大型閥門耐腐蝕層的堆焊與加工工藝研究*

左麗娜，杜先鵬，馬玉強，李 睿，張 悅

（1.沈陽東北制藥裝備制造安裝有限公司，沈陽110026；2.南車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲412001；3.沈陽易鑫科技開發(fā)有限公司，沈陽，110027；4.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引 言

閥門是工業(yè)管道中必不可少的控制部件，尤其在大直徑、較遠(yuǎn)距離流體輸送管道中，更是起著至關(guān)重要的作用。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，閥門行業(yè)已成為我國裝備制造業(yè)的重要組成部分之一，對閥門的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝等提出了更高的要求，同時提高產(chǎn)品性能，降低成本也越來越受到關(guān)注[1]。工業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的閥門材料多達(dá)百余種，產(chǎn)品適應(yīng)能力很強。國內(nèi)閥門行業(yè)通過技術(shù)引進(jìn)及自主研發(fā)，制造能力逐步提高[2]。目前，閥門材料的類型多為鑄鐵類、碳鋼類、合金鋼類及特種鋼類等。

在石油化工行業(yè)，通過閥門的流體可能具有一定的腐蝕性，對閥門壽命影響很大，有時流體中還含有固體顆粒，隨著流動沖擊閥門內(nèi)壁而引起嚴(yán)重磨損[3]。因此閥門要具有耐腐蝕、耐磨擦等性能?？刹捎貌讳P鋼等材料制造閥體，但成本很高。特別是對于大型閥門，如果采用碳鋼鑄造閥體，然后在內(nèi)表面增加耐腐蝕層，既可滿足使用要求，又可降低成本[4]。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)閥體通常為鑄造而成，常用材料牌號為ASTM-A216-WCB，簡稱WCB，是一種可在-28.9～413℃長期使用的適合于熔焊的碳素鋼[5]。增加耐腐蝕層可采用多種技術(shù)實現(xiàn)[6-10]，其中堆焊技術(shù)較成熟，廣泛用于耐腐蝕層加工。該技術(shù)需要對閥體內(nèi)部耐腐蝕層的堆焊與加工工藝過程進(jìn)行研究。

1 閥門的結(jié)構(gòu)與三維實體建模

1.1 閥門結(jié)構(gòu)

閘閥是管道中常用的閥門之一，進(jìn)出口直徑達(dá)到500mm時，已屬大型閥門，閥體質(zhì)量已超1 t，加上控制機構(gòu)其質(zhì)量將接近2 t。圖1給出了DN500型閥門結(jié)構(gòu)。

一般情況下，該閥門由氣動機構(gòu)完成開關(guān)動作，但特殊情況時，如停電、氣動系統(tǒng)故障等，只能采用手動機構(gòu)完成開關(guān)動作。在手動機構(gòu)和氣動機構(gòu)中都有連軸與脫軸裝置，防止動作干涉。

閥門的閥體用碳鋼鑄造而成，成本較低，但耐腐蝕性、耐磨性欠佳，需要在與流體接觸的表面堆焊耐腐蝕層。閥芯和端蓋整體都用不銹鋼制造。

圖1 DN500型閥門結(jié)構(gòu)

1.2 閥體的三維實體建模

為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和成本估算，根據(jù)前述閥門結(jié)構(gòu)，采用UG NX 7.5軟件對閥體進(jìn)行三維實體建模，如圖2所示。通過結(jié)構(gòu)分析可知，閥體內(nèi)表面各處都能進(jìn)行手工堆焊操作，不會出現(xiàn)干涉。通過UG軟件的幾何測量功能，可得閥體質(zhì)量約為1.49 t（密度取7.8 kg/m3），內(nèi)部表面積約為3.83 m2，為估算鑄造和堆焊成本提供了參考數(shù)據(jù)。

圖2 閥體的三維實體模型

2 耐腐蝕層堆焊工藝設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，耐腐蝕層與基體間應(yīng)有過渡層，兩層的堆焊厚度都要控制在（3±0.5）mm范圍內(nèi)。

2.1 非配合面的堆焊工藝

閥體內(nèi)表面大部分是非配合表面，故此采用如圖3所示的工藝堆焊耐腐蝕層，并保證厚度即可。在圖3中，第1層為過渡層，采用A312焊條，直流反接，焊接電壓20～25 V，焊接電流140～160 A；第2層為耐腐蝕層，采用A022焊條，直流反接，焊接電壓20～25 V，焊接電流140～160 A。幾何誤差要求為：焊縫邊緣直線度誤差控制在2mm以內(nèi)，堆焊平面度誤差控制在1.5mm以內(nèi)，焊道高度差控制在1.5mm以內(nèi)。

