高壓大口徑全焊接球閥的焊接工藝與應(yīng)用

2014-10-02 黃長江浙江省溫州市特種設(shè)備檢測中心

　　主要規(guī)格為40″-Class600、48″-Class600和48″-Class900的高壓大口徑全焊接管線球閥是天然氣長管線輸送工程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。要求閥門具有更高的可靠性、密封性和強(qiáng)度。全焊接管線球閥結(jié)構(gòu)形式的特殊性，使其制造技術(shù)難度相對很大。其技術(shù)難度主要表現(xiàn)：中體與左、右體的環(huán)縫焊接收縮變形量；環(huán)縫及頸部的焊接質(zhì)量；零部件加工精度和公差配合。

1、概述

　　高壓大口徑全焊接管線球閥以往只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握制造技術(shù)，所以只能長期依賴于進(jìn)口。為了實(shí)現(xiàn)全焊接管線球閥的國產(chǎn)化，我們積極參與攻關(guān)試驗(yàn)工作，經(jīng)過努力，已經(jīng)取得了圓滿成功并通過國家能源局的鑒定。

2、全焊接管線球閥焊接的技術(shù)難點(diǎn)

　　2.1 焊接技術(shù)難點(diǎn)

圖1 全焊接管線球閥

　　閥門中體和左、右體的環(huán)縫焊接及中體和頭頸座角焊縫焊接是管線球閥焊接的技術(shù)難點(diǎn)。主要是解決焊接收縮量的控制、零部件加工精度和公差配合的控制和焊縫焊接質(zhì)量的控制難點(diǎn)。

　　2.2 焊接工藝方法的選擇

　　閥門焊接目前比較常用的是手工電弧焊(SMAW)工藝、氣體保護(hù)焊(GMAW)工藝和埋弧自動焊(SAW)工藝。我們傾向于選用比較成熟的焊接工藝方法，并綜合考慮與之配套的焊接材料的齊全性、焊接電弧燃燒穩(wěn)定性、焊縫金屬的致密性和力學(xué)性能、對焊工技能水平要求、焊接效率等方面因素。通過分析比較，認(rèn)為埋弧自動焊(SAW)工藝方法可以滿足球閥焊縫的焊接要求，并通過自動化可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷地焊接，此時環(huán)縫的環(huán)向溫度相對比較均勻，基本上能夠控制球閥的焊接收縮變形量。

　　2.3 管線球閥焊縫埋弧焊工藝

　　2.3.1 中體與左、右體環(huán)縫埋弧焊工藝

　　根據(jù)全焊接管線球閥結(jié)構(gòu)形式的特殊性，環(huán)縫焊接坡口形式采用較窄間隙的焊接坡口，以降低球閥環(huán)縫的熔敷金屬量和焊接熱輸入量，從而減小環(huán)縫的焊接應(yīng)力水平，保證環(huán)縫的焊接質(zhì)量。

　　2.3.1.1 較窄間隙埋弧焊工藝概述

　　較窄間隙焊接坡口形式(相對于窄間隙焊接坡口，窄間隙焊接坡口角度為1.5～2。較窄間隙焊接坡口角度為5。，并且采用普通埋弧焊焊接設(shè)備，在焊接導(dǎo)電桿、焊接材料和操作技能上的改進(jìn)，來實(shí)現(xiàn)較窄間隙埋弧焊的焊接。較窄間隙埋弧焊工藝與普通埋弧焊相比有如下優(yōu)點(diǎn)：①焊接坡口窄、焊縫截面積小；后層焊道對前層焊道的重復(fù)加熱，起到了對前層焊道的回火作用。②焊接熱輸入量低，焊接接頭的熱影響區(qū)域小，接頭的力學(xué)性能得到了改善，特別對低溫沖擊韌性。③熔敷金屬量少，焊接接頭的應(yīng)力水平和焊接收縮變形量降低。

　　2.3.1.2 較窄間隙埋弧焊的工藝參數(shù)

　　(1)焊道排列形式

　　每層雙道焊有較窄的焊接坡口、對焊接設(shè)備的要求低、工藝性能大為改善的優(yōu)點(diǎn)，所以在管線球閥環(huán)縫采用較窄間隙埋弧焊焊接工藝中，宜采用每層雙道焊的焊道排列形式。

