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        截止閥的閥瓣堆焊工藝研究

        2013-10-09 01:28:02鄭州鼎盛工程技術(shù)有限公司河南450001王彥枝
        金屬加工(熱加工) 2013年22期
        關(guān)鍵詞:閥瓣截止閥硬質(zhì)合金

        鄭州鼎盛工程技術(shù)有限公司 (河南 450001) 王彥枝

        河南泉舜流體控制科技有限公司 (鄭州 450001) 李廣軍

        1.概述

        金屬密封截止閥作為輸送和切斷流體介質(zhì)組件之一,在石油、化工、冶金和城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過選用不同的材質(zhì),金屬密封截止閥可以適用于水、蒸汽、油品、硝酸、尿素和煤灰渣等多種介質(zhì),因此開發(fā)新產(chǎn)品來確保產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命顯得尤為重要。

        密封面具有閥門“心臟”之稱,是閥門最重要的工作面之一,承擔(dān)了閥門的啟閉工作,密封面的好壞直接影響著閥門的使用壽命,對于硬密封截止閥的密封副主要由閥瓣和閥座構(gòu)成,為了確保密封面有更好的耐磨性和耐蝕性,常在閥座和閥瓣基體上堆焊耐蝕合金或者耐磨合金焊條。本文中主要討論在基體材料為ZG1Cr13的閥瓣上堆焊鈷基硬質(zhì)合金的焊接工藝及改進措施。

        2.焊接性分析

        (1)材料屬性分析 ZG1Cr13屬于馬氏體不銹鋼,其與ASME A217/A217M相當(dāng),材料的主要化學(xué)成分如表1所示。ZG1Cr13在閥門制造中,很多情況下作為中、低碳鋼母材上的鐵基硬質(zhì)合金堆焊材料被使用。ZG1Cr13與CF3、CF8M相比,經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?,ZG1Cr13有更高的抗拉強度,且價格較CF3、CF8M低廉,所以在石油化工設(shè)備中常選用它作為閥體內(nèi)件。由于馬氏體不銹鋼淬硬傾向較大、易在熱影響區(qū)引起開裂,因此馬氏體鋼焊接時容易發(fā)生冷裂紋。

        表1 ZG1Cr13材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)

        堆焊材料為鈷基硬質(zhì)合金Stellite6,焊絲主要化學(xué)成分如表2所示,常溫硬度40~45HRC,通常作為低合金耐熱鋼和低碳鋼基體的堆焊材料。本焊絲材料具有良好的耐蝕、耐磨損性能及在540℃高溫時具有良好的紅硬性。在晶相組織中發(fā)現(xiàn)材料中含有大量的高硬度的碳化物,因此在焊接過程中容易產(chǎn)生脆性裂紋。同時Stellite6的線膨脹系數(shù)比ZG1Cr13的小。

        表2 Stellite6材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)

        根據(jù)兩種材料的化學(xué)成分和性能特點,可以初步斷定,在ZG1Cr13的母材上堆焊Stellite6易于開裂。如果直接堆焊工藝失敗,可以考慮堆焊過渡層和堆焊隔離層的方法。

        3.焊接工藝評定

        (1)閥瓣結(jié)構(gòu)特點 如圖1所示,截止閥閥瓣隨著通徑的變大,密封面的外圓D1也變大,堆焊的寬度L也變大,這樣需要多層多道焊接來完成,焊接應(yīng)力分布較復(fù)雜。在堆焊前應(yīng)對待焊表面及近縫區(qū)進行磁粉探傷,以確保帶焊區(qū)域沒有鑄造缺陷。

        圖1 截止閥閥瓣堆焊后

        (2)焊接工藝方法的選擇 目前國內(nèi)堆焊鈷基硬質(zhì)合金的方法多采用等離子弧焊、焊條電弧焊和鎢極氬弧焊,前兩種焊接方法效率較高,后兩種焊接比較靈活。選擇焊接方法的重要原則是高的熔敷速度和低的稀釋率。表3是根據(jù)我公司多年的經(jīng)驗積累,總結(jié)的各焊接方法的優(yōu)缺點。