圖3 非配合面堆焊耐腐蝕層

2.2 配合面的堆焊工藝

閥體中部橫向分布4個內(nèi)圓柱面，分別與閥芯和端蓋配合，故此這4個內(nèi)圓柱面為配合表面，必須在耐腐蝕層堆焊后進(jìn)行切削加工，形成加工表面并達(dá)到尺寸精度要求。閥體中部4個內(nèi)圓柱面與閥芯和端蓋的配合尺寸及精度均為 φ360H8（+0.0890）/f7（-0.062-0.119）， 堆焊后內(nèi)圓柱面需要鏜削加工，閥芯及端蓋需要車削加工，計算過程相似，在此以閥體內(nèi)圓柱面為例進(jìn)行說明。圖4給出了配合面耐腐蝕層的堆焊工藝，其中第1和2層與前述非配合面堆焊工藝相同，第3層也是耐腐蝕層，采用A022焊條焊接，焊接參數(shù)同前，堆焊厚度擬定(2±0.5)mm，確切數(shù)值需要進(jìn)一步計算而定，既要保證鏜削加工后能達(dá)到要求尺寸及精度φ360H8（+0.0890），又要保證堆焊厚度要求。

圖4 配合面堆焊耐腐蝕層示意圖

2.3 焊條用量的估算

估算焊條用量進(jìn)而可以估算出堆焊成本。焊條用量應(yīng)根據(jù)堆焊面積和厚度，按式（1）和式（2）計算。

式中：Q—焊條用量，kg；

S堆—待堆焊表面面積，m2；

h1—第1層堆焊厚度，mm；

n0—每千克焊條根數(shù)；

V0—每根焊條有效堆焊體積，mm3。

式中：h2—第2層堆焊厚度，mm；

S加—堆焊后再加工表面面積，m2；

h3—第3層堆焊厚度，mm。

如前述，閥體內(nèi)表面已通過軟件計算得出，即 S堆=3.83 m2， h1=h2=(3±0.5)mm， h3=(2±0.5)mm。需要加工的表面為4個內(nèi)圓柱面，即S加=0.25 m2。

堆焊采用直徑φ4.0mm，長400mm的焊條，每千克約19根，即n0=19。每根焊條焊接后殘留長度按40mm計算，則V0=4 524mm3。

將以上數(shù)據(jù)代入（1）式、（2）式可得焊條估算用量， QA312=(134±22)kg， QA022=(140±23)kg。

3 配合面的加工工藝

3.1 配合面的堆焊與加工過程

閥體中部的4個內(nèi)圓柱面與閥芯和端蓋即有配合要求，又要含有耐腐蝕層，堆焊后要進(jìn)行切削加工得到配合面。故此為了達(dá)到尺寸精度要求，必須設(shè)計配合面的加工工藝，如圖5所示。根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)特點，首先以內(nèi)圓柱面為粗基準(zhǔn)，加工閥體兩端的外圓，得到具有一定精度的加工面（見圖5（a）），然后根據(jù)互為基準(zhǔn)的原則，以兩端外圓柱面為精基準(zhǔn)，加工4個內(nèi)圓柱面，也要達(dá)到一定精度（見圖5（b）），然后按前述堆焊工藝進(jìn)行堆焊，保證焊接質(zhì)量（見圖5（c）），最后再以兩端外圓柱面為精基準(zhǔn)，加工4個已堆焊的內(nèi)圓柱面，達(dá)到配合面的尺寸精度要求（見圖5（d））。

由圖5（b）和圖5（d）不難看出， 既要保證配合尺寸D3的精度，又要保證耐腐蝕層的厚度h，就必須計算尺寸D1。否則，可能出現(xiàn)D1過小，導(dǎo)致堆焊的耐腐蝕層全被切掉后才能達(dá)到D3的精度；還可能出現(xiàn)D1過大，必須增大耐腐蝕層厚度，才能達(dá)到D3的精度，從而影響耐腐蝕層與基體材料的連接強度。

