上海滬工閥門廠（集團）有限公司

一、前言

長輸管線閥門是油(you)氣管(guan)(guan)(guan)道為(wei)實現集輸(shu)(shu)、分輸(shu)(shu)和調節輸(shu)(shu)量，以及為(wei)實現站(zhan)內循環、設備(bei)連通、倒罐、越站(zhan)及清管(guan)(guan)(guan)器收發等作業所使用的(de)控制部件；既是保(bao)證(zheng)管(guan)(guan)(guan)道運行安全的(de)設備(bei)，又是進行管(guan)(guan)(guan)道輸(shu)(shu)送自動控制和運行調度的(de)主要工藝設備(bei)。

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(yao)求(qiu)(qiu)使用壽命必須達到(dao) 30 年(nian)及(ji)以上。支線及(ji)站場 26in 以下規格截斷閥(fa)(fa)(fa)采(cai)用分體式球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)。綜(zong)觀重點管(guan)道工程所采(cai)用的全焊接球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)，其主要(yao)特性有：① 可靠性高(gao)，閥(fa)(fa)(fa)體具(ju)有足夠強度，外泄(xie)漏(lou)部位少，活動部件耐磨，在(zai)(zai)頰繁操作(zuo)下能(neng)長期(qi)正常運(yun)行。② 密(mi)封性好，在(zai)(zai)高(gao)壓和在(zai)(zai)油、氣長期(qi)浸泡下不泄(xie)漏(lou)。③ 開關靈(ling)敏性高(gao)。④ 油氣通過時(shi)阻力(li)小。③ 重量輕(qing)，安裝簡(jian)便。⑥ 能(neng)在(zai)(zai)全天候條(tiao)件下工作(zuo)。⑦ 具(ju)有防火、防靜電等功能(neng)。等道工程的發展(zhan)與建設(she)，極大地促(cu)進(jin)了(le)管(guan)線球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)的設(she)計、制造(zao)、工藝的進(jin)步，同時(shi)對管(guan)線球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)提出了(le)更高(gao)的要(yao)求(qiu)(qiu)。

全(quan)焊接(jie)(jie)(jie)球(qiu)閥(fa)是一(yi)種(zhong)典型的焊接(jie)(jie)(jie)產品(pin)，目前，部分國內廠家通過技術引進(jin)或自主(zhu)研發的方式，已(yi)實現全(quan)焊接(jie)(jie)(jie)球(qiu)閥(fa)的國產化，改變了全(quan)焊接(jie)(jie)(jie)球(qiu)閥(fa)完全(quan)依賴進(jin)口(kou)的局(ju)面。但因前期使用(yong)業績的影(ying)響，很少能在重點工(gong)程中(zhong)得到應用(yong)。

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(zhi)導和用戶使用提供(gong)參考。

二、閥體與焊接材料分析

1. 閥體材料成分分析

全焊接(jie)球閥閥體材料通常采用(yong)碳素(su)鋼或低合金鋼，如(ru) ASTM A105、A694、A350、A516 等(deng)(deng)，其(qi)(qi)化學成(cheng)分(fen)對焊接(jie)時結晶裂(lie)紋的形成(cheng)有(you)(you)著重(zhong)要影響。焊接(jie)時，焊縫中(zhong)的 S、P 等(deng)(deng)雜(za)質(zhi)在(zai)結晶過程中(zhong)形成(cheng)低熔點共晶。其(qi)(qi)中(zhong)硫對形成(cheng)結晶裂(lie)紋影響最大，但其(qi)(qi)影響又與鋼中(zhong)其(qi)(qi)他元素(su)含最有(you)(you)關(guan)(guan)，如(ru) Mn 與 S 結合成(cheng) MnS 而除硫，從而對 S 的有(you)(you)害(hai)作(zuo)用(yong)起抑制作(zuo)用(yong)。Mn 還(huan)能改(gai)善硫化物的性能、形態及其(qi)(qi)分(fen)布等(deng)(deng)。因此，為了防止(zhi)產生(sheng)結晶裂(lie)紋，對焊縫金屬中(zhong)的 Mn/S 值(zhi)有(you)(you)一定要求(qiu)。Mn/sS 值(zhi)多大才有(you)(you)利干(gan)防止(zhi)結晶裂(lie)紋，還(huan)與含碳量(liang)有(you)(you)關(guan)(guan)。含 C 量(liang)愈(yu)高，要求(qiu) Mn/S 值(zhi)也愈(yu)高。Si、Ni 及雜(za)質(zhi)的過多存(cun)在(zai)也會增加 S 的有(you)(you)害(hai)作(zuo)用(yong)。

