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        堆焊工藝在管道維修中的特殊應(yīng)用

        2011-09-23 10:46:06孟大潤
        化工裝備技術(shù) 2011年1期
        關(guān)鍵詞:工藝方法

        孟大潤

        (江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常熟分院)

        焊接技術(shù)

        堆焊工藝在管道維修中的特殊應(yīng)用

        孟大潤*

        (江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常熟分院)

        結(jié)合材質(zhì)為SA-106B的無縫管預(yù)制造過程中采用堆焊工藝延長管段長度的案例,探討了堆焊工藝在管道維修過程中的特殊應(yīng)用以及相應(yīng)的工藝要求。

        堆焊 堆焊工藝 管道 維修 應(yīng)用

        0 前言

        堆焊技術(shù)的顯著特點(diǎn)是堆焊層與母材具有典型的冶金結(jié)合,而且可以根據(jù)服役性能選擇堆焊合金,使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、耐輻射等優(yōu)良性能,在工藝上具有很大的靈活性[1]。相對(duì)于其他維修工藝,堆焊不僅可以快速高效修復(fù)各種機(jī)械設(shè)備、工具,延長使用壽命,而且節(jié)約工時(shí),綜合費(fèi)用最少,經(jīng)濟(jì)可行【2,3】。堆焊 (包括表面加硬堆焊和耐磨堆焊)已廣泛用于維修破損的軸承、軋輥、齒輪、刀具或風(fēng)機(jī)葉片等。

        隨著焊接設(shè)備的不斷發(fā)展以及對(duì)于新材料焊接性能的了解,越來越多的焊接方法被用于堆焊工藝。傳統(tǒng)的堆焊方法有:手工電弧堆焊(SMAW),藥芯氣體保護(hù)電弧堆焊(FCAW),埋弧堆焊 (SAW),氧乙炔焰堆焊(OFW)及氬弧堆焊(TIG)等。近年來,在國內(nèi)外制造業(yè)的推動(dòng)下,不斷有新的堆焊技術(shù)開發(fā)并在諸多行業(yè)得到應(yīng)用。比如,寬帶極堆焊、激光堆焊等技術(shù)已成功應(yīng)用到石化、冶金、電力等行業(yè)的設(shè)備維修[4,5,6]。在管道的制造或管道在役維修過程中,堆焊也是不可或缺的一種焊接工藝。本文結(jié)合材質(zhì)為SA-106B的無縫管預(yù)制造過程中采用堆焊返修的案例,探討了堆焊工藝在管道維修過程中的特殊應(yīng)用以及相應(yīng)的工藝要求。

        1 應(yīng)用案列

        在某石化項(xiàng)目無縫管道現(xiàn)場(chǎng)制作過程中,發(fā)現(xiàn)部分管段長度不符合圖紙要求。具體情況為:無縫鋼管材質(zhì)為SA-106B,規(guī)格為?355.6×9.53mm、?457×9.53 mm、?609.6×9.53 mm的三段管段,實(shí)際長度比標(biāo)準(zhǔn)值分別短了約5~7mm。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3和相關(guān)技術(shù)協(xié)議的規(guī)定,允許誤差值為3mm,以上管段長度已經(jīng)超出允許誤差范圍,但由于開孔以及支管焊接已經(jīng)完成,所以只能選擇在管段某一特定端口通過堆焊的方法延長管子長度。

        2 返修工藝確定和返修過程

        2.1焊接方法的選擇

        根據(jù)國標(biāo)的定義[7],堆焊是指為增大或恢復(fù)焊件尺寸,或使焊件表面獲得特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的焊接。按照美國焊接學(xué)會(huì)AWS的分類[8],堆焊又可以根據(jù)其焊接目的的不同而分為以下幾種:單為增大或恢復(fù)尺寸的堆焊稱為buildup,為滿足耐熱、耐蝕的堆焊稱為cladding,為滿足耐磨要求的堆焊稱為hardfacing,為調(diào)整表面成分起隔離作用的堆焊稱為buttering。本文要討論的情況是由于管段長度不足,需要通過在管端堆焊的方法來增加管子的長度,屬于為增大或恢復(fù)尺寸的堆焊(buildup)。

