影響閥門高溫上閥蓋焊接質量的研究和分析

劉 蘭，謝遠奉，段大軍，尚洪寶

（重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

石化建設工程涉及的生產裝置大都處于高溫高壓、易燃易爆的復雜工況中，對于目前大量應用的鉻鉬鋼Cr5Mo和15CrMo而言，由于含有Cr、Mo等碳化物形成元素，從而使接頭過熱區具有不同程度的再熱裂紋敏感性。因此，即使在出廠時焊縫探傷檢測和閥門強壓測試中（常溫檢驗）均合格，未發現裂紋和外漏情況下，并不能說明焊縫的內部力學性能達到要求。某石化現場運行僅半年的閥門上閥蓋中部焊接處出現介質外漏，見圖1?，F場介質為360℃的循環油，介質壓力2.6MPa，上閥蓋材質為Cr5Mo，蓋與填料焊縫位置泄漏，屬焊接缺陷。在無損檢測和強壓試驗都合格的情況下，依然出現使用性能不合格，將從以下幾方面進行分析。

1 焊接缺陷出現的原因

1.1 焊接工藝

圖1 某石化現場閥門上閥蓋焊接處介質外漏照片Fig.1 Photo of the media leakage at the valve cover welding on a petrochemical site valve

表1 預熱溫度Table 1 Warm-up temperature

使用性能的合格首先是以焊接工藝作為技術支持的。因此，在實際焊接過程中焊接人員嚴格執行焊接工藝顯得尤為重要。根據SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》7.2.4規定鉻鉬合金鋼采用熱加工方法時，坡口表面應100%進行無損檢測。如果未進行100%無損檢測直接進行焊接施工，會將母材原始缺陷或坡口加工過程中產生的缺陷遺留在焊縫中。此外，預熱、焊后消氫不到位對1Cr5Mo鋼的冷裂紋控制不利。焊接Cr-Mo鋼時，工程上采用預熱，焊后消氫以及消除應力熱處理來防止冷裂紋的產生[1]。

1）預熱是最重要的手段，不僅對減少殘余應力和限制擴散氫具有一定作用，而且通過控制熔池冷卻速度和焊接線能量的穩定獲得適宜的焊接熱循環，從而達到防止冷裂紋和再熱裂紋、控制組織以達到滿意的性能。此外根據GB50236-2011《現場工業設備、管道焊接工程施工規范》7.3.7條明確規定：管子焊接時，管內應防止穿堂風，焊口兩端需要封堵，不讓管內流動的空氣形成穿堂風，防止根部焊接接頭冷卻速度加快，易形成硬化組。根據SH3520-201規范《石油化工鉻鉬鋼焊接規程》，焊前預熱宜采用電加熱方式進行，預熱溫度宜在距對口中心50mm～100mm范圍內進行測量，最低預熱溫度符合表1的規定，而且預熱溫度有熱電偶控制。

2）焊后消氫處理可以消除金屬中產生氫脆、增大裂紋傾向的“擴散氫”，氫致裂紋產生溫度在-100℃～100℃之間，故消氫溫度不應低于200℃；SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》消氫處理溫度定為 300℃～350℃，氫的擴散速度與溫度有關，并需要一定時間。因此，消氫處理必須按照規定的溫度時間才能有效果，而且氫致裂紋不會立即出現，具有潛伏期，所以焊后消氫處理必須在冷裂紋尚在潛伏期未開裂前實施，盡量在焊后立即處理[2]。

3）焊后熱處理的作用是消除焊接殘余應力，改善組織、除氫。其效果依賴于加熱速率、加熱溫度、保溫時間及冷卻方式，SH3520-2015《石油化工鉻鉬鋼焊接規范》第10節對不同鉻含量的鉻鉬鋼焊后熱處理加熱溫度、升溫速度和保溫時間做了具體規定，實際操作中應嚴格控制升溫、恒溫及降溫過程，焊口下方應設置熱電偶。上述焊接缺陷一個原因就是在上閥蓋焊接后所進行的“去應力熱處理”過程中，未嚴格遵循工藝要求，導致接頭高溫綜合性能（蠕變強度、抗回火脆性等）未達到產品技術條件要求，焊接應力未完全釋放，存在應力殘留，在閥門實際使用過程中，由于介質高溫及壓力的作用，焊接應力逐步釋放，進而導致焊縫擴展，出現外漏[3]。

焊接作業人員未嚴格按照焊接工藝執行是焊接缺陷產生的重要原因之一。

1.2 焊接接頭的坡口形式

在焊接接頭內，由于某一構件的焊接而造成的收縮變形常常受到周圍構件的拘束。因此，在焊接區產生拘束應力σw，由干焊接變形受限制而產生的焊接應力與拘束度Rf的關系為σw=mRf，式中，m為拘束系數，它除了與材料的物理性能即：熱膨脹系數、熔點、比熱有關外，還與對接接頭的坡口角度有關。顯然，同樣的材料、同樣的板厚，由于焊接接頭的坡口形式不同，即使是同樣的拘束度，其拘束應力也會不同（主要是大小和方向）[4]。

通過對上述出現質量問題焊接式上閥蓋產品進行切割并腐蝕后發現（圖2），加工坡口為Y型，且鈍邊厚度太大，中間沒預留間隙，導致焊接時根部未融合，人為地制造了一個裂紋擴展方向，在產品使用過程中受到高溫高壓時極易沿著鈍邊縫隙繼續擴展是出現焊縫失效的主要原因。