嚴格控制閥體材料采購時的(de)化學成(cheng)分，制定相關(guan)的(de)材料(liao)采購標準(zhun)，是有效避(bi)免(mian)閥門焊接(jie)時產(chan)生結晶裂紋的(de)有效途徑之一。

2. 焊絲與焊劑選擇

（1）焊絲材料(liao)選(xuan)擇 焊絲主要(yao)作(zuo)為(wei)填(tian)充金(jin)屬，向焊縫添加合(he)金(jin)元素，直接(jie)(jie)參與(yu)焊接(jie)(jie)過程(cheng)中的冶(ye)金(jin)反應，其化學成分和物理性能不僅影(ying)響焊接(jie)(jie)過程(cheng)中的穩定性、焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭性能和質量，同時還影(ying)響著焊接(jie)(jie)生產(chan)率。

焊(han)(han)(han)絲(si)材(cai)料的選擇主(zhu)要根據閥體材(cai)料來進行。對(dui)(dui)常用(yong)(yong)閥體材(cai)料，通(tong)常所選用(yong)(yong)的焊(han)(han)(han)絲(si)材(cai)料有碳素鋼(gang)焊(han)(han)(han)絲(si)如 H08MnA、低合金鋼(gang)焊(han)(han)(han)絲(si)如 H10Mn2。同時，焊(han)(han)(han)絲(si)直徑的選擇對(dui)(dui)焊(han)(han)(han)縫形狀也(ye)有著較(jiao)大影響，在焊(han)(han)(han)接電流(liu)、電弧(hu)電壓、焊(han)(han)(han)接速度一定(ding)時，焊(han)(han)(han)縫熔(rong)深與焊(han)(han)(han)絲(si)直徑成(cheng)反比，熔(rong)寬與焊(han)(han)(han)絲(si)直徑成(cheng)正比。對(dui)(dui)于全焊(han)(han)(han)接球閥常采(cai)用(yong)(yong)的埋弧(hu)自(zi)動焊(han)(han)(han)，其焊(han)(han)(han)絲(si)直徑一般(ban)為 2.5~6mm。

（2）焊劑(ji)(ji)材料選(xuan) 擇焊劑(ji)(ji)在焊接過程(cheng)中起(qi)隔離空氣(qi)、保護焊縫金(jin)(jin)屬不受空氣(qi)浸害和參與熔池金(jin)(jin)屬冶金(jin)(jin)反應的作用(yong)。當(dang)焊絲確(que)定后，配套用(yong)的焊劑(ji)(ji)則成為關鍵材料，它直接影響焊縫金(jin)(jin)屬的力學性能（特別是(shi)塑(su)性及(ji)低溫韌性）、抗裂性能、焊接缺陷(xian)發生(sheng)率及(ji)焊接生(sheng)產(chan)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(ji)械夾雜物的(de)含量(liang)不得大(da)于 0.30%（質量(liang)分數）；含硫磷量(liang) w（S）≤0.060%，w（P）≤0.080%。

根(gen)據所選用焊(han)絲材(cai)料，及閥(fa)體材(cai)料化學(xue)成分，焊(han)劑(ji)多選用高硅(gui)型(xing)熔煉焊(han)劑(ji)或高堿(jian)度燒結(jie)型(xing)焊(han)劑(ji)。