        表3 焊接方法優(yōu)缺點對比

        焊接后檢測 按照焊接標準應(yīng)進行滲透探傷、硬度和化學(xué)成分的檢測。

        4.試生產(chǎn)結(jié)果

        通徑為DN≤100mm的閥瓣未發(fā)生裂紋缺陷。

        通徑為150~250mm的閥瓣偶有開裂,開裂條數(shù)為兩條左右,這可以通過對缺陷打磨成V形坡口進行補焊。

        通徑為300~400mm的閥瓣開裂較為嚴重,部分閥瓣的開裂條數(shù)達6條左右,并且裂紋延伸到熱影響區(qū)外,按照要求一般裂縫多于4條,可以視為零件的報廢。

        5.改進后堆焊工藝

        (1)堆焊工藝選擇 經(jīng)過試件的焊接,鑒于大口徑閥瓣需要多層多道焊接來完成,焊接應(yīng)力分布較復(fù)雜,焊接缺陷率較高,返工周期較長,成本較高,有時一次修整不能確保合格,導(dǎo)致產(chǎn)品報廢風(fēng)險較高。由此采用在閥瓣上先堆焊隔離層,再堆焊ERCoCr-A的方法。隔離層的材料為AISI309不銹鋼,該材料抗氧化性高,高溫強度好,在加氫裝置、核電管道和熱交換器上都有應(yīng)用,還可以用于異種鋼的焊接。

        選用國產(chǎn)A302焊條,焊絲直徑為4mm,焊接電流為110~120A,在閥瓣上堆焊一層過渡層,預(yù)熱與后熱后的焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。

        (2)堆焊工藝方法 閥瓣尺寸較大時,首先選擇堆焊隔離層,焊接隔離層之前,需要對閥瓣進行預(yù)熱100~150℃,焊接電流為140A,電弧電壓24~28V,焊接速度為15~16cm/min,焊接過程始終保持閥瓣堆焊層間溫度不低于預(yù)熱溫度,采用退位法,以避開相鄰焊道間起弧點與收弧點,焊接坡口形式如圖2所示。隔離層堆焊完畢后進行外觀檢測,然后對閥瓣堆焊部位進行去應(yīng)力處理,并依據(jù)閥門堆焊標準進行100%的PT檢測。

        圖2 截止閥閥瓣堆焊坡口形式

        對隔離層進行焊縫表面清理,清理干凈后方可進行Stellite6堆焊。根據(jù)鈷基合金的焊條技術(shù)要求,焊接前根據(jù)閥瓣的尺寸大小,在爐子內(nèi)預(yù)熱到300~600℃,焊后應(yīng)在600~700℃回火1h后再緩冷或?qū)⒐ぜ湃敫稍锘蝾A(yù)熱的沙箱內(nèi)緩冷。在堆焊前,為了消除裂紋,焊條須經(jīng)150℃烘焙1h左右。

        焊接時采用直流反接,小電流短弧堆焊,否則會增加母材的熔深,降低堆焊鈷基合金的性能,焊接速度為15~16cm/min。其詳細的焊接參數(shù)如表4所示。

        焊接完畢后立即進行消除應(yīng)力熱處理,熱處理后進行100%的滲透探傷檢測,檢測標準為JB4730.5-2005 Ⅰ級,最后對堆焊面進行硬度檢測。

        表4 堆焊參數(shù)

        為了提高勞動效率,降低勞動強度,確保均勻的堆焊厚度和高質(zhì)量的連續(xù)焊縫,我公司采用全自動機械手焊接(見圖3),經(jīng)過多次試驗,焊接效率得到了顯著的提高,質(zhì)量有了保證。

        圖3 全自動焊接機械手

        6.結(jié)語

        對于小口徑截止閥的閥瓣,嚴格控制焊接過程,尤其是要做好預(yù)熱、后熱工作,在ZG1Cr13基體上直接焊接鈷基硬質(zhì)合金可以實現(xiàn)一次合格。

        對于大口徑截止閥的閥瓣,為了降低堆焊裂紋的缺陷,可以采用AWS E309-16做隔離層。在實際生產(chǎn)中,可以根據(jù)口徑的大小,選擇合適的堆焊工藝方法。

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