圖5 配合面的加工工藝

圖6 加工工藝尺寸鏈

3.2 加工工藝尺寸鏈的計算

根據(jù)配合面加工工藝的設(shè)計與分析可知，尺寸D1，D3與厚度h組成工藝尺寸鏈，如圖6（a）所示。為了方便計算，采用半徑尺寸，如圖6（b）所示?？梢?，從而

加工工藝是先按尺寸D1加工底孔，再堆焊耐腐蝕層，然后再按尺寸D3加工達(dá)到配合精度要求。不難理解，耐腐蝕層厚度h是間接得到的，故此h在尺寸鏈中是封閉環(huán)，進(jìn)而可知在圖6（b）中 R1為增環(huán)， R3為減環(huán)。

加工工藝尺寸鏈的基本計算公式為

式中：A0—封閉環(huán)的基本尺寸；

Ai—增環(huán)的基本尺寸；

Aj—減環(huán)的基本尺寸；

m—增環(huán)數(shù)；

n—減環(huán)數(shù)。

式中：ES0—封閉環(huán)的上偏差；

ESi—增環(huán)的上偏差；

EIj—減環(huán)的下偏差。

式中：EI0—封閉環(huán)的下偏差；

EIi—增環(huán)的下偏差；

ESj—減環(huán)的上偏差。

在此已知封閉環(huán)和減環(huán)，計算增環(huán)的基本尺寸及上下偏差，由（3）式可知，h=R1-R3，從而可得R1=R3+h=180+6=186mm。 由（4）式可知，ESh=ESR1-EIR3，從而可得 ESR1=EIR3+ESh=0+1=1mm。 由（5）式可知，EIh=EIR1-ESR3，從而可得到 EIR1=ESR3+EIh=+0.044 5+（-1）=-0.955 5mm。

3.3 堆焊層鏜削加工工藝

內(nèi)圓柱面經(jīng)堆焊后為焊接表面，要達(dá)到配合要求，至少應(yīng)進(jìn)行粗鏜和精鏜2道工序。粗鏜要將焊接表面全部切除，呈現(xiàn)加工表面，然后精鏜，達(dá)到配合尺寸精度及表面粗糙度要求。根據(jù)堆焊表面平面度誤差在1.5mm以內(nèi)，焊道高度差在1.5mm以內(nèi)的要求，粗鏜的單邊加工余量應(yīng)在1.5～2mm，而精鏜的單邊加工余量應(yīng)在0.3～0.5mm，以保證正常切削，有切屑產(chǎn)生。故此堆焊層至少應(yīng)比計算值hj厚1.8mm，從而配合表面的第2和3層堆焊厚度應(yīng)適當(dāng)增加，都選在（3.5±0.5）mm，則總的堆焊厚度為h=h1+h2+h3=（10±1.5）mm。 根據(jù)（2）式再次計算 A022 焊條用量， 得 QA022=（166±23） kg。

4 堆焊與加工

根據(jù)前述工藝進(jìn)行DN500閥門的堆焊與加工，圖7為堆焊現(xiàn)場照片。過渡層A312焊條與耐腐蝕層A022焊條的實際用量分別為145 kg與178 kg，在估算量范圍內(nèi)。精鏜后檢測，達(dá)到了配合尺寸精度。

圖7 堆焊現(xiàn)場照片

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)設(shè)計要求，在對DN500型閥門結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過三維實體建模與軟件分析，得出閥體的質(zhì)量約為1.49 t、內(nèi)表面積約為3.83 m2，這為估算閥體鑄造和堆焊成本提供了參考數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)閥體材料和耐腐蝕要求，設(shè)計了耐腐蝕層的堆焊工藝，并估算出過渡層焊條用量為（134±22） kg，耐腐蝕層焊條用量為（166±23）kg，實際用量分別為145 kg和178 kg，在估算量范圍內(nèi)，說明通過三維建模計算復(fù)雜曲面面積，進(jìn)而根據(jù)堆焊厚度，估算焊條用量的方法是可行的，對堆焊成本估算具有工程實際意義。

（3）根據(jù)配合要求，設(shè)計了配合面的堆焊與加工工藝，進(jìn)行了工藝尺寸鏈的計算，設(shè)計了粗鏜與精鏜工序，既保證了配合面的尺寸精度，又保證了耐腐蝕層的厚度。

（4）通過成本估算，采用普通鑄鋼并堆焊耐腐蝕層的方法制造的閥體，比全不銹鋼制造的閥體，成本可降低30%以上。

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