馬 鳴，劉智君，張德金，柳云天

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046;2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引言

角焊縫是在工程中廣泛應(yīng)用的焊接結(jié)構(gòu)[1]，而支管插套焊縫(亦稱承插焊縫,Socket Welds)結(jié)構(gòu)形式作為小口徑管連接焊縫之一，接頭設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1,2所示，即將外徑尺寸較小的支管插入內(nèi)徑較大的主管或法蘭(以下統(tǒng)稱為承管座)中，并在支管外圍施焊角焊縫連接，屬于一類特殊用途的角焊縫，最早應(yīng)用在化工領(lǐng)域，并通過工程應(yīng)用證明了接頭的可靠性，現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)工程及核電領(lǐng)域中的管道和壓力容器部件。鑒于在不同領(lǐng)域應(yīng)用的差異性和特殊性，本文整理和歸納國內(nèi)外不同標準對管插套的應(yīng)用限制條件，并重點研究此類結(jié)構(gòu)在焊接試驗過程中的焊接要點和質(zhì)量控制措施，為產(chǎn)品在相應(yīng)工況下的安全、可靠及穩(wěn)定運行提供技術(shù)參考。

圖1 插套焊結(jié)構(gòu)示意

圖2 插套焊試件1/4剖面

1 插套接頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和不足

1.1 與對接接頭相比具有的優(yōu)勢

(1)承管座對支管有補強作用，提高了插套接頭的承載能力和應(yīng)用范圍。

(2)結(jié)構(gòu)簡單且易于裝配，簡化了施焊過程，無對接焊坡口加工限制及常出現(xiàn)的錯邊和背面焊縫成形不良的情況。

(3)施焊效率高。

(4)有研究[2]證明，改變插套焊的焊接工藝可以使其焊接質(zhì)量和同尺寸的對接焊相同，其疲勞強度也大致相當。

1.2 與對接接頭相比存在的不足

(1)插套接頭截面的幾何尺寸形狀存在急劇變化，焊縫根部和焊趾處應(yīng)力集中大于對接接頭，承載力傳遞過程較為復(fù)雜。

(2)接頭根部產(chǎn)生缺陷比較隱蔽，常規(guī)無損檢測方式不易發(fā)現(xiàn)。

(3)不易返工和補焊。

(4)在振動疲勞的環(huán)境下服役容易導(dǎo)致插套焊縫失效。

2 不同標準對插套焊接頭的限制條件

因標準體系不同，對插套焊接頭的設(shè)計和應(yīng)用要求亦存在差異，現(xiàn)將涉及的相關(guān)標準及要求簡要歸納如下。

2.1 承壓管道標準

GB/T 20801系列標準是工業(yè)承壓管道領(lǐng)域中常用的設(shè)計、制造和檢驗標準，其中涉及插套焊結(jié)構(gòu)應(yīng)用限制條件的引用標準共有5種，具體內(nèi)容見表1。

表1 工業(yè)承壓管道標準對插套焊限制條件

1)第3～5項標準均引自GB/T 20801系列，但各標準對插套焊結(jié)構(gòu)的名詞術(shù)語及相關(guān)符號存在差異，為辨識方便，現(xiàn)將其統(tǒng)一字母標識；2)其引用的焊接工藝評定執(zhí)行標準按JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》執(zhí)行，現(xiàn)該標準已被NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》替代；3)其引用的焊工技能評定執(zhí)行標準按《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》執(zhí)行，現(xiàn)該標準已被TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細則》替代。

通過對比可得以下結(jié)論。

(1)應(yīng)用限制條件基本一致。

(2)焊接工藝評定方面未作特殊規(guī)定。當忽略支管外徑較小、壁厚較薄情況對焊接工藝參數(shù)、實際操作難度等的影響時，僅按焊接工藝評定標準原則，此類接頭可被對接或角焊縫的評定覆蓋，焊接工藝評定過程相對簡單。

(3)焊工技能評定方面未作特殊規(guī)定，僅按焊接技能評定標準原則，注意焊接位置、焊接方法和選用管徑、厚度來選擇合適的管板角焊縫施焊，獲得此類接頭的焊工資質(zhì)亦比較容易。

但無論是焊接工藝評定還是焊工技能評定過程，相關(guān)評定標準僅為基本的規(guī)定。就長效保證產(chǎn)品使用壽命而言，當產(chǎn)品制造首次使用此接頭時，建議附加滿足插套焊設(shè)計特點的接頭模擬試驗，對于掌握插套焊縫焊接要點和質(zhì)控措施更有意義。

