)功能。等(deng)道(dao)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)的發展與(yu)建(jian)設(she)(she)，極大地促進了(le)管線(xian)(xian)球閥的設(she)(she)計、制造(zao)、工(gong)(gong)(gong)藝的進步，同時(shi)對管線(xian)(xian)球閥提出了(le)更高的要(yao)(yao)求(qiu)。
全焊接(jie)球(qiu)(qiu)閥(fa)是一種(zhong)典型(xing)的(de)焊接(jie)產(chan)品(pin)，目前(qian)，部(bu)分國內廠家通過技(ji)術(shu)引進或自主研發(fa)的(de)方式，已實(shi)現全焊接(jie)球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)國產(chan)化，改變了全焊接(jie)球(qiu)(qiu)閥(fa)完全依賴進口的(de)局面(mian)。但(dan)因前(qian)期使用業績的(de)影響，很少(shao)能在重(zhong)點(dian)工程中得到應用。
從全焊(han)(han)接球(qiu)閥閥體及焊(han)(han)接材料(liao)、焊(han)(han)接方法(fa)、焊(han)(han)接結構、焊(han)(han)接工藝及相(xiang)關試驗(yan)等方面進行總(zong)結，為全焊(han)(han)接球(qiu)閥生產(chan)廠家的生產(chan)指導和(he)用戶使用提供參考。
二、閥體與焊接材料分析
1. 閥體材(cai)料成(cheng)分分析
全焊(han)接球閥閥體材料通(tong)常采用(yong)碳素(su)鋼(gang)或低合金(jin)鋼(gang)，如 ASTM A105、A694、A350、A516 等(deng)，其化(hua)學成分(fen)對焊(han)接時結晶(jing)裂紋的(de)(de)形(xing)(xing)成有(you)著重要影(ying)響。焊(han)接時，焊(han)縫中(zhong)的(de)(de) S、P 等(deng)雜(za)質在結晶(jing)過程中(zhong)形(xing)(xing)成低熔點共(gong)晶(jing)。其中(zhong)硫對形(xing)(xing)成結晶(jing)裂紋影(ying)響最(zui)大，但其影(ying)響又與鋼(gang)中(zhong)其他元素(su)含最(zui)有(you)關，如 Mn 與 S 結合成 MnS 而(er)(er)除(chu)硫，從而(er)(er)對 S 的(de)(de)有(you)害作(zuo)用(yong)起抑(yi)制作(zuo)用(yong)。Mn 還(huan)能改善硫化(hua)物的(de)(de)性能、形(xing)(xing)態及其分(fen)布等(deng)。因此，為(wei)了防止產生結晶(jing)裂紋，對焊(han)縫金(jin)屬中(zhong)的(de)(de) Mn/S 值(zhi)有(you)一定要求(qiu)(qiu)。Mn/sS 值(zhi)多大才有(you)利(li)干防止結晶(jing)裂紋，還(huan)與含碳量有(you)關。含 C 量愈高，要求(qiu)(qiu) Mn/S 值(zhi)也(ye)(ye)愈高。Si、Ni 及雜(za)質的(de)(de)過多存在也(ye)(ye)會增加 S 的(de)(de)有(you)害作(zuo)用(yong)。
嚴格控制閥體(ti)材料(liao)采購時(shi)的化學成分，制定相關的材料(liao)采購標準，是有效避免閥門焊接時(shi)產(chan)生結晶裂紋(wen)的有效途徑之一。
2. 焊(han)絲(si)與焊(han)劑選擇
（1）焊(han)絲材料選擇 焊(han)絲主要作為填充金屬，向焊(han)縫添加(jia)合金元素，直接(jie)參(can)與焊(han)接(jie)過程中的冶金反(fan)應，其化(hua)學成分和(he)物(wu)理性能不僅影響焊(han)接(jie)過程中的穩定性、焊(han)接(jie)接(jie)頭性能和(he)質量，同時還影響著焊(han)接(jie)生產率。
焊(han)(han)絲(si)材(cai)料的(de)選擇(ze)主(zhu)要根據閥(fa)體材(cai)料來(lai)進行。對常用(yong)閥(fa)體材(cai)料，通(tong)常所選用(yong)的(de)焊(han)(han)絲(si)材(cai)料有碳素鋼焊(han)(han)絲(si)如 H08MnA、低合金鋼焊(han)(han)絲(si)如 H10Mn2。同(tong)時，焊(han)(han)絲(si)直徑(jing)的(de)選擇(ze)對焊(han)(han)縫形狀也有著較大影響，在焊(han)(han)接(jie)電流、電弧電壓、焊(han)(han)接(jie)速度(du)一定時，焊(han)(han)縫熔(rong)深與(yu)焊(han)(han)絲(si)直徑(jing)成反(fan)比，熔(rong)寬(kuan)與(yu)焊(han)(han)絲(si)直徑(jing)成正比。對于全焊(han)(han)接(jie)球閥(fa)常采用(yong)的(de)埋弧自動焊(han)(han)，其焊(han)(han)絲(si)直徑(jing)一般為 2.5~6mm。
