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長輸管線全焊接球閥焊接工藝慨述
一、前言
長輸管線閥門是油氣管道為實現集輸、分輸和調節輸量，以及為實現站內循環、設備連通、倒罐、越站及清管器收發等作業所使用的控制部件；既是保證管道運行安全的設備，又是進行管道輸送自動控制和運行調度的主要工藝設備。
在長輸管線閥門中，尤以管線球閥使用居多。在國家重點管道工程中，主干線截斷閥全部采用進口大口徑全焊接球閥，要求使用壽命必須達到 30 年及以上。支線及站場 26in 以下規格截斷閥采用分體式球閥。綜觀重點管道工程所采用的全焊接球閥，其主要特性有：① 可靠性高，閥體具有足夠強度，外泄漏部位少，活動部件耐磨，在頰繁操作下能長期正常運行。② 密封性好，在高壓和在油、氣長期浸泡下不泄漏。③ 開關靈敏性高。④ 油氣通過時阻力小。③ 重量輕，安裝簡便。⑥ 能在全天候條件下工作。⑦ 具有防火、防靜電等功能。等道工程的發展與建設，極大地促進了管線球閥的設計、制造、工藝的進步，同時對管線球閥提出了更高的要求。
全焊接球閥是一種典型的焊接產品，目前，部分國內廠家通過技術引進或自主研發的方式，已實現全焊接球閥的國產化，改變了全焊接球閥完全依賴進口的局面。但因前期使用業績的影響，很少能在重點工程中得到應用。
從全焊接球閥閥體及焊接材料、焊接方法、焊接結構、焊接工藝及相關試驗等方面進行總結，為全焊接球閥生產廠家的生產指導和用戶使用提供參考。
二、閥體與焊接材料分析
1. 閥體材料成分分析
全焊接球閥閥體材料通常采用碳素鋼或低合金鋼，如 ASTM A105、A694、A350、A516 等，其化學成分對焊接時結晶裂紋的形成有著重要影響。焊接時，焊縫中的 S、P 等雜質在結晶過程中形成低熔點共晶。其中硫對形成結晶裂紋影響最大，但其影響又與鋼中其他元素含最有關，如 Mn 與 S 結合成 MnS 而除硫，從而對 S 的有害作用起抑制作用。Mn 還能改善硫化物的性能、形態及其分布等。因此，為了防止產生結晶裂紋，對焊縫金屬中的 Mn/S 值有一定要求。Mn/sS 值多大才有利干防止結晶裂紋，還與含碳量有關。含 C 量愈高，要求 Mn/S 值也愈高。Si、Ni 及雜質的過多存在也會增加 S 的有害作用。
嚴格控制閥體材料采購時的化學成分，制定相關的材料采購標準，是有效避免閥門焊接時產生結晶裂紋的有效途徑之一。
2. 焊絲與焊劑選擇
（1）焊絲材料選擇 焊絲主要作為填充金屬，向焊縫添加合金元素，直接參與焊接過程中的冶金反應，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。
焊絲材料的選擇主要根據閥體材料來進行。對常用閥體材料，通常所選用的焊絲材料有碳素鋼焊絲如 H08MnA、低合金鋼焊絲如 H10Mn2。同時，焊絲直徑的選擇對焊縫形狀也有著較大影響，在焊接電流、電弧電壓、焊接速度一定時，焊縫熔深與焊絲直徑成反比，熔寬與焊絲直徑成正比。對于全焊接球閥常采用的埋弧自動焊，其焊絲直徑一般為 2.5~6mm。
（2）焊劑材料選 擇焊劑在焊接過程中起隔離空氣、保護焊縫金屬不受空氣浸害和參與熔池金屬冶金反應的作用。當焊絲確定后，配套用的焊劑則成為關鍵材料，它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。
這就要求焊劑必須具有良好的冶金性能和工藝性能；顆粒度符合要求（普通焊劑顆粒度為 0.45~2.50mm，0.45mm 以下的細粒不得大于 5%，2.50mm 以上的粗粒不得大于 2%；細顆粒度焊劑粒度為 0.28~1.425mm，0.28mm 以下的細粒不得大于 5%，1.425mm 以上的粗粒不得大于 2%）；含水量 w（H2O）≤0.10%；機械夾雜物的含量不得大于 0.30%（質量分數）；含硫磷量 w（S）≤0.060%，w（P）≤0.080%。
根據所選用焊絲材料，及閥體材料化學成分，焊劑多選用高硅型熔煉焊劑或高堿度燒結型焊劑。
三、焊接坡口形式
全焊接球閥采用埋弧自動焊，配合以空冷或風冷方式進行焊接。
