袁曉東 賈小偉 李亞兵 劉曉華 左超 王嵩 呂照朋

摘要：球墨鑄鐵自錨管具有抗拔脫、可撓性和可伸縮性等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域和場景不斷擴(kuò)大，但因自錨管接口型式的特殊性，使其焊接自錨環(huán)缺乏規(guī)范和有效的焊接工藝和可靠性評定方法。本文自主設(shè)計(jì)了用于自錨管焊環(huán)焊接可靠性評定的試驗(yàn)方法和裝置，并對DN1600規(guī)格Xanchor型自錨管焊環(huán)的焊接可靠性進(jìn)行了評定，解決了自錨管焊環(huán)可靠性評定無參考標(biāo)準(zhǔn)、無法進(jìn)行評定的問題。

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；自錨管；焊接性；工藝評定

0 引言

球墨鑄鐵管具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，其金相組織為鐵素體和少量珠光體基體上分布有一定數(shù)量的球狀石墨，與石墨呈片狀分布的灰鑄鐵相比，球狀分布的石墨減少了對基體組織的割裂和破壞，使得球磨鑄鐵具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能

（抗拉強(qiáng)度≥420/Mpa、延伸率≥7%）和耐腐蝕性。

球墨鑄鐵管管線普遍采用滑入式接口，歸類于柔性接口，該接口的特點(diǎn)是允許軸向的伸縮與徑向的偏轉(zhuǎn)，使得在埋地管線上應(yīng)用效果比剛性接口更佳?；胧浇涌诓⒎峭昝罒o缺，如管線的彎頭處，因水流方向改變而產(chǎn)生的水力推力；其次，如管線的地基沉降量過大，滑入式接口有滑脫的風(fēng)險(xiǎn)。自錨式接口完美的解決了這一工程難題，以其良好的防拔脫性、可撓性、可伸縮性和易安裝性等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到各種復(fù)雜地形、非開挖施工等水利市政給排水工程［1］。

球墨鑄鐵自錨管采用離心鑄造方式進(jìn)行生產(chǎn)，工藝特性決定了插口處用于自錨接口的卡環(huán)只能采用焊接方式成型，由于球墨鑄鐵自錨管接口受力的復(fù)雜性，以及球墨鑄鐵基體的難焊接性，目前國內(nèi)外缺乏相關(guān)的球墨鑄鐵管焊環(huán)結(jié)構(gòu)的焊接可靠性評價(jià)試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)［2］。

1 自錨接口的原理及特性

1.1 工作原理

球墨鑄鐵自錨管最常用接口型式包括：TF型外自錨式接口和Xanchor型、SIA Wb型等內(nèi)自錨結(jié)構(gòu)，內(nèi)自錨較外自錨具有適應(yīng)性強(qiáng)、易安裝等特點(diǎn)，近年來逐漸取代外自錨接口成為主流自錨式接口。自錨接口的型式各異，但工作原理基本相同，都是通過插口的自錨管焊環(huán)提供軸向的受力。下面以Xanchor型自錨接口介紹內(nèi)自錨焊環(huán)的受力特點(diǎn)：

Xanchor型自錨接口屬于內(nèi)自錨式接口，接口將承口內(nèi)設(shè)計(jì)成雙腔結(jié)構(gòu)，一腔設(shè)置自錨裝置、另一腔設(shè)置膠圈；接口處設(shè)計(jì)機(jī)械自錨裝置，當(dāng)插口向外滑脫到規(guī)定距離時(shí)，承插口鎖定實(shí)現(xiàn)防滑脫作用；同時(shí)，內(nèi)腔設(shè)置膠圈以保持密封作用。Xanchor型自錨接口具有以下功能：

①具有一定的軸向位移，當(dāng)接口滑脫至最大位移處，自錨開始作用，防止接口滑脫；

②具有一定的偏轉(zhuǎn)能力，用以適應(yīng)地基沉降特別是可以消除沉降時(shí)所產(chǎn)生的大部分彎曲應(yīng)力；

③與普通滑入式接口一樣，保持接口密封；

④具有巨大的抗滑脫力。

1.2 防滑脫力要求

國際標(biāo)準(zhǔn)IS0 10804《球墨鑄鐵管管線用約束性接口系統(tǒng)-設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和型式試驗(yàn)》規(guī)定了球墨鑄鐵自錨式接口的設(shè)計(jì)原則和型式試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)要求自錨接口的防滑脫力PFR應(yīng)不低于（PFA ×π（DE/2）2 /1000），且生產(chǎn)商應(yīng)提供權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒證下按照IS010804的要求進(jìn)行的的全尺寸型式試驗(yàn)報(bào)告。

IS0 10804標(biāo)準(zhǔn)雖然規(guī)定了自錨管整體性試驗(yàn)方法，但是無法對焊接可靠性進(jìn)行評定，且整體性型式試驗(yàn)的供需復(fù)雜、周期長、費(fèi)用高。生產(chǎn)實(shí)踐中仍然缺乏規(guī)范的、定量的自錨焊環(huán)可靠性評定方法，無法指導(dǎo)焊接工藝改進(jìn)和優(yōu)化。

