长输管线用全焊接球阀焊接工艺

1、概述

　　阀门是长输油气管道为实现集输、分输和调节输量,以及为实现站内循环、设备连通、倒罐、越站和清管器收发等作业所使用的控制部件。阀门既是保证管道运行安全的设备,又是进行管道输送自动控制和运行调度的主要工艺设备。在长输管线阀门中,球阀使用较多。在国家重点管道工程中,主干线截断阀全部采用进口大口径全焊接球阀,要求使用寿命必需达到30年及以上。本文主要从全焊接球阀阀体的焊接材料、焊接方法、焊接结构、焊接工艺及相关试验等方面进行总结。

2、阀体与焊接材料

2.1、阀体材料

　　阀体通常采用碳素钢或低合金钢, 如ASTMA105、A694、A350和A516等,其化学成分对焊接时结晶裂纹的形成有着重要影响。焊接时,焊缝中的S和P等杂质在结晶过程中形成低熔点共晶。其中S对形成结晶裂纹影响最大,但其影响又与钢中其他元素含量有关,如Mn与S结合成MnS而除硫,从而对S的有害影响起抑制作用。Mn还能改善硫化物的性能、形态及其分布等。因此,为了防止产生结晶裂纹, 对焊缝金属中的Mn/S 值有一定要求。

　　Mn/S值多大才有利于防止结晶裂纹,还与含碳量有关。含C量愈高,要求Mn /S值也愈高。Si、Ni及杂质的过多存在也会增加S的有害影响。严格控制阀体材料采购时的化学成分,制定相关的材料采购标准,是有效避免阀体焊接时产生结晶裂纹的有效途径之一。

2.2　焊丝与焊剂

(1)焊丝

　　焊丝主要作为填充金属向焊缝添加合金元素,其化学成分和物理性能不仅影响焊接过程中的稳定性、焊接接头性能和质量,同时还影响着焊接生产率。焊丝材料主要根据阀体材料选择。对常用阀体材料,通常所选用的焊丝材料有碳素钢焊丝(如H08MnA)和低合金钢焊丝(如H10Mn2)等。同时,焊丝直径的选择对焊缝形状也有着较大影响,在焊接电流、电弧电压和焊接速度一定时,焊缝熔深与焊丝直径成反比,熔宽与焊丝直径成正比。对于全焊接球阀阀体常采用埋弧自动焊,其焊丝直径一般为215～6mm。

(2)焊剂

　　焊剂在焊接过程中起隔离空气、保护焊缝金属不受空气侵害和参与熔池金属冶金反应的作用。当焊丝确定后,配套用的焊剂直接影响焊缝金属的力学性能(特别是塑性及低温韧性) 、抗裂性能、焊接缺陷发生率及焊接生产率等。这就要求焊剂必须具有良好的冶金性能和工艺性能,颗粒度符合要求(普通焊剂颗粒度为0.45 ～2.50mm,0.45mm以下的细粒不得大于5% , 2.50mm以上的粗粒不得大于2%。细颗粒度焊剂粒度为0.28 ～1.425mm, 0.28mm 以下的细粒不得大于5%,1.425mm以上的粗粒不得大于2% ) , 含水量W(H2O) ≤0110%,机械夹杂物的含量不得大于W(杂质) 0.30% ,含硫磷量W(S)≤0.060% ,W(P)≤0.080%。根据所选用焊丝材料及阀体材料,焊剂多选用高硅型熔炼焊剂或高碱度烧结型焊剂。

3、焊接坡口

　　阀体采用埋弧自动焊,配合以空冷或风冷方进行焊接。锻钢阀体壁厚通常为40 ～50mm,宜采用窄间隙坡口埋弧焊,坡口底层间隙为8 ～35mm,坡口角度为1°～7°,每层焊缝为1～3道,常采用工艺垫板打底焊。为使焊丝送达窄坡口底层,需设计能插入坡口内的专用窄焊嘴,焊丝向下伸长度常取45～75mm,以获得较高熔敷速率。焊接时采用专用焊剂,其颗粒度一般较细,并要求脱渣性好,满足高强韧性焊缝金属性能。为保证焊丝和电弧在深而窄的坡口内位置正确,必要时须采用自动跟踪控制。

4、焊接工艺

4.1、工艺参数

(1)焊接电流

　　当其他条件不变时,熔深与焊接电流变化成正比。电流小,熔深浅,余高和宽度不足。电流过大,熔深大,余高过大,易产生高温裂纹。

(2)电弧电压

　　电弧电压与电弧长度成正比。在相同的电弧电压和焊接电流时,如果选用的焊剂不同,电弧空间电场强度不同,则电弧长度不同。当其他条件不变时,电弧电压低,熔深大,焊缝宽度窄,易产生热裂纹。电弧电压高时,焊缝宽度增加,余高不够。埋弧焊的电弧电压是依据焊接电流调整的,即一定焊接电流要保持一定的弧长才可能保证焊接电弧的稳定燃烧,所以电弧电压的变化范围是有限的。

(3)焊接速度

　　焊接速度对熔深和熔宽都有影响,通常情况熔深和熔宽与焊接速度成反比。焊接速度对焊缝断面形状也有影响,一般焊接速度过小,熔化金属量多,焊缝成形差。焊接速度较大时,熔化金属量不足,容易产生咬边。实际焊接时,为了提高生产率,在增加焊接速度的同时必须加大电弧功率,才能保证焊缝质量。

(4)焊丝直径

　　焊接电流、电弧电压和焊接速度一定时,熔深与焊丝直径成反比关系,但这种反比关系随电流密度的增加而减弱。

4.2、工艺条件

　　(1)焊缝坡口形状和间隙　在其他条件相同时,增加坡口深度和宽度,焊缝熔深增加,熔宽略有减小,余高显著减小。

　　(2)焊剂堆高

　　焊剂堆高应保证在丝极周围埋住电弧,一般在25～40mm。当使用粘结焊剂或烧结焊剂时,由于密度小,焊剂堆高比熔炼焊剂高出20%～50%。焊剂堆高越大,焊缝余高越大,熔深越浅。

　　(3)焊接角度

　　焊丝、焊嘴与工件倾角对焊缝成形也有较大的影响。在阀体焊接过程中,应尽量保证焊嘴、焊丝垂直于工件表面。

5、检测

　　焊接试验采用圆筒进行,材料A105。其主要是验证和确定阀体原材料、焊丝直径和焊剂牌号,优化焊接坡口结构及焊接工艺参数,预测和控制焊接时温度变化、变形量和焊接残余应力,为阀体的生产设计提供参考依据。焊接试验系统由电流电压测量系统、位移变形测量系统、温度测量系统三部分组成。