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1、长输管线全焊接球阀焊接工艺慨述长输管线全焊接球阀焊接工艺慨述上海沪工阀门厂 2010-06-28摘要：介绍了全焊接球阀阀体及焊接材料、焊接方法、焊接结构和焊接工艺，进行相关试验对焊接材料、结构及工艺优化和验证。关镇词关镇词：全焊接球阀全焊接球阀；材抖材抖；焊接工艺焊接工艺一、前言一、前言长输管线阀门是油气管道为实现集输、分输和调节输量，以及为实现站内循环、设备连通、倒罐、越站及清管器收发等作业所使用的控制部件；既是保证管道运行安全的设备，又是进行管道输送自动控制和运行调度的主要工艺设备。在长输管线阀门中，尤以管线球阀使用居多。在国家重点管道工程中，主干线截断阀全部采用进口大口径全焊接球阀，要求
2、使用寿命必须达到 30 年及以上。支线及站场 26in 以下规格截断阀采用分体式球阀。综观重点管道工程所采用的全焊接球阀，其主要特性有： 可靠性高，阀体具有足够强度，外泄漏部位少，活动部件耐磨，在颊繁操作下能长期正常运行。 密封性好，在高压和在油、气长期浸泡下不泄漏。 开关灵敏性高。 油气通过时阻力小。 重量轻，安装简便。 能在全天候条件下工作。 具有防火、防静电等功能。等道工程的发展与建设，极大地促进了管线球阀的设计、制造、工艺的进步，同时对管线球阀提出了更高的要求。全焊接球阀是一种典型的焊接产品，目前，部分国内厂家通过技术引进或自主研发的方式，已实现全焊接球阀的国产化，改变了全焊接球阀完全
3、依赖进口的局面。但因前期使用业绩的影响，很少能在重点工程中得到应用。从全焊接球阀阀体及焊接材料、焊接方法、焊接结构、焊接工艺及相关试验等方面进行总结，为全焊接球阀生产厂家的生产指导和用户使用提供参考。二、阀体与焊接材料分析二、阀体与焊接材料分析1. 阀体材料成分分析阀体材料成分分析全焊接球阀阀体材料通常采用碳素钢或低合金钢，如 ASTM A105、A694、A350、A516 等，其化学成分对焊接时结晶裂纹的形成有着重要影响。焊接时，焊缝中的 S、P 等杂质在结晶过程中形成低熔点共晶。其中硫对形成结晶裂纹影响最大，但其影响又与钢中其他元素含最有关，如 Mn 与 S 结合成 MnS 而除硫，从而
4、对 S 的有害作用起抑制作用。Mn 还能改善硫化物的性能、形态及其分布等。因此，为了防止产生结晶裂纹，对焊缝金属中的 Mn/S 值有一定要求。Mn/sS 值多大才有利干防止结晶裂纹，还与含碳量有关。含 C 量愈高，要求 Mn/S 值也愈高。Si、Ni 及杂质的过多存在也会增加 S 的有害作用。严格控制阀体材料采购时的化学成分，制定相关的材料采购标准，是有效避免阀门焊接时产生结晶裂纹的有效途径之一。2. 焊丝与焊剂选择焊丝与焊剂选择（1）焊丝材料选择 焊丝主要作为填充金属，向焊缝添加合金元素，直接参与焊接过程中的冶金反应，其化学成分和物理性能不仅影响焊接过程中的稳定性、焊接接头性能和质量，同时还
5、影响着焊接生产率。焊丝材料的选择主要根据阀体材料来进行。对常用阀体材料，通常所选用的焊丝材料有碳素钢焊丝如 H08MnA、低合金钢焊丝如 H10Mn2。同时，焊丝直径的选择对焊缝形状也有着较大影响，在焊接电流、电弧电压、焊接速度一定时，焊缝熔深与焊丝直径成反比，熔宽与焊丝直径成正比。对于全焊接球阀常采用的埋弧自动焊，其焊丝直径一般为 2.56mm。（2）焊剂材料选 择焊剂在焊接过程中起隔离空气、保护焊缝金属不受空气浸害和参与熔池金属冶金反应的作用。当焊丝确定后，配套用的焊剂则成为关键材料，它直接影响焊缝金属的力学性能（特别是塑性及低温韧性）、抗裂性能、焊接缺陷发生率及焊接生产率等。这就要求焊剂
6、必须具有良好的冶金性能和工艺性能；颗粒度符合要求（普通焊剂颗粒度为 0.452.50mm，0.45mm 以下的细粒不得大于 5%，2.50mm 以上的粗粒不得大于 2%；细颗粒度焊剂粒度为 0.281.425mm，0.28mm 以下的细粒不得大于 5%，1.425mm 以上的粗粒不得大于 2%）；含水量 w（H2O）0.10%；机械夹杂物的含量不得大于 0.30%（质量分数）；含硫磷量 w（S）0.060%，w（P）0.080%。根据所选用焊丝材料，及阀体材料化学成分，焊剂多选用高硅型熔炼焊剂或高碱度烧结型焊剂。三、焊接坡口形式三、焊接坡口形式全焊接球阀采用埋弧自动焊，配合以空冷或风冷方式进行
