全焊接球閥封閉焊縫質量的控制措施*

王鵬飛，胡進鑫，郝宏達，馬曉棟，顧振軍，王軍剛，蔣亞琴

(蘭州高壓閥門有限公司,甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

全焊接球閥是長輸管線的主要控制設備，近年來隨著天然氣管網的大力發展，國家國產化的進程，越來越多的主干線切斷閥采用國內自主研發大口徑全焊接球閥。該閥主要安裝在野外，使用工況條件非常惡劣，要求必須達到30年以上的使用壽命，同時全焊接球閥焊接是最后一道工序，因為閥門腔體內有非金屬密封件，塑料類及橡膠類非金屬密封件不耐高溫，所以無法進行焊后熱處理。筆者主要從全焊接球閥閥體的焊縫結構、焊接工藝及評定、焊接應力的消除和測試、HIC和SSC試驗、焊后免熱處理方法評定等方面提出全焊接球閥焊縫質量的控制措施。

通過對全焊接球閥的焊接關鍵技術進行突破，解決了全焊接球閥生產過程中免熱處理的技術難題，對全焊接球閥國產化推動具有重大的發展意義。

1 焊縫結構

閥體、左體焊接坡口形式，都采用U形坡口如圖1所示。底部為90°夾角，底部圓角為R5；閥體與左體之間根據不同材質、不同的口徑、不同的壓力等級取不同的收縮間隙δ，焊接完成時兩體之間的收縮間隙δ為1 mm。

圖1 焊接坡口 圖2 環形裝配隙縫有限元應力分析

由于全焊接球閥閥體裝配對準和定位要求，在焊縫根部存在一條環形裝配隙縫，主閥體與左、右體之間設計收縮間隙δ，焊接后δ有1 mm的間隙，在焊接過程中，此收縮間隙能降低焊接過程產生的應力，減少焊縫根部的殘余應力。兩個R5圓角過渡使應力分布均勻，能避免焊縫根部應力集中。設計的U型焊口，能減少焊接線能量的輸入。從有限元應力分析也可以證實此焊接坡口的設計能減少焊接應力如圖2所示。

2 焊接工藝及評定

全焊接球閥采用埋弧焊(SAW)的焊接方法來形成的封閉焊縫，大口徑全焊接球閥，坡口深度可達到100 mm以上，遠遠超過標準不進行熱處理的厚度，為了有力保證焊縫的可靠性，焊接工藝嚴格按美國ASME規范 Ⅸ卷、NB/T 47014焊接工藝評定標準的要求進行評定。焊絲主要作為填充金屬向焊縫添加合金元素,其化學成分和物理性能不僅影響焊接過程中的穩定性、焊接接頭性能和質量,同時還影響著焊接生產率。選用大西洋焊絲制品有限公司的CHW-SG焊絲，我們通過對直徑為φ2.5和φ1.6的焊絲做過焊接工藝評定后最終選擇了直徑為φ1.6的焊絲，焊絲直徑小所需要的電流就小，小電流產生的熱量就少，從而焊接應力就會很小，在焊接完第一道焊縫經測量徑向變形在0.03～0.05之間，無軸向變形。

焊劑在焊接過程中起隔離空氣、保護焊縫金屬不受空氣侵害和參與熔池金屬冶金反應的作用。焊劑直接影響焊縫金屬的力學性能(特別是塑性及低溫韌性) 、抗裂性能、焊接缺陷發生率及焊接生產率等。通過對比，根據所選用焊絲CHW-SG我們同樣選擇了配套的大西洋公司的CHF 102A焊劑顆粒度為60～10目(0.24～1.6 mm)。

根據焊接工藝指導書，焊接電流選用為：300～320 A。電壓控制在28～32 V，焊接速度根據焊接電流和焊接電壓、焊絲直徑，確定為：270～310 mm/min。在焊接過程中通過對中腔注入防銹水，不但有效地控制了焊接溫度的上升，而且提高了焊接效率，最終施焊層間溫度控制在50～80 ℃之間。