三、焊接坡口形式

全焊(han)接(jie)球閥采用埋弧自動焊(han)，配合以空冷(leng)或風冷(leng)方式進行(xing)焊(han)接(jie)。

長(chang)輸管(guan)線球閥鍛鋼閥體壁厚通(tong)常在 40~50mm 以(yi)上，宜采(cai)用(yong)窄間隙(xi)坡口埋弧焊(han)(han)，坡口底(di)層(ceng)間隙(xi)為(wei)(wei) 8~35mm，坡口角度為(wei)(wei) 1°~7°，每層(ceng)焊(han)(han)縫道數為(wei)(wei) 1~3，常采(cai)用(yong)工藝墊板打底(di)焊(han)(han)。為(wei)(wei)使焊(han)(han)絲送(song)達窄坡底(di)層(ceng)，需設計(ji)能(neng)插人坡口內(nei)的(de)專(zhuan)用(yong)窄焊(han)(han)嘴，焊(han)(han)絲向下伸長(chang)度常取 45~75mm，以(yi)獲得(de)較(jiao)(jiao)高熔敷速(su)率。焊(han)(han)接時采(cai)用(yong)專(zhuan)用(yong)焊(han)(han)劑，其顆(ke)粒度一(yi)般較(jiao)(jiao)細，脫渣性應特好(hao)，并滿足高強韌(ren)性焊(han)(han)縫金屬性能(neng)。為(wei)(wei)保證焊(han)(han)絲和電弧在深而窄坡口內(nei)的(de)正確(que)位置(zhi)，必(bi)要(yao)時須(xu)采(cai)用(yong)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(han)接(jie)電(dian)(dian)流。當(dang)其他條件不變(bian)時，熔(rong)深(shen)與焊(han)接(jie)電(dian)(dian)流變(bian)化(hua)成(cheng)正比，電(dian)(dian)流小，熔(rong)深(shen)淺，余(yu)高(gao)和寬度(du)不足；電(dian)(dian)流過大(da)，熔(rong)深(shen)大(da)，余(yu)高(gao)過大(da)，易產生高(gao)溫裂紋。

2）電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)與電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)長(chang)度(du)(du)成正(zheng)比，在相(xiang)同的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)流時，如(ru)果選用(yong)的(de)(de)(de)焊(han)劑不同，電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)空間電(dian)(dian)(dian)(dian)場強(qiang)度(du)(du)不同，則電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)長(chang)度(du)(du)不同。當其他(ta)條(tiao)件(jian)不變(bian)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)低，熔深大，焊(han)縫(feng)寬度(du)(du)窄，易產生(sheng)熱裂(lie)紋；電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)高時，焊(han)縫(feng)寬度(du)(du)增加，余高不夠。埋弧(hu)(hu)焊(han)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)是依據(ju)焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)流調整的(de)(de)(de)，即(ji)一(yi)定(ding)(ding)焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)流要保持一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)弧(hu)(hu)長(chang)才(cai)可能保證焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)穩定(ding)(ding)燃燒，所(suo)以電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)變(bian)化范圍是有限的(de)(de)(de)。

3）焊(han)(han)接速(su)度。焊(han)(han)接速(su)度對熔深和熔寬都有(you)影響，通常情況(kuang)下熔深和熔寬與焊(han)(han)接速(su)度成反比。焊(han)(han)接速(su)度對焊(han)(han)縫(feng)斷面(mian)形狀(zhuang)也(ye)有(you)影響，一(yi)般焊(han)(han)接速(su)度過小(xiao)，熔化(hua)金(jin)屬量多(duo)，焊(han)(han)縫(feng)成形差；焊(han)(han)接速(su)度較大(da)(da)時(shi)(shi)，熔化(hua)金(jin)屬量不(bu)足，容易產生咬邊(bian)。實際焊(han)(han)接時(shi)(shi)，為了(le)提(ti)高生產率，在提(ti)高焊(han)(han)接速(su)度的同時(shi)(shi)必須加大(da)(da)電弧功率，才(cai)能保證焊(han)(han)縫(feng)質量。