7、焊接。长输管线球阀锻钢阀体壁厚通常在 4050mm 以上，宜采用窄间隙坡口埋弧焊，坡口底层间隙为 835mm，坡口角度为 17，每层焊缝道数为 13，常采用工艺垫板打底焊。为使焊丝送达窄坡底层，需设计能插人坡口内的专用窄焊嘴，焊丝向下伸长度常取 4575mm，以获得较高熔敷速率。焊接时采用专用焊剂，其颗粒度一般较细，脱渣性应特好，并满足高强韧性焊缝金属性能。为保证焊丝和电弧在深而窄坡口内的正确位置，必要时须采用自动跟踪控制。四、焊接过程及分析四、焊接过程及分析1. 影响焊缝形状、性能的因素影响焊缝形状、性能的因素（1）焊接艺参数的影响1）焊接电流。当其他条件不变时，熔深与焊接电流变化成正比，电
8、流小，熔深浅，余高和宽度不足；电流过大，熔深大，余高过大，易产生高温裂纹。2）电弧电压。电弧电压与电弧长度成正比，在相同的电弧电压和焊接电流时，如果选用的焊剂不同，电弧空间电场强度不同，则电弧长度不同。当其他条件不变时，电弧电压低，熔深大，焊缝宽度窄，易产生热裂纹；电弧电压高时，焊缝宽度增加，余高不够。埋弧焊的电弧电压是依据焊接电流调整的，即一定焊接电流要保持一定的弧长才可能保证焊接电弧的稳定燃烧，所以电弧电压的变化范围是有限的。3）焊接速度。焊接速度对熔深和熔宽都有影响，通常情况下熔深和熔宽与焊接速度成反比。焊接速度对焊缝断面形状也有影响，一般焊接速度过小，熔化金属量多，焊缝成形差；焊接速度
9、较大时，熔化金属量不足，容易产生咬边。实际焊接时，为了提高生产率，在提高焊接速度的同时必须加大电弧功率，才能保证焊缝质量。4）焊丝直径。焊接电流、电弧电压和焊接速度一定时，熔深与焊丝直径成反比关系，但这种反比关系随电流密度的增加而减弱。（2）工艺条件对焊缝成形的影响1）焊缝坡口形状、间隙的影响。在其它条件相同时，增加坡口深度和宽度，焊缝熔深增加，熔宽略有减小，余高显著减小。2）焊剂堆高的影响。焊剂堆高应保证在丝极周围埋住电弧，一般在 2540mm。当使用黏结焊剂或烧结焊剂时，由干密度小，焊剂堆高比熔炼焊剂高出 20%50%。焊剂堆高越大，焊缝余高越大，熔深越浅。3）焊丝、焊嘴与工件倾角对焊缝成
10、形也有较大的影响。在全焊接球阀焊接过程中，应尽量保证焊嘴、焊丝垂直干工件表面。2. 焊接及分析焊接及分析焊接试验采用圆筒进行，材料 A105。其主要目的是试验验证和确定阀体原材料、焊丝直径、焊剂牌号，优化焊接坡口结构及焊接参数，预测和控制焊接时温度变化、变形量和焊接残留应力，为全焊接球阀的生产设计提供参考依据。焊接试验系统由电流电压测量系统、位移变形测量系统、温度测量系统三部分组成。1）焊接时温度侧定。根据温度测定的结果（如图 1 所示），在球阀焊接时，控制层间温度不超过阀座密封圈的安全使用温度 150，不会对阀门密封性能造成影响。图 1 距离焊缝中心 25mm 处的温度变化曲线图2）焊接变形
11、的测定。圆筒焊接采用内径为 600mm，厚度 50mm 左右的圆简进行。焊接时圆筒两端无束缚，焊接完成后，测得的圆筒变形轴向方向约为 2.5mm，径向方向约为 1.5mm。在全焊接球阀设计过程中，需考虑此焊接变形对球阀密封性能的影响，适当调整阀座与阀体之间的配合间隙。焊接时可采用不同的辅助方式如风冷、振动，改善焊接时工件的变形。通常情况下，振动焊接时变形较小，风冷其次。3）焊接残留应力的测定。焊后通过不通孔法测量焊接残留应力。焊接残留应力分布曲线如图 2 所示。图 2 残留应力分布图侧定结果表明，距离焊缝中心位置越远，残留应力越小。对球阀阀体焊缝结构进行合理的设计，可有效降低阀体焊接后因变形而
12、产生的残留应力。同时，焊接时采用不同的辅助方式如振动、风冷，可不同程度上降低焊接后残余应力。通常情况下，振动焊接可有效释放焊接后的残留应力。焊接完成后，X 射线探伤和超声波探伤完全合格；力学性能评定，拉伸试验、冲击试验和侧弯试验合格；焊缝热影响区按 JB4708 测定合格。五、结语五、结语全焊接球阀是一种典型的窄间隙埋弧焊焊接产品，涉及材料科学、焊接工艺学、焊接装备自动化研制，三维热弹塑性有限元计算以及管线球阀的设计等多方面的知识。随着西气东输、西部原油成品油、川气东送等大批国家重点管道工程的施工建设，极大地促进了全焊接球阀国产化技术、装备、制造及工艺的进步，井逐步趋向成熟和完善，开始向大口径