（2）焊(han)(han)(han)劑(ji)材(cai)料(liao)選 擇焊(han)(han)(han)劑(ji)在(zai)焊(han)(han)(han)接過程(cheng)中(zhong)起隔離空氣、保護(hu)焊(han)(han)(han)縫金(jin)(jin)屬不(bu)受空氣浸害和參與熔(rong)池金(jin)(jin)屬冶金(jin)(jin)反(fan)應的(de)作用。當焊(han)(han)(han)絲確(que)定后，配套用的(de)焊(han)(han)(han)劑(ji)則成為(wei)關(guan)鍵材(cai)料(liao)，它直接影響焊(han)(han)(han)縫金(jin)(jin)屬的(de)力學性(xing)能（特別(bie)是塑性(xing)及低溫韌(ren)性(xing)）、抗裂性(xing)能、焊(han)(han)(han)接缺陷發生(sheng)率(lv)及焊(han)(han)(han)接生(sheng)產率(lv)等。
這就要(yao)求焊(han)劑必(bi)須具有良好的(de)(de)(de)(de)冶(ye)金性能和工藝性能；顆粒度符合要(yao)求（普通焊(han)劑顆粒度為 0.45~2.50mm，0.45mm 以下的(de)(de)(de)(de)細粒不(bu)得大于(yu)(yu) 5%，2.50mm 以上(shang)的(de)(de)(de)(de)粗粒不(bu)得大于(yu)(yu) 2%；細顆粒度焊(han)劑粒度為 0.28~1.425mm，0.28mm 以下的(de)(de)(de)(de)細粒不(bu)得大于(yu)(yu) 5%，1.425mm 以上(shang)的(de)(de)(de)(de)粗粒不(bu)得大于(yu)(yu) 2%）；含水量 w（H2O）≤0.10%；機械夾雜物的(de)(de)(de)(de)含量不(bu)得大于(yu)(yu) 0.30%（質量分數(shu)）；含硫磷量 w（S）≤0.060%，w（P）≤0.080%。
根據所選用焊(han)絲材料，及閥體材料化(hua)學(xue)成分，焊(han)劑多選用高(gao)硅型(xing)(xing)熔煉焊(han)劑或高(gao)堿度(du)燒(shao)結型(xing)(xing)焊(han)劑。
三、焊接坡口形式
全焊接球閥(fa)采用埋弧自(zi)動焊，配合以空冷或(huo)風冷方式進行焊接。
長(chang)輸(shu)管線球(qiu)閥(fa)鍛鋼閥(fa)體壁厚通常在 40~50mm 以上，宜采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)窄(zhai)間隙坡(po)(po)口(kou)埋(mai)弧焊(han)，坡(po)(po)口(kou)底層間隙為 8~35mm，坡(po)(po)口(kou)角度為 1°~7°，每層焊(han)縫道數(shu)為 1~3，常采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)工(gong)藝墊板打底焊(han)。為使(shi)焊(han)絲(si)送(song)達窄(zhai)坡(po)(po)底層，需設(she)計(ji)能插人坡(po)(po)口(kou)內的(de)(de)專用(yong)(yong)窄(zhai)焊(han)嘴(zui)，焊(han)絲(si)向(xiang)下(xia)伸長(chang)度常取 45~75mm，以獲(huo)得較(jiao)高熔敷速(su)率(lv)。焊(han)接時采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)專用(yong)(yong)焊(han)劑，其顆粒度一般較(jiao)細，脫渣性(xing)應特(te)好(hao)，并滿足高強韌性(xing)焊(han)縫金(jin)屬性(xing)能。為保證焊(han)絲(si)和(he)電弧在深(shen)而窄(zhai)坡(po)(po)口(kou)內的(de)(de)正(zheng)確(que)位置，必(bi)要時須(xu)采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)自(zi)動跟蹤控(kong)制。
四、焊接過程及分析
1. 影(ying)響焊縫形狀、性能的因素
（1）焊接藝參數的影響(xiang)
1）焊(han)接電(dian)(dian)流。當其他條件不變時，熔深與焊(han)接電(dian)(dian)流變化成正比，電(dian)(dian)流小，熔深淺，余(yu)高(gao)和寬度(du)不足；電(dian)(dian)流過(guo)(guo)大(da)，熔深大(da)，余(yu)高(gao)過(guo)(guo)大(da)，易產(chan)生(sheng)高(gao)溫裂紋。