3 焊接應力消除和測定

選用內徑300 mm，壁厚60 mm，長350 mm的與全焊接球閥閥體同材質的圓筒2段，按照坡口形式加工，上述工藝進行焊接。通常情況下，對于厚度大于38 mm的焊接接頭，都應該進行焊后熱處理的方法消除焊接殘余應力。但由于全焊接球閥的特殊性，不能進行焊后熱處理。因此需要通過其他方法進行消除殘余應力，如自然時效、熱時效、振動時效等等。綜合考慮來看，采用豪克能振動消除應力是最徹底消除焊接應力的方法，它不僅使殘余應力的消除率達到80～100%，而且還能產生理想的壓應力，這對焊接構件的抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能有很大益處。

為了檢測應力，通過盲孔法(直徑1.5 mm，孔深2 mm)，對應力消除前和應力消除后的殘余應力進行了測定，選用專用的應變花按0°、45°、90°方向分布，應變片敏感柵的中心距孔中心為2.65 mm，應變片絲柵內徑為2.5 mm，使用殘余應力測試儀HK20B進行應力測試，焊縫焊道中心殘余應力平均消率除達到了98%，焊縫焊道殘余應力平均消率除達到了95%以上，焊縫熱影響區殘余應力平均消率除達到了100%。達到應力消除的效果。

4 HIC和SSC試驗

在上述焊接接頭試樣上，按NACE TM0284-2011標準要求，在母材和焊縫處分別取樣，編號為1、2、3，試塊如圖3所示，試樣依次用三氣甲烷和丙酮清洗后，浸入5.0%氯化鈉(質量分數)+0.50%冰醋酸(質量分數)+硫化氫(飽和)，試驗溶液出AR級試劑及蒸餾水配制，96 h后，各試塊檢測面均未發現HIC裂紋。

圖3 HIC試塊加工圖

按IS0 7539-2：1989標準要求，在母材和焊縫處分別取樣，編號4、5、6，試塊如圖4所示，試樣依次用三氣甲烷和丙酮清洗后進行試驗。按NACE TM0177-2005 A溶液720 h后，IS07539-2：1989四點彎曲試樣進行試驗。3試件在不小于224 MPa的張應力下，試件受檢面用10倍顯微鏡檢查，均未發現SSC裂紋。

圖4 SSC試塊加工圖

5 焊后免熱處理方法評定

經過豪克能振動消除應力后，確保焊接接頭的韌性和塑性指標，采用有效的評定準則保證焊縫的可靠性和安全性。

大量研究表明，“裂紋尖端張開位移值”(Crack Tip opening Displacement，CTOD)斷裂韌度是評價鋼材及焊接接頭抗脆斷的重要參量，它能準確地評估焊接接頭的韌性。API1104《管道與相關設施的焊接》標準附錄A的要求，提出了斷裂韌度的試驗要求，提供了與斷裂韌度值相關的載荷與缺陷的關系曲線，規范了壓力容器附件焊接接頭與采用CTOD試驗判據的技術條件。

按照國家標準GB/T 21143-2007 《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》和國際標準ISO 15653-2007 《金屬材料焊縫準靜態斷裂韌度試驗方法》對試樣進行兩端母材本體、兩端熱影響區、焊接接頭等取5組，每組共8個試樣，試樣尺寸如圖5，在-46 ℃低溫條件下的進行CTOD試驗，測定δ-Δa裂紋擴展阻力曲線及相應的斷裂韌性指標。

圖5 CTOD試樣圖

根據DNV-OS-C401(挪威船級社)標準，臨界CTOD值δc>0.15 mm即為合格。開發工藝接頭所有試驗位置的臨界CTOD值(即實測的)皆大于0.15 mm。結果表明：在本試驗環焊接工藝條件下的接頭，-46 ℃低溫條件下，不經過熱處理，具有足夠的韌性，達到安全使用的要求。

為保證全焊接球閥焊接接頭的安全可靠，還需對焊接接頭進行拉伸、屈服、沖擊、硬度、金相等檢測，焊接接頭處的性能均優于基體材料的要求。同時對焊縫進行超聲波檢測，超聲波檢測不論其長度，不允許存在幅度超過DAC的顯示和長度大于3 mm的缺陷。表面進行滲透探傷，均要求無超標缺陷，達到1級合格。

6 結 語

全焊接球閥采用U型焊接坡口，利用自動埋弧焊焊接工藝和豪克能振動時效消除焊接殘余應力的方法，通過對試塊的試驗評估，驗證了全焊接閥體焊縫具有足夠的韌性和安全性。免除焊后熱處理生產的全焊接球閥，滿足了油氣長輸管線對全焊接球閥壽命的苛刻要求。