注：PFR-自錨式接口允許防滑脫力，kN；PFA-自錨式接口允許工作壓力，MPa；DE-插口外徑，mm。

2 自錨管焊接工藝

2.1 球墨鑄鐵及其焊接性

球磨鑄鐵由于其較高的碳當(dāng)量以及球化元素的加入，焊接性較差［3］，主要包括以下三個(gè)方面：①球墨鑄鐵常用鎂來作為球化劑，但鎂是阻礙石墨化的元素，焊接時(shí)白口現(xiàn)象比較嚴(yán)重；②球墨鑄鐵焊接時(shí)，熱影響區(qū)如冷卻速度太快，其中奧氏體會轉(zhuǎn)變成馬氏體，即形成淬火組織，其硬度可高達(dá)620HBS～700HBS，影響基體組織和性能［4］；③焊縫組織性能與基材匹配困難，由于球墨鑄鐵擁有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性，在熔化焊條件下，較難實(shí)現(xiàn)與母材組織、性能相匹配的焊接接頭。

2.2 自錨管焊環(huán)焊接工藝

為獲得與球墨鑄鐵管管材相匹配的自錨焊環(huán)，通常采用價(jià)格昂貴的鎳基合金焊材進(jìn)行焊接，如含Ni量55%的奧氏體焊絲或Z408焊條，采用余熱環(huán)冷+多層多道焊的方式進(jìn)行焊接，可有效解決球墨鑄鐵管焊接白口和淬硬組織的出現(xiàn)，以及焊接裂紋的產(chǎn)生［5］。其焊接后自錨焊環(huán)的金相組織如圖2所示：

3 可靠性評定方法及試驗(yàn)裝置

3.1 自錨焊環(huán)受力分析

根據(jù)球墨鑄鐵自錨管接口型式對焊環(huán)的受力進(jìn)行了分析，如圖3所示。當(dāng)球墨鑄鐵自錨管受到軸向的拔脫力F時(shí)，承口通過擋塊作用于焊環(huán)，焊環(huán)的受力以擋塊軸向的壓力為主，焊環(huán)受力面的根部會產(chǎn)生一個(gè)扭矩，呈現(xiàn)多向應(yīng)力狀態(tài)；同時(shí)，焊縫受力面的根部焊接熱影響區(qū)性能薄弱并且存在應(yīng)力集中，極易優(yōu)先破壞失效，如何有效評定自錨管焊環(huán)的可靠性顯得至關(guān)重要［4］。

3.2 試驗(yàn)方法和裝置

為有效評定自錨管焊環(huán)的焊接可靠性，綜合考慮了焊環(huán)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、應(yīng)力集中和熱影響區(qū)的組織特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖4的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)時(shí)，切取自錨管圓周方向上10 mm寬（B）、250 mm長（L）樣條進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示。因?yàn)楹缚p在圓周方向上受力時(shí)均勻的，只要試驗(yàn)圓周上單位長度焊縫的承載力即可表征整個(gè)管子焊縫總承載力。

試驗(yàn)方法和步驟：

（1）實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)：根據(jù)試驗(yàn)試驗(yàn)球墨鑄鐵管的壁厚和環(huán)形焊環(huán)尺寸，設(shè)計(jì)和制作拉伸試驗(yàn)用的試驗(yàn)裝置，如圖4所示。

（2）試樣準(zhǔn)備：制取拉伸試驗(yàn)用的試樣，詳見圖5，試樣表面光潔無鑄造和加工缺陷。

（3）進(jìn)行試驗(yàn)：測量試樣尺寸并記錄、輸入到電腦，將加工好的試樣置于夾具的卡槽內(nèi)，試樣和夾具的另一端分別加持在拉伸試驗(yàn)機(jī)的兩端，進(jìn)行試樣拉伸。

（4）數(shù)據(jù)分析：拉伸斷裂后，分析斷裂部位，記錄最大拉力等數(shù)據(jù)，計(jì)算出單位長度焊縫的承載力。

（5）性能評價(jià)：根據(jù)單位長度焊縫的受力計(jì)算出整個(gè)周長上焊縫的抗拉力，然后和接口所要承受的軸向拉力做對比，評價(jià)是否符合設(shè)計(jì)要求。（接口所受軸向拉力=π×（DE/2）2×P壓力）。

3.3 DN1600自錨管焊環(huán)可靠性評定

采用上述方法對輸水用DN1600 Xanchor型球墨鑄鐵自錨管插口端的環(huán)形堆焊焊環(huán)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，評定其堆焊焊接工藝可靠性。球墨鑄鐵管結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其規(guī)格尺寸、使用要求詳見表1。

按照前面所述取樣方法進(jìn)行取樣，試樣寬度B為10 mm、長250 mm，采用圖4所示實(shí)驗(yàn)裝置和3.2所屬試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果及其性能分析如表2所示。

4 結(jié)論

本自錨管焊接工藝評定方法綜合考慮了焊接結(jié)構(gòu)、應(yīng)力集中、熱影響區(qū)組織性能等對承載的影響，同時(shí)，拉伸試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，保證了焊縫受力和實(shí)際使用時(shí)焊縫力一致，能通過小樣試驗(yàn)出的單位長度焊縫承載力去反映整個(gè)管子焊縫的承載力，可以快速的對焊環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評定，對自錨管焊接工藝改進(jìn)優(yōu)化具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張南，趙志誠，李華成. 球墨鑄鐵管自錨式接口的技術(shù)應(yīng)用［J］. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2019（6）：93-95，98.

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［3］ 王建偉，顧根紅. 淺談球墨鑄鐵的焊接工藝［J］. 大科技，2012（12）：319-320.

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