王鵬飛，胡進(jìn)鑫，郝宏達(dá)，馬曉棟，顧振軍，王軍剛，蔣亞琴

(蘭州高壓閥門有限公司,甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

全焊接球閥是長輸管線的主要控制設(shè)備，近年來隨著天然氣管網(wǎng)的大力發(fā)展，國家國產(chǎn)化的進(jìn)程，越來越多的主干線切斷閥采用國內(nèi)自主研發(fā)大口徑全焊接球閥。該閥主要安裝在野外，使用工況條件非常惡劣，要求必須達(dá)到30年以上的使用壽命，同時(shí)全焊接球閥焊接是最后一道工序，因?yàn)殚y門腔體內(nèi)有非金屬密封件，塑料類及橡膠類非金屬密封件不耐高溫，所以無法進(jìn)行焊后熱處理。筆者主要從全焊接球閥閥體的焊縫結(jié)構(gòu)、焊接工藝及評(píng)定、焊接應(yīng)力的消除和測試、HIC和SSC試驗(yàn)、焊后免熱處理方法評(píng)定等方面提出全焊接球閥焊縫質(zhì)量的控制措施。

通過對(duì)全焊接球閥的焊接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破，解決了全焊接球閥生產(chǎn)過程中免熱處理的技術(shù)難題，對(duì)全焊接球閥國產(chǎn)化推動(dòng)具有重大的發(fā)展意義。

1 焊縫結(jié)構(gòu)

閥體、左體焊接坡口形式，都采用U形坡口如圖1所示。底部為90°夾角，底部圓角為R5；閥體與左體之間根據(jù)不同材質(zhì)、不同的口徑、不同的壓力等級(jí)取不同的收縮間隙δ，焊接完成時(shí)兩體之間的收縮間隙δ為1 mm。

圖1 焊接坡口 圖2 環(huán)形裝配隙縫有限元應(yīng)力分析

由于全焊接球閥閥體裝配對(duì)準(zhǔn)和定位要求，在焊縫根部存在一條環(huán)形裝配隙縫，主閥體與左、右體之間設(shè)計(jì)收縮間隙δ，焊接后δ有1 mm的間隙，在焊接過程中，此收縮間隙能降低焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力，減少焊縫根部的殘余應(yīng)力。兩個(gè)R5圓角過渡使應(yīng)力分布均勻，能避免焊縫根部應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)的U型焊口，能減少焊接線能量的輸入。從有限元應(yīng)力分析也可以證實(shí)此焊接坡口的設(shè)計(jì)能減少焊接應(yīng)力如圖2所示。

2 焊接工藝及評(píng)定

全焊接球閥采用埋弧焊(SAW)的焊接方法來形成的封閉焊縫，大口徑全焊接球閥，坡口深度可達(dá)到100 mm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)不進(jìn)行熱處理的厚度，為了有力保證焊縫的可靠性，焊接工藝嚴(yán)格按美國ASME規(guī)范 Ⅸ卷、NB/T 47014焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行評(píng)定。焊絲主要作為填充金屬向焊縫添加合金元素,其化學(xué)成分和物理性能不僅影響焊接過程中的穩(wěn)定性、焊接接頭性能和質(zhì)量,同時(shí)還影響著焊接生產(chǎn)率。選用大西洋焊絲制品有限公司的CHW-SG焊絲，我們通過對(duì)直徑為φ2.5和φ1.6的焊絲做過焊接工藝評(píng)定后最終選擇了直徑為φ1.6的焊絲，焊絲直徑小所需要的電流就小，小電流產(chǎn)生的熱量就少，從而焊接應(yīng)力就會(huì)很小，在焊接完第一道焊縫經(jīng)測量徑向變形在0.03～0.05之間，無軸向變形。

焊劑在焊接過程中起隔離空氣、保護(hù)焊縫金屬不受空氣侵害和參與熔池金屬冶金反應(yīng)的作用。焊劑直接影響焊縫金屬的力學(xué)性能(特別是塑性及低溫韌性) 、抗裂性能、焊接缺陷發(fā)生率及焊接生產(chǎn)率等。通過對(duì)比，根據(jù)所選用焊絲CHW-SG我們同樣選擇了配套的大西洋公司的CHF 102A焊劑顆粒度為60～10目(0.24～1.6 mm)。

根據(jù)焊接工藝指導(dǎo)書，焊接電流選用為：300～320 A。電壓控制在28～32 V，焊接速度根據(jù)焊接電流和焊接電壓、焊絲直徑，確定為：270～310 mm/min。在焊接過程中通過對(duì)中腔注入防銹水，不但有效地控制了焊接溫度的上升，而且提高了焊接效率，最終施焊層間溫度控制在50～80 ℃之間。

3 焊接應(yīng)力消除和測定

選用內(nèi)徑300 mm，壁厚60 mm，長350 mm的與全焊接球閥閥體同材質(zhì)的圓筒2段，按照坡口形式加工，上述工藝進(jìn)行焊接。通常情況下，對(duì)于厚度大于38 mm的焊接接頭，都應(yīng)該進(jìn)行焊后熱處理的方法消除焊接殘余應(yīng)力。但由于全焊接球閥的特殊性，不能進(jìn)行焊后熱處理。因此需要通過其他方法進(jìn)行消除殘余應(yīng)力，如自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效等等。綜合考慮來看，采用豪克能振動(dòng)消除應(yīng)力是最徹底消除焊接應(yīng)力的方法，它不僅使殘余應(yīng)力的消除率達(dá)到80～100%，而且還能產(chǎn)生理想的壓應(yīng)力，這對(duì)焊接構(gòu)件的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能有很大益處。