圖2 較窄間隙焊接坡口形式

　　(2)焊絲直徑和牌號

　　較窄間隙埋弧焊時，采用的焊絲直徑為：Φ1.6mm；其牌號為：H10Mn2(EH14)。細(xì)絲埋弧焊，其焊接熱輸入量一般控制在14～20kJ/cm.之間(常規(guī)普通埋弧焊的焊接熱輸入量一般在36～40kJ/cm.之間)，熱輸入量較低，閥體的收縮變形量可以降低。

　　(3)焊劑脫渣性能

　　為了確保焊縫金屬的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性，焊劑選擇堿度比較高的堿性燒結(jié)型焊劑。通過焊劑脫渣性能及焊接電弧燃燒穩(wěn)定性工藝試驗(yàn)，最終確定選用堿度為2.5的焊劑：SJ102(CHF102)。

　　(4)合理的焊接工藝規(guī)范參數(shù)

　　焊接工藝規(guī)范參數(shù)，是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

表1 焊接工藝參數(shù)

　　2.3.2 中體與頭頸座角焊縫埋弧焊工藝

　　2.3.2.1 焊接工藝方式的選擇

　　采用專用焊接設(shè)備坐于頭頸座，并與其內(nèi)徑卡住，焊接導(dǎo)電桿伸入頭頸座的焊接坡口內(nèi)，并沿頭頸座圓弧運(yùn)動進(jìn)行埋弧焊焊接。工藝方法是工件不動，導(dǎo)電桿運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備的一次性投資較小；設(shè)備占用的生產(chǎn)場地較小；裝配比較簡單。

　　2.3.2.2 頭頸座角焊縫自動埋弧焊工藝參數(shù)

　　專用焊接設(shè)備主要借鑒電站鍋爐行業(yè)在小直徑、薄壁(≤20mm)管座角焊縫埋弧焊工藝應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，提出的技術(shù)方案。在頭頸座直徑、壁厚較大時，我們提出將導(dǎo)電桿彎成一定角度，導(dǎo)電桿能伸入到角焊縫的焊接坡口內(nèi)，來滿足角焊縫埋弧焊工藝的需要。角焊縫焊接選用焊絲、焊劑牌號與環(huán)縫相同。需解決的技術(shù)難點(diǎn)。角焊縫的焊接坡口形式和焊道的排道形式。

　　(1)焊接坡口形式

　　考慮到焊接時的熔敷金屬在重力的作用及焊縫根部的焊接質(zhì)量，選用的是帶鎖底的坡口形式(如圖3所示)。該坡口的焊接工作量特別大，在掌握焊接要點(diǎn)及焊接技巧后，對坡口角度由45°減小到40°，中體由原先水平改為水平出來20mm后為向上翹20。角度的倒坡口(修改后的坡口形式如圖4所示)，坡口修改前后的焊絲用量由原120kg減少到20kg，大約減少了60%以上的焊接工作量。

圖3 頭頸座角焊縫坡口形式

圖4 改進(jìn)后的頭頸座角焊縫坡口形式

3、焊接設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

　　根據(jù)全焊接管線球閥的規(guī)格及重量，提出了焊接機(jī)架的形式、滾輪架的形式、焊接設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，使焊接設(shè)備其能夠滿足各種規(guī)格球閥環(huán)縫和頭頸座角焊縫的焊接需要。

　　環(huán)縫焊接設(shè)備的技術(shù)參數(shù)：①焊接電源要求能夠適合細(xì)絲(Φ1.6mm)的平特性曲線等速送絲。

　　②在焊接電源暫載率為100%，焊接電流在100～500A的范圍內(nèi)無級連續(xù)可調(diào)。

　　③焊接電壓在25～35V的范圍內(nèi)無級連續(xù)可調(diào)。

　　④采用專用的焊接導(dǎo)電桿、焊接導(dǎo)電嘴及焊劑料斗，導(dǎo)電桿在焊接過程中的上、下、左、右的調(diào)整，使其能迅速到達(dá)焊接位置。

　　⑤焊接滾輪架重量為：20T和60T，旋轉(zhuǎn)線速度要求在100～400mm/min的范圍內(nèi)無級連續(xù)可調(diào)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