        一般來說,選擇合適的堆焊方法時(shí),應(yīng)著重考慮下列因素:(1)有低的稀釋率、較高的熔敷速度和效率;(2)所需堆焊工件的尺寸、工件形狀復(fù)雜程度、堆焊位置和是否批量生產(chǎn);現(xiàn)有焊接設(shè)備及工裝,焊工技術(shù)水平能否滿足要求;(3)低的綜合成本。在這個(gè)項(xiàng)目中,由于要在無縫管端口的管壁截面上施焊,管壁厚度只有9.53mm,焊接截面積小,工況復(fù)雜,焊接難度較大,所以優(yōu)先選擇有經(jīng)驗(yàn)的焊工手工施焊。而且,對(duì)于小批量生產(chǎn),手工焊也是最普通、最經(jīng)濟(jì)的方法。常用的手工焊接方法有SMAW、TIG(GTAW)等。為提高堆焊效率,這里選擇SMAW方法,采用較大直徑的焊條(?3.2mm),在特定管端準(zhǔn)備實(shí)施多層堆焊。同時(shí)準(zhǔn)備采用TIG方法修補(bǔ)堆焊層內(nèi)外表面小的缺陷。TIG焊接的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于可以精確焊接和焊縫質(zhì)量比較高,這是用焊條焊接難以比擬的,對(duì)于薄壁管堆焊和管子表面局部區(qū)域修補(bǔ)其優(yōu)勢(shì)尤為明顯[3]。

        2.2堆焊返修工藝確定

        根據(jù)美國材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 《特殊碳鋼和合金鋼管的通用要求》(A530/A530M-04)[9]中關(guān)于用焊接方法返修的規(guī)定,材質(zhì)為SA-106B的高溫用無縫碳鋼鋼管的缺陷返修必須滿足以下條件:

        (1)返修必須征得客戶的同意,并且確保用于施焊的填充金屬的化學(xué)成分適合焊件的成分;

        (2)在焊接前應(yīng)該用切割或打磨的方法完全去除缺陷,并根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求,對(duì)所有返修部位應(yīng)該重新做熱處理或者應(yīng)力釋放處理;

        (3)管子的所有返修部位應(yīng)該按照產(chǎn)品規(guī)范的要求做水壓試驗(yàn);

        (4)用于施焊的焊接工藝和焊工 (或焊接操作工)應(yīng)通過ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第九卷的評(píng)定。

        根 據(jù) A530/A530M-04[9]和相關(guān)材料 (SA-106B)的標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定,在管道返修前首先編制了返修工藝[11],并得到客戶批準(zhǔn)。返修工藝主要包括以下內(nèi)容: (1)堆焊使用的焊接工藝指導(dǎo)書WPS、焊接工藝評(píng)定PQR,以及施焊焊工均符合ASME第九卷的評(píng)定要求; (2)焊前清理管端內(nèi)外表面油污; (3)采用SMAW方法焊接,按照WPS的要求在管端堆焊,堆焊高度為8~9mm(如圖1所示); (4) 每個(gè)堆焊層進(jìn)行100%PT檢測(cè); (5)對(duì)管段進(jìn)行焊后局部熱處理; (6)采用打磨或機(jī)加工方法將管端加工成符合要求的坡口。另外,由于受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,在征得客戶的同意情況下,取消了返修后現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)的步驟。

        2.3返修過程和檢驗(yàn)

        按照返修工藝規(guī)定步驟,在焊接前首先將SA-106B管距端口25mm以內(nèi)的管段內(nèi)外表面的油污、灰塵等雜質(zhì)清理干凈,并將端口打磨平整。選擇焊接方法為手工電弧焊 (SMAW),根據(jù)WPS規(guī)定選擇焊條為E7015(?3.2),由經(jīng)過ASME第九卷資質(zhì)認(rèn)證的焊工在每一個(gè)待焊管端表面分別進(jìn)行堆焊。在每一個(gè)管段端口分三層實(shí)施堆焊,每層堆焊高度為2~3mm,控制總高度為8~9mm(如圖1、圖2所示)。為保證堆焊焊接質(zhì)量,在每層堆焊后進(jìn)行100%PT檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)表面缺陷 (如圖3所示)或咬邊、成型不良等立即打磨消除,打磨較深處采用TIG方法補(bǔ)焊。補(bǔ)焊區(qū)域經(jīng)PT復(fù)查合格,確認(rèn)沒有缺陷后再堆焊下一層。為消除焊接應(yīng)力,焊接完成后對(duì)焊接端口進(jìn)行局部消應(yīng)力退火處理。采用電加熱器加熱,熱處理溫度為620±12℃,保溫時(shí)間控制為1 h。管段局部熱處理示意圖和實(shí)際工件局部熱處理外觀形貌如圖4、圖5所示。

