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進口全焊接球閥是怎么焊接的

一、前言

長輸管線是性的，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大，但其影響又與鋼中其他元素含有關，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*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，*可滿足全焊接球閥的焊接生產要求。