4、焊接工藝驗(yàn)證試驗(yàn)及焊接工藝評定試驗(yàn)

　　根據(jù)全焊接管線球閥中體與左、右體環(huán)縫的材料、規(guī)格及技術(shù)要求，我們模擬球閥中體與左、右體環(huán)縫進(jìn)行工藝性驗(yàn)證試驗(yàn)和工藝評定試驗(yàn)工作，以滿足美國ASME規(guī)范Ⅸ卷和JB4708焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)用筒體材料選用ASTMA-350LF2材料。焊接工藝評定試驗(yàn)的力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目，增加了0℃和-46℃的低溫沖擊韌性的考核。

　　因前期對全焊接管線球閥環(huán)縫焊接的可行性方案認(rèn)證及準(zhǔn)備工作比較充分，分析得比較透徹，所以工藝驗(yàn)證性試驗(yàn)和工藝評定試驗(yàn)工作取得成功，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，為今后的生產(chǎn)提供了有力的保障。

5、全焊接管線球閥生產(chǎn)

　　由于在全焊接管線球閥生產(chǎn)時，環(huán)縫焊接的焊接參數(shù)控制得比較嚴(yán)格，環(huán)縫焊接后的閥體焊接收縮量均勻，基本控制在一定的范圍內(nèi)，所以球閥焊接后的開啟性能良好；壓力試驗(yàn)均無泄漏的現(xiàn)象；球閥環(huán)縫經(jīng)超聲波(UT)無損探傷檢驗(yàn)，焊接質(zhì)量良好，焊縫質(zhì)量的合格率為100%。

　　根據(jù)全焊接大口徑管線球閥的結(jié)構(gòu)和選用的材料及西氣東輸二線工程全焊接大口徑管線球閥試制技術(shù)規(guī)格書對球閥焊縫的焊接要求，設(shè)計了管線球閥的焊接工藝。

　　其焊縫的焊接工藝主要以埋弧焊工藝為主，并輔有手工氬弧焊工藝。具體焊接工藝設(shè)計如下：

　　①中體與左、右體環(huán)縫，采用埋弧焊工藝。

　　②左、右體與過渡段的環(huán)縫，采用埋弧焊工藝。坡口形式與中體與左、右體環(huán)縫相同。環(huán)縫焊接后采用內(nèi)壁內(nèi)鏜的加工形式，加工至圖紙規(guī)定之尺寸。

　　③過渡段與袖管的環(huán)縫，采用手工氬弧焊封底，埋弧焊工藝。

　　④中體與頭頸座角焊縫，采用角焊縫專用焊接設(shè)備進(jìn)行埋弧焊焊接。坡口形式為管座單面開45。帶鎖底的單V形坡口。焊接后采用內(nèi)壁內(nèi)鏜的加工形式，加工至圖紙規(guī)定之尺寸。

　　⑤其它引流管角焊縫，采用手工氬弧焊的焊接工藝。

　　⑥支撐座、吊耳的角焊縫，采用手工電弧焊的焊接工藝。

6、全焊接大口徑管線球閥焊接工藝評定

　　根據(jù)焊接工藝方案設(shè)計，按美國ASME規(guī)范Ⅸ卷、JB4708焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)的要求，在管線球閥生產(chǎn)前，我們共進(jìn)行了11項(xiàng)焊接工藝評定(焊接工藝評定項(xiàng)目及選用的焊接材料等見表2)；焊接工藝評定的焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目，特別是低溫沖擊韌性試驗(yàn)項(xiàng)目，將根據(jù)ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)溫度進(jìn)行。

表2 焊接工藝評定項(xiàng)目

7、全焊接大口徑管線球閥的焊接

　　為了滿足西氣東輸二線工程全焊接大口徑管線球閥試制技術(shù)規(guī)格書的要求，確保球閥的制造質(zhì)量，我們編制了焊接工藝一覽表，規(guī)定了球閥各焊縫的焊接工藝、焊接材料、最低預(yù)熱溫度、最高層間溫度和焊縫的焊后熱處理制度及熱處理前后的無損探傷檢驗(yàn)方法及比例，在球閥生產(chǎn)試制工作中嚴(yán)格按一覽表的要求進(jìn)行。