由此可以從焊接坡口設計上著手對其進行改進，降低人為因素導致焊縫失效。

2 焊接坡口設計形式

各標準對接焊中坡口型式推薦如下：

圖2 切割腐蝕后的示意圖Fig.2 A diagram of the corrosion after cutting

圖3 ASME IX QW-469.1 [5] 有墊板對接接頭Fig.3 ASME IX QW-469.1 [5] with pad butt joint

圖4 ASME IX QW-469.2 無墊板對接接頭Fig.4 ASME IX QW-469.2 padless pad butt joint

圖5 NB/T47015-2011 [6] 坡口形式與尺寸（僅能單面施焊）Fig.5 NB/T47015-2011 [6] groove form and size(only one side welding)

由ASME IX和NB/T47015-2011對焊接坡口設計的要求可以看出，在對接焊過程中都會在兩零部件中間預留間隙，其大小根據需要進行取舍。

圖6 某公司坡口設計簡圖Fig.6 A brief picture of a company's slope design

圖7 對比實驗坡口設計簡圖Fig.7 A sketch of the design of the experimental bevel

圖6 為某公司現在大部分焊接式上閥蓋坡口設計簡圖，從圖中可以看出當填料函和蓋在定位工裝上對接后完全貼合，而在焊接中，因為焊條端部為φ2.5～φ4.0的圓頭，在焊接圖6中的銳角接頭時根部不能完全融合（如果電流開過大，會引起焊條過熱藥皮掉落失效，且嚴重影響焊縫組織性能，不符合焊接工藝要求），在焊趾及根部將出現高應力集中區（從后面的拉伸試驗斷口形貌可看出，見4.1節）[7]。

通過上述分析結果，現將坡口簡要改為預留間隙的形式進行實驗對比分析（見圖7）。

3 焊縫宏觀目視對比

目前某閥門公司在設計時沒有預留中間間隙值，導致在焊接過程中焊縫根部不能完全融合（正確的焊接工藝參數情況下），本實驗使用材質為F11，以高溫焊接式上閥蓋管狀形式進行，嚴格按照NB/T47014-2011承壓設備焊接工藝評定執行，具體情況如圖8。

從圖8中可以看出，001號在留有3mm間隙值后焊縫根部完全熔透；而002號試樣在焊縫根部均出現未焊透的情況。

通過圖9、圖10可簡要說明兩種形式坡口受力情況。

在002號（未留間隙）試樣中焊接應力主要方向為垂直焊縫向上，在受外力作用下會優先向焊縫處斷裂導致焊縫失效（見圖10）。

圖8 001號（留間隙3mm）和002（無間隙）號試樣宏觀目視圖Fig.8 001 (3mm left gap) and 002 (no gap) sample macro-view

圖9 焊縫酸洗過后形貌圖及受應力方向趨勢Fig.9 Profile and stress direction trends after solder pickling

表2 拉伸試驗對比Table 2 Stretch test comparison

在001號（留間隙）試樣中焊接應力主要方向為水平方向，在受外力作用下如果產生裂紋會優先向母材處延伸，因母材性能優于焊縫，所以承受裂紋擴展力更強而不容易產生裂紋。

4 001號和002號試樣力學性能對比實驗分析

4.1 拉伸試驗對比

從圖11中可以看出001號（有間隙）2個試樣均為母材端斷裂且斷口較平整，而002號（無間隙）2個試樣均為焊縫熔池根部處斷裂且斷口形貌復雜，說明受力方向較為復雜，同時抗拉強度較001號試樣偏低（見表2）。

圖10 實際產品出現的裂紋Fig.10 Cracks in actual products

圖11 拉伸試驗對比Fig.11 Stretch test comparison

圖12 彎曲試驗對比Fig.12 Bending test comparison

4.2 彎曲試驗對比

從圖12中可以看出：001號3個試樣完全彎曲過后都未出現裂紋，效果良好；002號3個試樣在彎曲力Fm=10（KN）左右時就幾乎完全斷裂（001號3個試樣完全彎曲后的峰值力約為23KN），且002號幾個試樣斷裂位置均為之前所看到焊縫根部未熔透處。

根據前面的實驗分析得出：在做焊接工藝評定時，操作者刻意對V型坡口（未留間隙）樣件在焊接工藝允許范圍內加大電流焊接，結果還是導致焊縫根部未焊透。在各項實驗中均有明顯的效果對比。

圖13 改進的坡口結構圖Fig.13 Improved bevel structure diagram

通過實驗對比及ASME IX和NB/T47015-2011等標準推薦，結合焊接式上閥蓋手工電弧對接焊工藝，應在對接焊縫中間預留2.5mm～3.5mm間隙保證焊接質量（節點設計簡圖如圖13所示）。其中，在焊縫焊接時并不是焊得越多就越好（焊得越多，會增加熱輸入對焊縫組織的負影響）。因此，對于厚壁零件在增加了2.5mm～3.5mm間隙后，為了減少焊接量應適當將角度A減小。

5 結語

通過對閥門鉻鉬鋼材質焊接式高溫上閥蓋在高溫高壓石化現場易出現的焊接質量缺陷的原因和預防改進措施做了深入分析探討，相關單位必須對焊接工作制定好預防措施，嚴格按規矩辦事，依據現有的焊接施工規范進一步強化鉻鉬鋼焊接工藝，提高焊接質量，加強操作人員生產規范及質量管控意識，從根本上避免安全問題和質量問題。