使管道加長(zhǎng)的堆焊工藝

孟大潤(rùn)

（江蘇省特檢院常熟分院，江蘇 常熟 215500）

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。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(zhǎng)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。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)葉片等的工藝中。

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(lái)越多的焊接方法被用于堆焊工藝。傳統(tǒng)的的堆焊方法有：手工電弧焊（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)及氬弧焊(TIG)等。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外制造業(yè)的推動(dòng)下，不斷有新的堆焊技術(shù)出現(xiàn)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。在管道的制造或在役維修過(guò)程中，堆焊也是不可或缺的一種焊接工藝。筆者結(jié)合材質(zhì)為SA-106B的無(wú)縫管預(yù)制造過(guò)程中采用堆焊返修的案例，探討了堆焊工藝在管道維修過(guò)程中的特殊應(yīng)用以及相應(yīng)的工藝要求。

一、應(yīng)用案例

在某石化項(xiàng)目無(wú)縫管道現(xiàn)場(chǎng)制作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分管段長(zhǎng)度不符合圖紙要求。具體情況為：無(wú)縫鋼管材質(zhì)為SA-106B，規(guī)格為φ355.6mm×9.53mm、φ457mm×9.53mm、φ609.6mm×9.53mm的三段管段，實(shí)際長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)堆焊的方法延長(zhǎng)管子長(zhǎng)度。

二、返修工藝確定和返修過(guò)程

1.焊接方法的選擇

根據(jù)定義，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。其中，按照美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWS的分類，堆焊又可以根據(jù)其焊接目的的不同而分為以下幾種：?jiǎn)螢樵龃蠡蚧謴?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稱為Buttering。

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、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、工裝、焊工技術(shù)水平能否滿足要求；（3）低的綜合成本。在該項(xiàng)目中，由于要在無(wú)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，選擇SMAW方法，采用較大直徑焊條（φ3.2mm），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)在于可用于精確焊接和焊縫質(zhì)量比較高。

2.堆焊返修工藝確定

根據(jù)美國(guó)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） 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(wú)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)所有返修部位重新做熱處理或者應(yīng)力釋放；（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應(yīng)通過(guò)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范的評(píng)定。

根據(jù)A530/A530M-04和相關(guān)材料（SA-106B） 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在管道返修前首先編制了返修工藝，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中評(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；（4） 每個(gè)堆焊層進(jìn)行100%PT（性能試驗(yàn)） 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，在征得客戶同意的情況下，取消了返修后現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)的步驟。

3.返修過(guò)程和檢驗(yàn)

按照返修工藝規(guī)定步驟，在焊接前首先對(duì)SA-106B管段距端口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（φ3.2mm），由經(jīng)過(guò)ASME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)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。為保證堆焊焊接質(zhì)量，在每層堆焊后進(jìn)行100%PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面缺陷，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(méi)有缺陷再堆焊下一層。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1h。

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，去除多余長(zhǎng)度的堆焊金屬，加工出符合要求的坡口。整個(gè)返修過(guò)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(zhǎng)度、延伸段的直徑、圓度和管壁厚度，管端坡口外觀以及滲透檢測(cè)結(jié)果都符合技術(shù)協(xié)議和相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)SA-106B的要求，說(shuō)明通過(guò)堆焊方法延長(zhǎng)管段長(zhǎng)度的效果令人滿意。

三、結(jié)論

管道失效需要維修，主要可以分為以下幾種情況：腐蝕或機(jī)械損傷造成的管道外部金屬破損；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損壞的各種不同情況（包括長(zhǎng)度和直徑）。堆焊工藝廣泛應(yīng)用于管道的制作、安裝和維修過(guò)程。其中最為常見和簡(jiǎn)單的就是表面修補(bǔ)。如果管道表面由于機(jī)械損傷或因咬邊、腐蝕坑、裂紋等缺陷打磨形成凹坑，深度超過(guò)管壁名義厚度的12.5%，需要用堆焊的方式補(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(guò)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(zhǎng)或恢復(fù)管道尺寸。管道因?yàn)楦g、磨損、機(jī)械損傷或制作誤差超出允許裕度，導(dǎo)致長(zhǎng)度或厚度不足，需要通過(guò)堆焊的方法修補(bǔ)。如果是管道局部或整體厚度不足，可在管子表面采取寬帶極堆焊的方式增加堆焊層。

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