長輸管線球閥鍛鋼閥體壁厚通常在 40~50mm 以上，宜采用窄間隙坡口埋弧焊，坡口底層間隙為 8~35mm，坡口角度為 1°~7°，每層焊縫道數為 1~3，常采用工藝墊板打底焊。為使焊絲送達窄坡底層，需設計能插人坡口內的專用窄焊嘴，焊絲向下伸長度常取 45~75mm，以獲得較高熔敷速率。焊接時采用專用焊劑，其顆粒度一般較細，脫渣性應特好，并滿足高強韌性焊縫金屬性能。為保證焊絲和電弧在深而窄坡口內的正確位置，必要時須采用自動跟蹤控制。
四、焊接過程及分析
1. 影響焊縫形狀、性能的因素
（1）焊接藝參數的影響
1）焊接電流。當其他條件不變時，熔深與焊接電流變化成正比，電流小，熔深淺，余高和寬度不足；電流過大，熔深大，余高過大，易產生高溫裂紋。
2）電弧電壓。電弧電壓與電弧長度成正比，在相同的電弧電壓和焊接電流時，如果選用的焊劑不同，電弧空間電場強度不同，則電弧長度不同。當其他條件不變時，電弧電壓低，熔深大，焊縫寬度窄，易產生熱裂紋；電弧電壓高時，焊縫寬度增加，余高不夠。埋弧焊的電弧電壓是依據焊接電流調整的，即一定焊接電流要保持一定的弧長才可能保證焊接電弧的穩定燃燒，所以電弧電壓的變化范圍是有限的。
3）焊接速度。焊接速度對熔深和熔寬都有影響，通常情況下熔深和熔寬與焊接速度成反比。焊接速度對焊縫斷面形狀也有影響，一般焊接速度過小，熔化金屬量多，焊縫成形差；焊接速度較大時，熔化金屬量不足，容易產生咬邊。實際焊接時，為了提高生產率，在提高焊接速度的同時必須加大電弧功率，才能保證焊縫質量。
4）焊絲直徑。焊接電流、電弧電壓和焊接速度一定時，熔深與焊絲直徑成反比關系，但這種反比關系隨電流密度的增加而減弱。
（2）工藝條件對焊縫成形的影響
1）焊縫坡口形狀、間隙的影響。在其它條件相同時，增加坡口深度和寬度，焊縫熔深增加，熔寬略有減小，余高顯著減小。
2）焊劑堆高的影響。焊劑堆高應保證在絲極周圍埋住電弧，一般在 25~40mm。當使用黏結焊劑或燒結焊劑時，由干密度小，焊劑堆高比熔煉焊劑高出 20%~50%。焊劑堆高越大，焊縫余高越大，熔深越淺。
3）焊絲、焊嘴與工件傾角對焊縫成形也有較大的影響。在全焊接球閥焊接過程中，應盡量保證焊嘴、焊絲垂直干工件表面。
2. 焊接及分析
焊接試驗采用圓筒進行，材料 A105。其主要目的是試驗驗證和確定閥體原材料、焊絲直徑、焊劑牌號，優化焊接坡口結構及焊接參數，預測和控制焊接時溫度變化、變形量和焊接殘留應力，為全焊接球閥的生產設計提供參考依據。焊接試驗系統由電流電壓測量系統、位移變形測量系統、溫度測量系統三部分組成。
1）焊接時溫度側定。根據溫度測定的結果（如圖 1 所示），在球閥焊接時，控制層間溫度不超過閥座密封圈的安全使用溫度 150℃，不會對閥門密封性能造成影響。
圖 1 距離焊縫中心 25mm 處的溫度變化曲線圖
2）焊接變形的測定。圓筒焊接采用內徑為 600mm，厚度 50mm 左右的圓簡進行。焊接時圓筒兩端無束縛，焊接完成后，測得的圓筒變形軸向方向約為 2.5mm，徑向方向約為 1.5mm。在全焊接球閥設計過程中，需考慮此焊接變形對球閥密封性能的影響，適當調整閥座與閥體之間的配合間隙。
焊接時可采用不同的輔助方式如風冷、振動，改善焊接時工件的變形。通常情況下，振動焊接時變形較小，風冷其次。
3）焊接殘留應力的測定。焊后通過不通孔法測量焊接殘留應力。焊接殘留應力分布曲線如圖 2 所示。
圖 2 殘留應力分布圖
側定結果表明，距離焊縫中心位置越遠，殘留應力越小。對球閥閥體焊縫結構進行合理的設計，可有效降低閥體焊接后因變形而產生的殘留應力。同時，焊接時采用不同的輔助方式如振動、風冷，可不同程度上降低焊接后殘余應力。通常情況下，振動焊接可有效釋放焊接后的殘留應力。
焊接完成后，X 射線探傷和超聲波探傷完全合格；力學性能評定，拉伸試驗、沖擊試驗和側彎試驗合格；焊縫熱影響區按 JB4708 測定合格。
五、結語
全焊接球閥是一種典型的窄間隙埋弧焊焊接產品，涉及材料科學、焊接工藝學、焊接裝備自動化研制，三維熱彈塑性有限元計算以及管線球閥的設計等多方面的知識。隨著西氣東輸、西部原油成品油、川氣東送等大批國家重點管道工程的施工建設，極大地促進了全焊接球閥國產化技術、裝備、制造及工藝的進步，井逐步趨向成熟和完善，開始向大口徑、高壓力方向發展。
通過對焊縫成形和焊縫金屬力學性能的影響因素，以及對焊接試驗結果的分析，合理地設計閥門閥體結構、焊縫坡口形式、閥座結構，嚴格控制閥體原材料的化學成分，選用合理的焊絲焊劑及工藝參數，采用窄間隙坡口多道、多層焊接，適時控制焊接過程中的層間溫度，完全可滿足全焊接球閥的焊接生產要求。