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    進口全焊接球閥的焊接方案
    進口全焊接球閥的焊接方案 一、前言 長輸管線是全球性的,是一條能源供給線,從北極圈到赤道,從高山到海底,從高原到沙漠,其間穿過地震帶、沼澤地、凍土層、江河、湖泊、山坡。有架設的,有直埋地下,在野外操作,維修困難,要求30年使用壽命。一般輸送原油、天然氣,雖經處理但含硫,含鐵銹及金屬顆粒,且要求零級密封,實際的使用環境惡劣和能源供給線的重要性,對管線球閥提出了嚴格的技術要求.因此,這種高要求的長輸管線閥門,一般采用進口品牌的閥門,比較代表性和使用廣泛的美國威盾VTON的進口全焊接球閥。 而進口全焊接球閥的焊接方案是非常重要的,所以,本文結合美國威盾VTON的技術人員分析, 對全焊接球閥閥體及焊接材料、焊接方法、焊接結構、焊接工藝及相關試驗等方面進行總結,為全焊接球閥的用戶使用提供參考。 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,其化學成分對焊接時結晶裂紋的形成有著重要影響。焊接時,焊縫中的 S、P 等雜質在結晶過程中形成低熔點共晶。其中硫對形成結晶裂紋影響最大,但其影響又與鋼中其他元素含最有關,如 Mn 與 S 結合成 MnS 而除硫,從而對 S 的有害作用起抑制作用。Mn 還能改善硫化物的性能、形態及其分布等。因此,為了防止產生結晶裂紋,對焊縫金屬中的 Mn/S 值有一定要求。Mn/sS 值多大才有利干防止結晶裂紋,還與含碳量有關。含 C 量愈高,要求 Mn/S 值也愈高。Si、Ni 及雜質的過多存在也會增加 S 的有害作用。 嚴格控制閥體材料采購時的化學成分,制定相關的材料采購標準,是有效避免進口全焊接球閥焊接時產生結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,其化學成分和物理性能不僅影響焊接過程中的穩定性、焊接接頭性能和質量,同時還影響著焊接生產率。 焊絲材料的選擇主要根據閥體材料來進行。對常用閥體材料,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,焊絲直徑的選擇對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,焊縫熔深與焊絲直徑成反比,熔寬與焊絲直徑成正比。對于全焊接球閥常采用的埋弧自動焊,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、保護焊縫金屬不受空氣浸害和參與熔池金屬冶金反應的作用。當焊絲確定后,配套用的焊劑則成為關鍵材料,它直接影響焊縫金屬的力學性能(特別是塑性及低溫韌性)、抗裂性能、焊接缺陷發生率及焊接生產率等。 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 以下的細粒不得大于 5%,2.50mm 以上的粗粒不得大于 2%;細顆粒度焊劑粒度為 0.28~1.425mm,0.28mm 以下的細粒不得大于 5%,1.425mm 以上的粗粒不得大于 2%);含水量 w(H2O)≤0.10%;機械夾雜物的含量不得大于 0.30%(質量分數);含硫磷量 w(S)≤0.060%,w(P)≤0.080%。 根據所選用焊絲材料,及閥體材料化學成分,焊劑多選用高硅型熔煉焊劑或高堿度燒結型焊劑。 三、焊接坡口形式 全焊接球閥采用埋弧自動焊,配合以空冷或風冷方式進行焊接。 長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°,每層焊縫道數為 1~3,常采用工藝墊板打底焊。為使焊絲送達窄坡底層,需設計能插人坡口內的專用窄焊嘴,焊絲向下伸長度常取 45~75mm,以獲得較高熔敷速率。焊接時采用專用焊劑,其顆粒度一般較細,脫渣性應特好,并滿足高強韌性焊縫金屬性能。為保證焊絲和電弧在深而窄坡口內的正確位置,必要時須采用自動跟蹤控制。 四、焊接過程及分析 1. 影響焊縫形狀、性能的因素 (1)焊接藝參數的影響 1)焊接電流。