2.2 核電標準

2.2.1 核級產(chǎn)品應(yīng)用方面

管插套焊結(jié)構(gòu)既是核電設(shè)備管路制造和安裝過程中的重要連接形式之一，也是核電設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)，其焊縫質(zhì)量會影響到核安全。鑒于其在核電領(lǐng)域應(yīng)用的普遍性和重要性，核級產(chǎn)品應(yīng)用標準均已將其視為一類特殊結(jié)構(gòu)而提出更為嚴苛的限定，具體見表2。

表2 核級產(chǎn)品用標準對插套焊限制條件

1)等邊角焊縫尺寸是指最大的內(nèi)接等腰直角三角形的直角邊長；2)非等邊角焊縫尺寸是指角焊縫的橫斷面內(nèi)最大的內(nèi)接直角三角形的短直角邊長；3)其他焊接要求則統(tǒng)一按ASME BPVC Ⅸ卷評定標準中對角焊縫的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；4)各標準對插套焊結(jié)構(gòu)的名詞術(shù)語及相關(guān)符號存在差異，為辨識方便，現(xiàn)將其統(tǒng)一字母標識。

通過對比可得以下結(jié)論。

(1)在應(yīng)用限制條件方面基本一致。相似之處是分兩種情況限制k，e和α之間的計算關(guān)系，并規(guī)定了焊前預(yù)留b；而區(qū)別主要在于，支管管徑(dn，d內(nèi))和e使用條件限制和焊接工藝評定及焊工技能評定過程的相關(guān)規(guī)定。另外，需注意的是，在2017版ASME B&PVC Ⅲ卷中對插套焊新增了“當設(shè)計要求對焊縫修磨倒角時，角焊縫管子軸向的焊腳尺寸(k2)應(yīng)至少為徑向焊腳尺寸(k1)的2倍以及管子一側(cè)焊趾處不允許存在咬邊缺陷”的規(guī)定，此規(guī)定在實際生產(chǎn)中更為實用，其目的是減少插套焊縫上承受的應(yīng)力，從而提高抗疲勞能力，有效保證插套焊管件的使用壽命，而其他2項標準尚未提及k2,k1的差異對結(jié)構(gòu)造成的影響。

(2)在焊接工藝評定方面差異較大。美國ASME規(guī)范以成熟的焊接工藝方法(ASME B&PVC Ⅸ)為前提，通常需結(jié)合產(chǎn)品制造篇(ASME B&PVC Ⅲ)的要求，以合理精簡焊接工藝評定數(shù)量為原則，注重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、焊縫成形和焊接工藝相互之間的影響關(guān)系，綜合決定焊接工藝評定的方式、方法。標準雖未限定必須制作產(chǎn)品接頭模擬件進行焊接工藝評定過程，亦未限定評定過程必須進行無損檢測，但從長效保證產(chǎn)品使用壽命情況看，當首次使用此接頭的產(chǎn)品制造時，建議附加滿足插套焊設(shè)計特點的接頭模擬試驗，以便更好地掌握插套焊縫焊接要點和質(zhì)控措施。我國核電焊接工藝評定標準NB/T 20002.3—2013編制依據(jù)主要參考2007版法國核電標準RCC-M和我國實際情況演化而來[3]，且NB/T 20002.3 和法國RCC-M標準更重視此類接頭的施焊過程及工藝對其內(nèi)在質(zhì)量的影響，直接將其歸為一類特殊接頭形式進行焊評驗證，并規(guī)定了單道焊和多道焊評定不可相互覆蓋及無損檢測必須與產(chǎn)品要求保持一致等嚴苛的限制條件，評定過程相對復(fù)雜，此處與ASME標準差異很大。

(3)限定焊工資質(zhì)要求。除另有規(guī)定外，國內(nèi)制造的核級產(chǎn)品需滿足HAF 603《核安全設(shè)備焊工焊接操作工資格管理規(guī)定》標準取得相應(yīng)焊工資質(zhì)；2007年12月，國家核安全局升版了HAF 603法規(guī)，其中涉及插套焊變化較大的是調(diào)整了插套類焊工取證規(guī)定，即新增鎢極氬弧焊方法考試結(jié)果對于小于評定的焊絲直徑有效；母材和焊材的評定范圍由原來按照工藝評定覆蓋原則調(diào)整為按HAF 603法規(guī)的附件Ⅰ要求執(zhí)行；2010年2月，國家核安全局發(fā)布了國核安發(fā)[2010]28號文件對現(xiàn)行HAF 603法規(guī)進行完善和補充，并規(guī)定將插套類焊工考試按Z4類專項考核，提高了法規(guī)的可操作性[2]。