2）電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)長度(du)成正比(bi)，在相同(tong)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流時，如果選(xuan)用的(de)焊劑不同(tong)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)空間電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場強度(du)不同(tong)，則(ze)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)長度(du)不同(tong)。當其他條件不變時，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)低，熔深大，焊縫(feng)寬(kuan)度(du)窄，易產(chan)生熱裂(lie)紋；電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)高時，焊縫(feng)寬(kuan)度(du)增加，余高不夠(gou)。埋弧(hu)(hu)焊的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)是(shi)依據(ju)焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流調整的(de)，即(ji)一定(ding)焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流要保(bao)持(chi)一定(ding)的(de)弧(hu)(hu)長才可(ke)能保(bao)證焊接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)穩定(ding)燃燒，所以電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)變化范圍是(shi)有限的(de)。
3）焊(han)接(jie)速(su)度。焊(han)接(jie)速(su)度對(dui)熔(rong)深和(he)(he)熔(rong)寬都有(you)影響，通常(chang)情況下(xia)熔(rong)深和(he)(he)熔(rong)寬與焊(han)接(jie)速(su)度成反比。焊(han)接(jie)速(su)度對(dui)焊(han)縫斷面形(xing)狀(zhuang)也有(you)影響，一(yi)般焊(han)接(jie)速(su)度過小，熔(rong)化金(jin)屬量多，焊(han)縫成形(xing)差；焊(han)接(jie)速(su)度較大時(shi)(shi)，熔(rong)化金(jin)屬量不足，容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)咬(yao)邊。實際焊(han)接(jie)時(shi)(shi)，為了提高生(sheng)產(chan)率，在(zai)提高焊(han)接(jie)速(su)度的同時(shi)(shi)必須(xu)加(jia)大電弧功率，才(cai)能保證(zheng)焊(han)縫質(zhi)量。
4）焊絲(si)直徑。焊接(jie)電(dian)流、電(dian)弧電(dian)壓和焊接(jie)速度一(yi)定(ding)時，熔深與焊絲(si)直徑成反比關系(xi)，但(dan)這種(zhong)反比關系(xi)隨電(dian)流密度的(de)增加而減(jian)弱。
（2）工(gong)藝(yi)條(tiao)件對焊縫成形(xing)的影響
1）焊縫坡口(kou)形狀(zhuang)、間隙的(de)影(ying)響。在其它(ta)條(tiao)件(jian)相同(tong)時，增加坡口(kou)深度和寬度，焊縫熔(rong)深增加，熔(rong)寬略有減(jian)小，余高(gao)顯著減(jian)小。
2）焊劑(ji)堆(dui)高(gao)的影(ying)響。焊劑(ji)堆(dui)高(gao)應保證在(zai)絲極周圍(wei)埋住電弧，一般在(zai) 25~40mm。當使用黏(nian)結(jie)焊劑(ji)或燒結(jie)焊劑(ji)時，由干密度(du)小，焊劑(ji)堆(dui)高(gao)比熔(rong)煉焊劑(ji)高(gao)出 20%~50%。焊劑(ji)堆(dui)高(gao)越大，焊縫(feng)余(yu)高(gao)越大，熔(rong)深越淺。
3）焊絲(si)(si)、焊嘴與工(gong)件(jian)(jian)傾(qing)角對焊縫(feng)成形也有較大的影響。在全(quan)焊接球閥焊接過程(cheng)中，應盡量保證焊嘴、焊絲(si)(si)垂直(zhi)干(gan)工(gong)件(jian)(jian)表(biao)面。
2. 焊接及分析
焊(han)(han)接(jie)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)采用(yong)圓(yuan)筒進行，材料 A105。其(qi)主要目的(de)是試(shi)驗(yan)(yan)(yan)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)和確定閥體原材料、焊(han)(han)絲直徑(jing)、焊(han)(han)劑牌號，優化焊(han)(han)接(jie)坡口結構及焊(han)(han)接(jie)參(can)(can)數，預測(ce)和控制焊(han)(han)接(jie)時溫度變化、變形(xing)量(liang)和焊(han)(han)接(jie)殘留應力(li)，為全焊(han)(han)接(jie)球閥的(de)生產設計提供參(can)(can)考依據。焊(han)(han)接(jie)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)系(xi)統(tong)由(you)電流(liu)電壓測(ce)量(liang)系(xi)統(tong)、位移變形(xing)測(ce)量(liang)系(xi)統(tong)、溫度測(ce)量(liang)系(xi)統(tong)三部(bu)分組成(cheng)。