當其他條件不變時,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,易產生高溫裂紋。 2)電弧電壓。電弧電壓與電弧長度成正比,在相同的電弧電壓和焊接電流時,如果選用的焊劑不同,電弧空間電場強度不同,則電弧長度不同。當其他條件不變時,電弧電壓低,熔深大,焊縫寬度窄,易產生熱裂紋;電弧電壓高時,焊縫寬度增加,余高不夠。埋弧焊的電弧電壓是依據焊接電流調整的,即一定焊接電流要保持一定的弧長才可能保證焊接電弧的穩定燃燒,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,熔化金屬量不足,容易產生咬邊。實際焊接時,為了提高生產率,在提高焊接速度的同時必須加大電弧功率,才能保證焊縫質量。 4)焊絲直徑。焊接電流、電弧電壓和焊接速度一定時,熔深與焊絲直徑成反比關系,但這種反比關系隨電流密度的增加而減弱。 (2)工藝條件對焊縫成形的影響 1)焊縫坡口形狀、間隙的影響。在其它條件相同時,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。焊劑堆高應保證在絲極周圍埋住電弧,一般在 25~40mm。當使用黏結焊劑或燒結焊劑時,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、焊嘴與工件傾角對焊縫成形也有較大的影響。在全焊接球閥焊接過程中,應盡量保證焊嘴、焊絲垂直干工件表面。 2. 焊接及分析 焊接試驗采用圓筒進行,材料 A105。其主要目的是試驗驗證和確定閥體原材料、焊絲直徑、焊劑牌號,優化焊接坡口結構及焊接參數,預測和控制焊接時溫度變化、變形量和焊接殘留應力,為全焊接球閥的生產設計提供參考依據。焊接試驗系統由電流電壓測量系統、位移變形測量系統、溫度測量系統三部分組成。 1)焊接時溫度側定。根據溫度測定的結果(如圖 1 所示),在球閥焊接時,控制層間溫度不超過閥座密封圈的安全使用溫度 150℃,不會對閥門密封性能造成影響。 距離焊縫中心 25mm 處的溫度變化曲線圖(圖 1) 圖 1 距離焊縫中心 25mm 處的溫度變化曲線圖 2)焊接變形的測定。圓筒焊接采用內徑為 600mm,厚度 50mm 左右的圓簡進行。焊接時圓筒兩端無束縛,焊接完成后,測得的圓筒變形軸向方向約為 2.5mm,徑向方向約為 1.5mm。在全焊接球閥設計過程中,需考慮此焊接變形對球閥密封性能的影響,適當調整閥座與閥體之間的配合間隙。 焊接時可采用不同的輔助方式如風冷、振動,改善焊接時工件的變形。通常情況下,振動焊接時變形較小,風冷其次。 3)焊接殘留應力的測定。焊后通過不通孔法測量焊接殘留應力。焊接殘留應力分布曲線如圖 2 所示。 殘留應力分布圖(圖 2) 圖 2 殘留應力分布圖 側定結果表明,距離焊縫中心位置越遠,殘留應力越小。對球閥閥體焊縫結構進行合理的設計,可有效降低閥體焊接后因變形而產生的殘留應力。同時,焊接時采用不同的輔助方式如振動、風冷,可不同程度上降低焊接后殘余應力。通常情況下,振動焊接可有效釋放焊接后的殘留應力。 焊接完成后,X 射線探傷和超聲波探傷完全合格;力學性能評定,拉伸試驗、沖擊試驗和側彎試驗合格;焊縫熱影響區按 JB4708 測定合格。 五、結語 全焊接球閥是一種典型的窄間隙埋弧焊焊接產品,涉及材料科學、焊接工藝學、焊接裝備自動化研制,三維熱彈塑性有限元計算以及管線球閥的設計等多方面的知識。隨著西氣東輸、西部原油成品油、川氣東送等大批國家重點管道工程的施工建設,極大地促進了全焊接球閥的使用和發展,在各種長輸管線的項目方面招標中,業主經常指定的品牌有美國威盾VTON,丹麥波昂,德國力特LIT品牌等。 通過對焊縫成形和焊縫金屬力學性能的影響因素,以及對焊接試驗結果的分析,合理地設計閥門閥體結構、焊縫坡口形式、閥座結構,嚴格控制閥體原材料的化學成分,選用合理的焊絲焊劑及工藝參數,采用窄間隙坡口多道、多層焊接,適時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要求。  
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