1、概述
閥門是長輸油氣管道為實現集輸、分輸和調節輸量,以及為實現站內循環、設備連通、倒罐、越站和清管器收發等作業所使用的控制部件。閥門既是保證管道運行安全的設備,又是進行管道輸送自動控制和運行調度的主要工藝設備。在長輸管線閥門中,球閥使用較多。在國家重點管道工程中,主干線截斷閥全部采用進口大口徑全焊接球閥,要求使用壽命必需達到30年及以上。本文主要從全焊接球閥閥體的焊接材料、焊接方法、焊接結構、焊接工藝及相關試驗等方面進行總結。
2、閥體與焊接材料
2.1、閥體材料
閥體通常采用碳素鋼或低合金鋼, 如ASTMA105、A694、A350和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和P等雜質在結晶過程中形成低熔點共晶。其中S對形成結晶裂紋影響zui大,但其影響又與鋼中其他元素含量有關,如Mn與S結合成MnS而除硫,從而對S的有害影響起抑制作用。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/S值多大才有利于防止結晶裂紋,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的有害影響。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,是有效避免閥體焊接時產生結晶裂紋的有效途徑之一。
2.2 焊絲與焊劑
(1)焊絲
焊絲主要作為填充金屬向焊縫添加合金元素,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。焊絲材料主要根據閥體材料選擇。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)和低合金鋼焊絲(如H10Mn2)等。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、電弧電壓和焊接速度一定時,焊縫熔深與焊絲直徑成反比,熔寬與焊絲直徑成正比。對于全焊接球閥閥體常采用埋弧自動焊,其焊絲直徑一般為215～6mm。
(2)焊劑
焊劑在焊接過程中起隔離空氣、保護焊縫金屬不受空氣侵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) ≤0110%,機械夾雜物的含量不得大于W(雜質) 0.30% ,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,焊劑多選用高硅型熔煉焊劑或高堿度燒結型焊劑。
3、焊接坡口
閥體采用埋弧自動焊,配合以空冷或風冷方進行焊接。鍛鋼閥體壁厚通常為40 ～50mm,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°,每層焊縫為1～3道,常采用工藝墊板打底焊。為使焊絲送達窄坡口底層,需設計能插入坡口內的窄焊嘴,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,并要求脫渣性好,滿足高強韌性焊縫金屬性能。為保證焊絲和電弧在深而窄的坡口內位置正確,必要時須采用自動跟蹤控制。
4、焊接工藝
4.1、工藝參數
(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,在增加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。
4.2、工藝條件
(1)焊縫坡口形狀和間隙 在其他條件相同時,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
焊劑堆高應保證在絲極周圍埋住電弧,一般在25～40mm。當使用粘結焊劑或燒結焊劑時,由于密度小,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)焊接角度
焊絲、焊嘴與工件傾角對焊縫成形也有較大的影響。在閥體焊接過程中,應盡量保證焊嘴、焊絲垂直于工件表面。
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