1）焊(han)接時溫度(du)側(ce)定。根(gen)據溫度(du)測定的結果（如圖 1 所示），在球閥(fa)焊(han)接時，控制層間溫度(du)不超過(guo)閥(fa)座(zuo)密封圈的安全使用溫度(du) 150℃，不會對閥(fa)門密封性能造成(cheng)影響。
圖 1 距(ju)離焊縫中心 25mm 處的溫度變(bian)化曲線圖
2）焊(han)接(jie)變(bian)形(xing)的(de)(de)測(ce)定。圓筒焊(han)接(jie)采用(yong)內徑為(wei)(wei) 600mm，厚度 50mm 左(zuo)右(you)的(de)(de)圓簡進行(xing)。焊(han)接(jie)時圓筒兩端(duan)無束(shu)縛，焊(han)接(jie)完(wan)成后，測(ce)得的(de)(de)圓筒變(bian)形(xing)軸向(xiang)方向(xiang)約為(wei)(wei) 2.5mm，徑向(xiang)方向(xiang)約為(wei)(wei) 1.5mm。在全焊(han)接(jie)球(qiu)閥(fa)設計過程中(zhong)，需考慮此焊(han)接(jie)變(bian)形(xing)對球(qiu)閥(fa)密封性能的(de)(de)影響，適(shi)當調整閥(fa)座(zuo)與閥(fa)體(ti)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)配合間(jian)(jian)隙。
焊(han)接時可采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的輔助方式如(ru)風冷(leng)、振動，改善焊(han)接時工件的變形(xing)。通(tong)常情況(kuang)下，振動焊(han)接時變形(xing)較小，風冷(leng)其次。
3）焊(han)(han)接殘留(liu)應(ying)力(li)的測定。焊(han)(han)后(hou)通過不通孔法測量焊(han)(han)接殘留(liu)應(ying)力(li)。焊(han)(han)接殘留(liu)應(ying)力(li)分布曲線如圖 2 所示。
圖 2 殘留(liu)應力分布圖
側定結果表(biao)明，距(ju)離焊(han)縫(feng)中心(xin)位置越(yue)遠，殘(can)留(liu)應力越(yue)小。對球閥閥體焊(han)縫(feng)結構進行合理的(de)(de)設計，可(ke)(ke)有(you)(you)效降低閥體焊(han)接后因變形而產生(sheng)的(de)(de)殘(can)留(liu)應力。同時，焊(han)接時采(cai)用不(bu)同的(de)(de)輔助方式如振動(dong)、風冷，可(ke)(ke)不(bu)同程度(du)上降低焊(han)接后殘(can)余應力。通常(chang)情況下，振動(dong)焊(han)接可(ke)(ke)有(you)(you)效釋放焊(han)接后的(de)(de)殘(can)留(liu)應力。
焊(han)接(jie)完成后(hou)，X 射線(xian)探傷和(he)(he)超聲波探傷完全合(he)格(ge)；力學性能評定，拉伸試(shi)驗、沖擊試(shi)驗和(he)(he)側(ce)彎(wan)試(shi)驗合(he)格(ge)；焊(han)縫熱(re)影(ying)響區按 JB4708 測(ce)定合(he)格(ge)。
五、結語
全焊(han)接(jie)球(qiu)(qiu)閥是(shi)一(yi)種典型的(de)(de)窄間隙埋弧(hu)焊(han)焊(han)接(jie)產(chan)品，涉及(ji)(ji)材料科學、焊(han)接(jie)工(gong)(gong)(gong)藝學、焊(han)接(jie)裝(zhuang)備自動化研制(zhi)(zhi)，三維熱彈塑性有限元(yuan)計算以及(ji)(ji)管線球(qiu)(qiu)閥的(de)(de)設計等多(duo)方面的(de)(de)知識(shi)。隨著西(xi)氣(qi)東(dong)輸、西(xi)部原油成品油、川(chuan)氣(qi)東(dong)送等大批國(guo)家(jia)重點管道工(gong)(gong)(gong)程的(de)(de)施工(gong)(gong)(gong)建設，極大地促進(jin)了全焊(han)接(jie)球(qiu)(qiu)閥國(guo)產(chan)化技術、裝(zhuang)備、制(zhi)(zhi)造(zao)及(ji)(ji)工(gong)(gong)(gong)藝的(de)(de)進(jin)步，井(jing)逐步趨向成熟和完善，開始向大口徑、高壓力方向發展。
通過對焊(han)縫(feng)成形和焊(han)縫(feng)金屬力學性能的影(ying)響因素，以及對焊(han)接試驗結果的分析，合理地設計閥門(men)閥體(ti)結構、焊(han)縫(feng)坡口形式(shi)、閥座結構，嚴(yan)格控制閥體(ti)原材料的化學成分，選用合理的焊(han)絲焊(han)劑及工藝參數，采用窄間(jian)隙坡口多(duo)道、多(duo)層(ceng)焊(han)接，適時控制焊(han)接過程中的層(ceng)間(jian)溫度，完全可(ke)滿足(zu)全焊(han)接球(qiu)閥的焊(han)接生產要求(qiu)。
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