        按照設(shè)計(jì)圖紙要求,對(duì)堆焊后的管端進(jìn)行打磨或者機(jī)加工處理,去除多余的堆焊金屬 (如圖6所示),加工出符合要求的坡口。整個(gè)返修過程經(jīng)制造廠檢驗(yàn)員和第三方檢驗(yàn)員共同監(jiān)督檢驗(yàn)。完工后的管段長度,延伸段的直徑、圓度和管壁厚度,管端坡口外形,以及滲透檢測(cè)結(jié)果都符合技術(shù)協(xié)議和相關(guān)材料 (SA-106B)標(biāo)準(zhǔn)的要求,說明通過堆焊方法延長管段長度的效果令人滿意。

        圖2 ?457管段堆焊端口 (焊態(tài)、未打磨)

        圖3 PT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的堆焊層表面缺陷

        圖4 管段局部熱處理示意

        圖5 ?355.6管段端口局部熱處理外觀形貌

        圖6打磨后的管段堆焊端口形貌

        3 討論和結(jié)論

        管道失效需要維修,主要可以分為以下幾種情況[12]:由于腐蝕或者機(jī)械損傷造成的管道外部金屬破損;由于腐蝕或沖刷造成的管道內(nèi)部金屬破損;管件泄漏導(dǎo)致的損壞。在選擇管道維修方法時(shí)也應(yīng)考慮管道尺寸上的不足或者管道損壞的其他各種不同情況 (包括長度和直徑)。

        堆焊工藝廣泛應(yīng)用于管道的制作、安裝和維修。其中最為常見和簡單的就是表面修補(bǔ)。如果管道表面由于機(jī)械損傷或者因咬邊、腐蝕坑、裂紋等缺陷打磨形成凹坑,深度超過管壁名義厚度的12.5%,就需要用堆焊的方式將凹坑補(bǔ)焊至與母材表面平齊。采用表面加硬堆焊(HFO)和耐腐蝕堆焊(CRO)可以通過在管道表面 (外表面或內(nèi)表面)堆焊一層或多層特定化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的熔敷金屬,以改善管道內(nèi)外表面的耐磨性能和耐腐蝕 (或耐熱)性能,提高管道品質(zhì)和適用性。

        堆焊的另一個(gè)很重要的用途就是增長或恢復(fù)管道尺寸。管道因?yàn)楦g、磨損、機(jī)械損傷或者制作誤差超出允許裕度,導(dǎo)致長度或厚度不足,就需要通過堆焊的方法修補(bǔ)(buildup)。如果是管道局部或整體厚度不足,可以在管子表面采取寬帶極堆焊的方式增加堆焊層;另外在特殊情況下,管段長度出現(xiàn)不足,例如本文所述,也可以采用SMAW+TIG工藝在管道端口實(shí)施堆焊,延長管段長度。

        實(shí)踐證明,堆焊既可以快速高效修復(fù)管道材料的缺失、破損失效部位,也可以強(qiáng)化管道的表面性能,對(duì)于合理使用材料,改進(jìn)管道設(shè)計(jì),延長使用壽命,降低生產(chǎn)成本,以及節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境,

        都具有重要意義。

        [1]李長久,單繼國,等.堆焊及熱噴涂技術(shù)的最新進(jìn)展[C].第十一次全國焊接會(huì)議論文集.2005.

        [2]徐濱士,朱紹華.表面工程的理論與技術(shù) [M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.

        [3]Dr Sun Zheng,Pan Dayou,Dr Kuo Min. Precision welding for edge buildup and rapid prototyping.SIMTech Technical Report(PT/99/001/JT),1999.

        [4]胡邦喜,莽克倫,王靜潔,等.堆焊技術(shù)在國內(nèi)石化冶金行業(yè)機(jī)械設(shè)備維修中的應(yīng)用 [J].中國表面工程,2006,19(3).

        [5]姚建華,張群莉,等.激光表面堆焊技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì) [J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2004,41(2).

        [6]Kent K Coleman.Development and use of weld repair methodologies in the USA[J].Weld Repair Methodologies in the USA,2003,2(1).

        [7]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 3375-1994.焊接術(shù)語 [S].1994.

        [8]AWSA3.0:2001.Standard welding terms and definitions[S].AWS,2001.

        [9]ASTM A530/A530M-04.Standard specification for general requirements for special carbon and alloy steel pipe[S].ASTM,2004.

        [10]ASME SA-106.Specification for seamless carbon steel pipe for high-temperature service[S].ASME BPVC,Section II,Part A.2007.

        [11]Weld repair procedure for runner 339, Callidus Technologies by Honeywell,Jun 9th,2010.

        [12]Temporary/permanent pipe repair guidelines, AEA Technology Consulting,Offshore Technology Report,2001/038.

        TG 455

        2010-10-08)

        *孟大潤,男,1977年9月生,碩士,工程師。常熟市,215500。

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