2.2.2 在非核級的核電產(chǎn)品應(yīng)用方面

從一些資料查證可知，當在非核級產(chǎn)品(如RCC-M標準規(guī)定的NC級別)上使用無插套焊限定條件的其他行業(yè)標準(如NB/T 47003—2009《鋼制焊接常壓容器》等)進行設(shè)計和制造時，使用者易將其視作普通套管結(jié)構(gòu)制造控制，即按文中第2.1(2)節(jié)進行焊接工藝評定，按第2.1(3)節(jié)進行焊工技能評定(標準未明確非核級產(chǎn)品必須執(zhí)行HAF 603法規(guī))，此法看似順理成章，實則存在技術(shù)漏洞，容易忽視此類特殊管座連接結(jié)構(gòu)在核電領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)計初衷和質(zhì)控要點，尤其是HAF 603法規(guī)與其他行業(yè)焊工資格考核體系存在很大差異且不可替代[2]，更應(yīng)審慎對待，否則可能造成產(chǎn)品焊縫失效。目前，行業(yè)內(nèi)亦有將非核級產(chǎn)品的所有焊接接頭一律按核級產(chǎn)品“從高就嚴”要求的案例，雖規(guī)避了技術(shù)風險，卻造成產(chǎn)品制造成本的增加和周期的延長，屬于矯枉過正情況，較合理的做法是及時反饋工程設(shè)計，確認能否僅對特殊接頭從嚴要求。

3 質(zhì)控關(guān)鍵

為保證插套焊接頭結(jié)構(gòu)的可靠性，建議在焊接工藝評定驗證和焊工資質(zhì)考核過程中，宜結(jié)合實際產(chǎn)品情況和下述質(zhì)控要點。

3.1 裝配質(zhì)量控制

軸向間隙b為此接頭關(guān)鍵尺寸之一，是指支管底部與承管座之間的垂直間距，須保證底部焊后仍留有間隙，其主要作用如下。

(1)調(diào)控焊接過程的收縮情況。

(2)使徑向間隙n與b連通，有利于封閉焊道時，從焊縫背面排氣，以預(yù)防氣孔。

(3)產(chǎn)品實際運行時，管道中存在高溫液體流動，受結(jié)構(gòu)限制，焊縫、支管和承管座處會產(chǎn)生不同的溫度梯度，若取消此間隙設(shè)計，易導(dǎo)致焊縫殘余應(yīng)力聚集而影響管道結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，故相關(guān)標準均規(guī)定此間隙應(yīng)由焊前裝配保證。

雖然“互聯(lián)網(wǎng)+”仍處在初級階段，但這個概念自提出就受到了各大領(lǐng)域和行業(yè)的關(guān)注和探索，尤其是那些傳統(tǒng)的行業(yè)開始嘗試使銷售平臺互聯(lián)網(wǎng)化，努力通過互聯(lián)網(wǎng)提升自身的價值和利益。而對于那些剛剛開始起步的企業(yè)則不需要像傳統(tǒng)企業(yè)一樣轉(zhuǎn)型和升級，這些企業(yè)的項目大多都是直接和互聯(lián)網(wǎng)相連的?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”伊始便得到了國家的重視，它站在了國家高度的戰(zhàn)略層面，政府和相關(guān)部門都盡力推動其發(fā)展，并引導(dǎo)各個企業(yè)了解、認識“互聯(lián)網(wǎng)+”。“互聯(lián)網(wǎng)+”的誕生省去了人力、財力和物力去研究傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展與轉(zhuǎn)型，大量互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)項目的誕生形成了一個新的趨勢，那就是傳統(tǒng)企業(yè)模式的“破”與“立”和“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)的爆發(fā)。

受結(jié)構(gòu)限制，此軸向間隙不便直觀預(yù)置和檢查，須設(shè)計外置卡具或內(nèi)置專用樣板精準定位、均勻定距。此外，當產(chǎn)品規(guī)定進行射線檢測(RT)時，也可借助底片檢查軸向間隙焊后變化情況(見圖3)。