為了檢測應(yīng)力，通過盲孔法(直徑1.5 mm，孔深2 mm)，對(duì)應(yīng)力消除前和應(yīng)力消除后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測定，選用專用的應(yīng)變花按0°、45°、90°方向分布，應(yīng)變片敏感柵的中心距孔中心為2.65 mm，應(yīng)變片絲柵內(nèi)徑為2.5 mm，使用殘余應(yīng)力測試儀HK20B進(jìn)行應(yīng)力測試，焊縫焊道中心殘余應(yīng)力平均消率除達(dá)到了98%，焊縫焊道殘余應(yīng)力平均消率除達(dá)到了95%以上，焊縫熱影響區(qū)殘余應(yīng)力平均消率除達(dá)到了100%。達(dá)到應(yīng)力消除的效果。

4 HIC和SSC試驗(yàn)

在上述焊接接頭試樣上，按NACE TM0284-2011標(biāo)準(zhǔn)要求，在母材和焊縫處分別取樣，編號(hào)為1、2、3，試塊如圖3所示，試樣依次用三氣甲烷和丙酮清洗后，浸入5.0%氯化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù))+0.50%冰醋酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù))+硫化氫(飽和)，試驗(yàn)溶液出AR級(jí)試劑及蒸餾水配制，96 h后，各試塊檢測面均未發(fā)現(xiàn)HIC裂紋。

圖3 HIC試塊加工圖

按IS0 7539-2：1989標(biāo)準(zhǔn)要求，在母材和焊縫處分別取樣，編號(hào)4、5、6，試塊如圖4所示，試樣依次用三氣甲烷和丙酮清洗后進(jìn)行試驗(yàn)。按NACE TM0177-2005 A溶液720 h后，IS07539-2：1989四點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行試驗(yàn)。3試件在不小于224 MPa的張應(yīng)力下，試件受檢面用10倍顯微鏡檢查，均未發(fā)現(xiàn)SSC裂紋。

圖4 SSC試塊加工圖

5 焊后免熱處理方法評(píng)定

經(jīng)過豪克能振動(dòng)消除應(yīng)力后，確保焊接接頭的韌性和塑性指標(biāo)，采用有效的評(píng)定準(zhǔn)則保證焊縫的可靠性和安全性。

大量研究表明，“裂紋尖端張開位移值”(Crack Tip opening Displacement，CTOD)斷裂韌度是評(píng)價(jià)鋼材及焊接接頭抗脆斷的重要參量，它能準(zhǔn)確地評(píng)估焊接接頭的韌性。API1104《管道與相關(guān)設(shè)施的焊接》標(biāo)準(zhǔn)附錄A的要求，提出了斷裂韌度的試驗(yàn)要求，提供了與斷裂韌度值相關(guān)的載荷與缺陷的關(guān)系曲線，規(guī)范了壓力容器附件焊接接頭與采用CTOD試驗(yàn)判據(jù)的技術(shù)條件。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143-2007 《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15653-2007 《金屬材料焊縫準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行兩端母材本體、兩端熱影響區(qū)、焊接接頭等取5組，每組共8個(gè)試樣，試樣尺寸如圖5，在-46 ℃低溫條件下的進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，測定δ-Δa裂紋擴(kuò)展阻力曲線及相應(yīng)的斷裂韌性指標(biāo)。

圖5 CTOD試樣圖

根據(jù)DNV-OS-C401(挪威船級(jí)社)標(biāo)準(zhǔn)，臨界CTOD值δc>0.15 mm即為合格。開發(fā)工藝接頭所有試驗(yàn)位置的臨界CTOD值(即實(shí)測的)皆大于0.15 mm。結(jié)果表明：在本試驗(yàn)環(huán)焊接工藝條件下的接頭，-46 ℃低溫條件下，不經(jīng)過熱處理，具有足夠的韌性，達(dá)到安全使用的要求。

為保證全焊接球閥焊接接頭的安全可靠，還需對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸、屈服、沖擊、硬度、金相等檢測，焊接接頭處的性能均優(yōu)于基體材料的要求。同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測，超聲波檢測不論其長度，不允許存在幅度超過DAC的顯示和長度大于3 mm的缺陷。表面進(jìn)行滲透探傷，均要求無超標(biāo)缺陷，達(dá)到1級(jí)合格。

6 結(jié) 語

全焊接球閥采用U型焊接坡口，利用自動(dòng)埋弧焊焊接工藝和豪克能振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力的方法，通過對(duì)試塊的試驗(yàn)評(píng)估，驗(yàn)證了全焊接閥體焊縫具有足夠的韌性和安全性。免除焊后熱處理生產(chǎn)的全焊接球閥，滿足了油氣長輸管線對(duì)全焊接球閥壽命的苛刻要求。