4）焊(han)絲直徑。焊(han)接(jie)電流(liu)、電弧電壓(ya)和焊(han)接(jie)速度(du)一定時，熔深與焊(han)絲直徑成反比(bi)關系(xi)，但(dan)這種反比(bi)關系(xi)隨電流(liu)密度(du)的增(zeng)加而減弱。

（2）工藝條件對焊縫成形的影響

 1）焊縫(feng)坡(po)口形狀、間隙(xi)的影響(xiang)。在(zai)其它條件相(xiang)同時，增(zeng)加坡(po)口深度和寬度，焊縫(feng)熔深增(zeng)加，熔寬略有減小(xiao)，余高(gao)顯著(zhu)減小(xiao)。

2）焊劑(ji)(ji)堆高(gao)(gao)的影(ying)響。焊劑(ji)(ji)堆高(gao)(gao)應保證在絲極周圍埋住(zhu)電弧，一般在 25~40mm。當使用(yong)黏結(jie)(jie)焊劑(ji)(ji)或燒結(jie)(jie)焊劑(ji)(ji)時，由干密度小，焊劑(ji)(ji)堆高(gao)(gao)比熔(rong)煉焊劑(ji)(ji)高(gao)(gao)出 20%~50%。焊劑(ji)(ji)堆高(gao)(gao)越(yue)大(da)，焊縫余高(gao)(gao)越(yue)大(da)，熔(rong)深越(yue)淺。

3）焊(han)絲、焊(han)嘴(zui)與工件(jian)傾角對焊(han)縫成形也(ye)有較大的影響。在(zai)全焊(han)接球閥焊(han)接過程中，應盡量(liang)保證焊(han)嘴(zui)、焊(han)絲垂(chui)直干工件(jian)表面(mian)。

2. 焊接及分析

焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)試(shi)驗(yan)(yan)采用圓筒進行，材料 A105。其主(zhu)要目的(de)是試(shi)驗(yan)(yan)驗(yan)(yan)證和確(que)定閥體原(yuan)材料、焊(han)(han)(han)絲直徑(jing)、焊(han)(han)(han)劑牌號，優化(hua)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)坡(po)口結構(gou)及焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)參數，預測(ce)(ce)和控(kong)制焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)時(shi)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)、變(bian)形量和焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)殘留(liu)應力，為全焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)球閥的(de)生產(chan)設計提供參考依(yi)據(ju)。焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)試(shi)驗(yan)(yan)系(xi)統(tong)由電流電壓(ya)測(ce)(ce)量系(xi)統(tong)、位(wei)移變(bian)形測(ce)(ce)量系(xi)統(tong)、溫(wen)度(du)測(ce)(ce)量系(xi)統(tong)三部(bu)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(ju)離(li)焊縫中(zhong)心(xin) 25mm 處的溫度(du)變化曲(qu)線圖

2）焊(han)接(jie)(jie)變(bian)形的(de)(de)測(ce)定。圓筒焊(han)接(jie)(jie)采用內(nei)徑為 600mm，厚度 50mm 左右的(de)(de)圓簡(jian)進(jin)行。焊(han)接(jie)(jie)時圓筒兩(liang)端無束縛，焊(han)接(jie)(jie)完(wan)成后，測(ce)得的(de)(de)圓筒變(bian)形軸向方向約為 2.5mm，徑向方向約為 1.5mm。在全焊(han)接(jie)(jie)球(qiu)閥設(she)計過程中，需考慮(lv)此焊(han)接(jie)(jie)變(bian)形對(dui)球(qiu)閥密封性能的(de)(de)影響，適(shi)當調整閥座與閥體之間(jian)的(de)(de)配合間(jian)隙。

焊(han)接(jie)時(shi)可采用不同的(de)輔助方(fang)式如風冷、振(zhen)動，改(gai)善(shan)焊(han)接(jie)時(shi)工件(jian)的(de)變(bian)形(xing)。通常情(qing)況下，振(zhen)動焊(han)接(jie)時(shi)變(bian)形(xing)較小，風冷其(qi)次。