13、、高压力方向发展。通过对焊缝成形和焊缝金属力学性能的影响因素，以及对焊接试验结果的分析，合理地设计阀门阀体结构、焊缝坡口形式、阀座结构，严格控制阀体原材料的化学成分，选用合理的焊丝焊剂及工艺参数，采用窄间隙坡口多道、多层焊接，适时控制焊接过程中的层间温度，完全可满足全焊接球阀的焊接生产要求。焊接应力和变形的分析与探讨焊接应力和变形的分析与探讨 http:/ 发表日期：2010-10-22 兰格钢铁 我要评论 在钢结构发展如火如荼的今天，各种形式的焊接机械、焊接方法更是日新月异，焊接技 术无疑成为一个关键课题。但是在施工过程中，由于焊接过程中产生的焊接残余应力和应 变，严重影响着工程的质量及使用
14、，因而，如何采用合理的方法将焊接应力和变形控制到 最小极其重要。焊接应力与变形产生的主要因素及内在联系焊接时局部不均匀的热输入是产生焊接应力与变形的决定性因素。而热输入是通过材料 因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最 终形成焊接应力的变形。在焊接温度场中，热膨胀系数、弹性模量等材料特性呈现出决定 热源周围金属运动的内拘束度。制造因素(工艺措施、夹持状态)和结构因素(构件形状、厚 度及刚性等)则更多地影响着热源金属的外拘束度。随焊接热过程而变化的内应力场和构件 变形，称为焊接瞬态应力与应变。而焊后，在室温条件下残留于构件中的内应力场和宏观 变化，称为焊接
15、残余应力与焊接残余变形。焊后残余应力及变形的分类实践经验告诉我们，焊接工程中的焊接变形和焊后残余应力并不是两种孤立的现象。两 者之间的联系是有机的，它们同时存在于同一焊件，相辅相成而又相互制约。焊接过程其 实就是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均 匀地膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：1) 纵向应力；2)横向应力；3)厚度方向应力。常见的焊接变形有：1)纵向收缩变形；2)横向收 缩变形；3)角变形；4)弯曲变形；5)扭曲变形；6)波浪变形。部分变形如图 2。焊后残余应力及焊接变形对焊件的影响焊后残余应力及焊接变形对焊件
16、有不同程度的影响。其中，焊后残余应力对焊件有叶方面的影响：1)对强度的影响：如果在高残余拉应力区 中存在严重的缺陷，而焊接又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度 降低。在循环应力作用下，如果在应力集中处存在残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊 件的疲劳强度降低。2)对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊 件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。3)对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠 加，可能使焊件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。4)对加工 精度的影响：焊件的加工精度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。5)对尺寸稳定性 的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化，焊件的尺寸稳定 又受到残余应力稳定性的影响。6)对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能 导致应力腐蚀开裂。焊接变形对结构安装精度有很大影响，过大的变形将显著降低钢结构的承载能力。对焊接应力和变形的主要控制措施在