圖3 插套焊試件的RT檢測情況

3.2 焊接方法選擇

插套焊常用焊接方法有焊條電弧焊(SMAW)、手工鎢極氬弧焊(TIG焊)和熔化極氣保焊(GMAW)3種。

相比其他方法，TIG焊適用于d外≤35 mm，e≤3.5 mm(即小口徑薄壁管插套焊結(jié)構(gòu))且對工件表面清潔度要求高(如不銹鋼材料)以及焊接位置復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上，為保證焊縫連接強度，宜采用填絲焊道。此外，還應(yīng)注意保護氣體流量也會對焊接質(zhì)量造成影響，流量過小電弧不穩(wěn)，排除周圍空氣能力弱，易出現(xiàn)氣孔；而流量過大易出現(xiàn)紊流，導(dǎo)致空氣混入而產(chǎn)生氣孔，造成氣體浪費。

3.3 焊腳尺寸優(yōu)化

有文獻研究[4]證明焊腳尺寸的變化能顯著影響插套焊的疲勞性能，尤其是在高周疲勞時性能改善更明顯，試驗結(jié)果表明，當k2(軸向焊腳尺寸)=2k1(徑向焊腳尺寸)時的焊喉尺寸a要比k2=k1時更大，可有效降低焊根處的應(yīng)力集中，增加角焊縫的有效厚度，提高焊根處的疲勞性能[5]。

然而，受結(jié)構(gòu)尺寸、焊接位置、焊道擺動寬度、熔敷金屬填充效果及焊接熱輸入等因素限制，焊后很難保證k2=2k1，實際需采用機械加工和修磨方式來實現(xiàn)，故ASME規(guī)范規(guī)定的k2≥2k1更貼合實際制造情況。

3.4 識別常見缺陷和應(yīng)對措施

3.4.1 未熔合、裂紋及凹坑

此類缺陷常出現(xiàn)在不銹鋼薄壁管插套焊縫的局部打底焊道上。經(jīng)分析，缺陷成因是由于插套焊縫截面形狀存在急劇變化，當采用TIG填絲打底焊時，除起、收弧搭接點外，電弧在其他位置上無法做短暫停留，槍體運擺和回轉(zhuǎn)過程既要保證根部熔透和焊絲填充及時，也要控制電弧穩(wěn)定，焊接操作難度增加，造成焊接過程存在不連續(xù)及不穩(wěn)定性而導(dǎo)致產(chǎn)生未熔合和裂紋缺陷[6-8]，如圖4所示。

圖4 插套焊打底焊道常見缺陷

圖4(a)示出的缺陷主要是電參數(shù)匹配或電弧作用位置不當，造成支管與承管座熔化快慢程度不均所致，可通過調(diào)整焊槍姿態(tài)及電弧作用位置、增加擺幅調(diào)整兩側(cè)母材熔化速度來改善和消除；圖4(b)示出的缺陷是因為焊接熱輸入增加而產(chǎn)生的熱裂紋，即熔池冷卻速度高于熔敷金屬填充速度，導(dǎo)致根部焊道的熔合線形貌曲率變化較大，使焊道根部連接薄弱，受電弧吹力及液態(tài)熔敷金屬表面張力及附近熔池凝固收縮力等綜合影響，沿徑向間隙的末端向上擴展形成開裂情況，當適當增加擺幅、控制焊接速度使根部熔合線形貌曲率變化相對平緩時，則不易產(chǎn)生裂紋。

由于此裂紋具有隱蔽性，受焊接結(jié)構(gòu)、缺陷類型及位置限制，很難在施焊過程及無損檢測中發(fā)現(xiàn)，需通過剖面宏觀金相檢驗確認，尤其是當e≤2 mm時，缺陷產(chǎn)生幾率將會顯著提高，有時還會在支管母材內(nèi)壁(焊縫背面)出現(xiàn)形狀不規(guī)則的凹坑，如圖5所示。試驗發(fā)現(xiàn)，此凹坑是當電弧靠近支管外壁側(cè)停留時間稍長，層、道間溫度高于50 ℃或背氣保護不良時，使支管局部母材過熱熔化或燒損造成的，此現(xiàn)象多見于采用恒流TIG焊的情況[9]。

圖5 支管內(nèi)壁出現(xiàn)凹坑的情況

推薦采用TIG自熔打底焊(見圖6)，施焊前增加背面保護氣，電弧作用位置稍偏向承管座一側(cè)，并壓低電弧使其集中作用于接頭根部，以保證熔透，焊工應(yīng)專注焊槍微擺和勻控焊接速度來控制焊縫成形質(zhì)量；同時嚴格控制打底層熱輸入，防止燒穿支管內(nèi)壁和根部產(chǎn)生熱裂紋，宜分4段施焊；為避免焊接溫度過高產(chǎn)生凹坑，建議待打底層焊道徹底冷卻至室溫后，采用?1.2 mm焊絲施焊面層。經(jīng)試驗驗證，表3的參數(shù)可滿足要求，接頭合格率高且焊縫成形美觀，也可選擇脈沖TIG焊代替恒流TIG焊，效果更佳[10]。