3）焊接殘(can)(can)留(liu)(liu)應(ying)力(li)的測定。焊后通(tong)過不通(tong)孔法測量(liang)焊接殘(can)(can)留(liu)(liu)應(ying)力(li)。焊接殘(can)(can)留(liu)(liu)應(ying)力(li)分(fen)布曲線如圖(tu) 2 所示。

圖(tu) 2 殘留(liu)應力分布圖(tu)

側定結果表明，距(ju)離(li)焊(han)縫(feng)中心位置越遠，殘(can)留(liu)應(ying)(ying)力(li)越小。對(dui)球(qiu)閥閥體(ti)焊(han)縫(feng)結構(gou)進行合理(li)的(de)設(she)計，可(ke)有效降低閥體(ti)焊(han)接(jie)后因變(bian)形而產生的(de)殘(can)留(liu)應(ying)(ying)力(li)。同(tong)(tong)(tong)時(shi)(shi)，焊(han)接(jie)時(shi)(shi)采(cai)用不同(tong)(tong)(tong)的(de)輔助方式如振動(dong)、風冷，可(ke)不同(tong)(tong)(tong)程(cheng)度上降低焊(han)接(jie)后殘(can)余應(ying)(ying)力(li)。通(tong)常(chang)情況下，振動(dong)焊(han)接(jie)可(ke)有效釋放焊(han)接(jie)后的(de)殘(can)留(liu)應(ying)(ying)力(li)。

焊(han)接完成(cheng)后，X 射(she)線(xian)探(tan)傷和(he)超聲波(bo)探(tan)傷完全合(he)格(ge)；力(li)學性能評定，拉伸(shen)試(shi)驗(yan)、沖(chong)擊試(shi)驗(yan)和(he)側彎試(shi)驗(yan)合(he)格(ge)；焊(han)縫熱影(ying)響區按 JB4708 測定合(he)格(ge)。

五、結語

全焊接(jie)球(qiu)閥是一種(zhong)典(dian)型的窄間(jian)隙(xi)埋(mai)弧焊焊接(jie)產品，涉及材(cai)料科(ke)學(xue)、焊接(jie)工藝(yi)學(xue)、焊接(jie)裝備自動化研(yan)制，三維熱彈塑性有限元計(ji)算以及管線(xian)球(qiu)閥的設計(ji)等(deng)多(duo)方面的知識(shi)。隨著西氣東(dong)(dong)輸、西部原油(you)成品油(you)、川氣東(dong)(dong)送等(deng)大批國家重點管道工程(cheng)的施工建(jian)設，極大地促進(jin)了全焊接(jie)球(qiu)閥國產化技術、裝備、制造及工藝(yi)的進(jin)步，井逐步趨向成熟(shu)和(he)完善，開(kai)始向大口徑(jing)、高壓力(li)方向發展。

通(tong)過(guo)對(dui)(dui)焊(han)(han)縫成形和焊(han)(han)縫金(jin)屬力學(xue)性能的影響(xiang)因素，以及對(dui)(dui)焊(han)(han)接(jie)試驗結(jie)果的分析，合(he)理(li)地設(she)計閥(fa)門(men)閥(fa)體結(jie)構(gou)、焊(han)(han)縫坡(po)口(kou)形式、閥(fa)座結(jie)構(gou)，嚴格控制(zhi)閥(fa)體原材料的化學(xue)成分，選用合(he)理(li)的焊(han)(han)絲(si)焊(han)(han)劑(ji)及工(gong)藝參數(shu)，采(cai)用窄間隙坡(po)口(kou)多道、多層焊(han)(han)接(jie)，適時(shi)控制(zhi)焊(han)(han)接(jie)過(guo)程中的層間溫度，完(wan)全(quan)可滿足全(quan)焊(han)(han)接(jie)球閥(fa)的焊(han)(han)接(jie)生產要求。