长输管线全焊接球阀焊接工艺慨述

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：全焊接球阀；材抖；焊接工艺

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：① 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。② 密封性好，在高压和在油、气长期浸泡下不泄漏。③ 开关灵敏性高。④ 油气通过时阻力小。③ 重量轻，安装简便。⑥ 能在全天候条件下工作。⑦ 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 全焊接球阀的生产指导和用户使用提供参考。

二、阀体与焊接材料分析

1. 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

(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 2.5~6mm。

(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 0.45~2.50mm，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 0.28~1.425mm，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

全焊接球阀采用埋弧自动焊，配合以空冷或风冷方式进行焊接。

长输管线球阀锻钢阀体壁厚通常在 40~50mm 以上，宜采用窄间隙坡口埋弧焊，坡口底层间隙为 8~35mm，坡口角度为 1°~7°，每层焊缝道数为 1~3，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 45~75mm，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

1. 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 25~40mm。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。

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