圖6 插套焊合格接頭形貌

表3 e≤2 mm的不銹鋼管插套焊接參數(shù)

3.4.2 咬邊和下垂(俗稱塌陷)

插套焊縫易在面層焊道的焊趾處產(chǎn)生咬邊和焊道中心出現(xiàn)下垂(見圖7)，其成因是受焊接位置、槍擺幅度、電弧吹力、電弧停留時間、液態(tài)熔敷金屬表面張力及重力相互之間影響所致。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當焊絲略高于鎢極作用位置給送，并控制焊槍做小幅擺動來勻填焊道和勻速施焊，可控制熔池形態(tài)舒展平緩、熔池邊緣與母材潤濕飽滿，焊后亦可對其適當修磨拋光，使之與周圍母材圓滑過渡，可有效避免上述缺陷的產(chǎn)生。

圖7 插套焊縫中心下垂和焊趾咬邊示意

3.5 推薦的無損檢測方法

盡管通過相關(guān)標準、規(guī)范限定并結(jié)合焊接工藝評定、焊接技能評定甚至模擬件評定等試驗過程確實可以作為產(chǎn)品質(zhì)量保證手段之一，但除個別核電標準提及此類焊縫應(yīng)執(zhí)行射線檢測外，其他標準、規(guī)范并未明確制定針對焊接過程的無損檢測方法，而實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用手工焊時，人因差異無法避免，產(chǎn)品管插套焊縫的質(zhì)量情況不易直觀顯現(xiàn)，因此對焊接過程檢查應(yīng)有所規(guī)定，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，提供參考建議如下。

(1)就此類接頭的表面無損檢測方式而言，PT比MT更實用，原因是由于角焊縫位置特殊，常規(guī)漏磁檢測受空間限制而存在角焊縫均勻磁化困難的問題[1]，且不適用于不銹鋼材料，故目前業(yè)內(nèi)常采用打底焊后執(zhí)行VT+PT檢測，面層(一般不超過3層)焊后執(zhí)行VT+PT檢測，操作相對簡單、方便[11]。

(2)對于小口徑薄壁支管，焊后可借助內(nèi)窺鏡來觀察支管內(nèi)壁有無凹坑缺陷和軸向間隙b變化情況。

(3)當產(chǎn)品規(guī)定此類接頭需射線檢測時，為保證射線檢測的靈敏度和底片擺放成像，建議先完成插套焊縫并射線檢測合格后，再完成承管座與產(chǎn)品的焊接。另外，還可參考管子管板角焊縫射線檢測方式，嘗試研究采用專用棒樣極X射線管+特制工裝等對其接頭進行檢測的方案[12]。

4 結(jié)論

對相關(guān)插套焊結(jié)構(gòu)應(yīng)用的不同標準和領(lǐng)域展開深入研究，掌握了各自要點和質(zhì)控措施，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量和裝置良好穩(wěn)定運行提供技術(shù)參考，簡要總結(jié)如下。

(1)鑒于插套接頭的特殊性，當首次使用于產(chǎn)品制造時，從長效保證產(chǎn)品使用壽命情況看，建議在焊接工藝評定和焊工技能評定過程附加滿足插套焊設(shè)計特點的接頭模擬試驗。

(2)對非核級產(chǎn)品，建議結(jié)合實際應(yīng)用工況及相關(guān)標準，補充明確插套焊的焊接相關(guān)考核要求，必要時，可增加焊腳尺寸限定、無損檢測和金相檢驗方法。

(3)辨識常見焊接缺陷及分析成因，通過試驗驗證，當焊接e≤2 mm的不銹鋼接頭時，推薦采用手工TIG焊2層，首層采用自熔焊，面層采用?1.2 mm填絲施焊，并應(yīng)注意外觀成形和質(zhì)量，同時增加背面保護氣體等措施，有利于減少接頭缺陷。

(4)不同行業(yè)標準對插套焊縫的應(yīng)用限制條件、術(shù)語名稱、選用規(guī)則差異很大，使用時應(yīng)予以注意。