北京航天动力研究所 北京 100176
摘要：阀门是石油化工行业中应用广泛的管道器件，用来控制流体的方向、压力、流量;阀门的种类繁多，作用与控制方式一般不同。阀门的主要组成部分是阀体、阀盖、支架、压盖、手轮、阀杆、铜螺母、轴承、标准件、密封件等。金属阀门的阀体一般采用铸造或锻造的方式制造。铸造是传统的工艺方法，实现的技术方式在不断革新，但其基本原理不变，因而铸造缺陷不能完全控制，铸造的成本也比较高;锻造阀门的产品质量相对较高，但生产效率比较低。
关键词：冲锻焊；阀门；应力；缺陷；
前言:阀门在化工、电力、医药等行业中应用很广，种类繁多，常见的阀门均采用铸造的方法制造，但由于铸造过程中不可避免的要产生一定的缺陷，所以影响了阀门的使用寿命。
1 冲锻焊阀门一般工艺
1.1 冲压锻造成型。采用Q235碳钢管进行精确切割下料，然后冲压锻造，获得所需要的阀体结构，如图1所示。
图1 阀体结构图
1.2 组对焊接。组对焊接：组对焊接共分为6个部分，阀体（图1）和两侧需要焊接的接管（图2）以及3个法兰盘。焊接顺序：首先将冲锻成型的阀体备料进行焊接，然后焊接阀体与两个接管，最后焊接三个法兰盘。焊接要求：阀门都是起到截止的作用，所以要考虑密封性，因此焊接阀门大多数都采用堆焊的方式来增强密封面。为了提高阀门的耐磨性能，除了采用合理的焊接方法外，还要选择合适的焊接工艺来降低成本从而获得优良的综合性能。
图2 接管结构图
焊接前应清除焊件表面上的油污和氧化层等，表面不允许有任何缺陷。堆焊前工件一般不必进行预热，但焊条需要在300～350℃下进行烘焙。堆焊工件表面应保持水平位置，堆焊层为3层左右，满足加工后堆焊层保持5 mm高度和对其化学成分及硬度要求。焊接方法：目前阀门的焊接方法很多，常用的有氩弧焊，手工电弧焊，埋弧焊，氧乙炔焊等。
1.3 冲锻焊阀门的优势。常见的阀门均为铸造，冲锻焊阀门是使用管料经下料、冲压锻造和焊接后获得到的，与铸造阀门比较来说，具有制造成本低,生产效率高，产品质量轻,强度高，并在同工况下锻造阀门比铸造阀门平均使用寿命长等优点。从而提高阀门的制造效率、制造质量，降低制造成本、检验成本。
2 阀体组焊的技术指标
冲锻焊阀门的关键技术是阀体焊缝设计，主要包括焊缝的类型设计、焊缝的承压能力设计。图3所示为冲锻焊阀门成形后的焊缝分布状态，要求按阀门尺寸和阀门设计承压能力，对焊缝的宽度进行设计，对焊接工艺进行设计，这样才能使阀体主材即DN100的Q345强度和焊缝强度一致，焊接后的阀体变形小，焊缝质量好。
图4 阀体主要焊缝形式
3 唇焊焊接
3.1制造厂按评定的自熔焊工艺规程进行唇焊缝焊接，焊接方法采用自动钨极氩弧焊，焊接时工件旋转而钨极焊枪固定。应严格按照焊接工艺规程设置各项焊接参数，如保护气体流量、电流电压、钨极与母材距离、焊接速度等。其中，焊接速度通过设置相应的工件转速来调节，设置转速时必须考虑阀门唇焊坡口的外缘直径。一般来讲，坡口外缘直径较大的，工件转速应设置得低些，以获得合适的坡口外缘旋转的线速度（即焊接速度），保证合理的热输入。焊接操作工的操作技能和经验，对焊缝的成形质量也有一定影响。根据以往经验，实际操作中有以下几个方面需要注意：（1）掌握好熄弧时机，保证焊接的起点和终点有一定的搭接区。（2）收弧时需要缓慢熄弧，避免产生收弧点凹坑。经制造厂分析，收弧点出现凹坑是由于熄弧过快而熔池收缩过快造成的，通过缓慢熄弧的方法可以避免。（3）将工件装夹状态和钨极位置调整到最合适，避免环焊缝中心偏离唇焊配合面。
3.2 焊缝去氧化皮，为不影响后续的无损检测和水压试验，唇焊焊缝表面的氧化皮必须去除。通常碳钢截止阀采用打磨方法，不锈钢截止阀采用打磨或局部酸洗钝化方法。由于唇焊焊缝较薄及焊缝形态限制，打磨必须采用砂布、布轮或金属丝轮等软质打磨工具。不锈钢截止阀打磨时，为防止铁素体等有害物质污染，打磨材料须符合RCC－M F6000中不锈钢防污染要求，必要时进行打磨工艺评定。不锈钢截止阀采用局部酸洗钝化方法时，酸洗钝化膏同样需要符合
RCC－M F6000中不锈钢防污染要求。由于酸洗膏具有挥发性，局部酸洗钝化时可能导致阀门其他部位锈蚀，特别是阀盖一侧，必要时可以对其他部位采取临时保护措施，如用塑料包覆阀盖一侧的零件。
4 焊接缺陷及处理
4.1 焊接缺陷。无论采用何种焊接方法，焊后构件总是存在焊接残余应力，由于焊接零件受到热影响区的影响，所以容易产生裂纹。此外焊接过程中如果控制不到位，也容易产生气孔、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。上述焊接缺陷的存在会直接影响焊接阀门的承载能力和使用寿命。通过对焊缝区域进行金相分析，可以得到图5所示的金相图。
通过对金相组织观察和硬度分析，认为产生裂纹的主要原因是焊接热影响区内存在残余奥氏体组织。存在残余奥氏体组织的原因是焊缝冷却速度较快造成的。随着温度的快速冷却，焊缝、热影响粗晶粒区的奥氏体来不及转化为马氏体，而以残余奥氏体的形态存在于焊缝及热影响粗晶粒区中，使整个焊缝影响区的组织发生了一定的变化。由于上述焊缝影响区组织的变化，导致焊缝和近缝区存在残余拉应力，两侧则存在与其平衡的压应力。焊接残余应力的存在会引起焊后热裂纹和冷裂纹；会促使接触腐蚀介质的结构在使用时容易发生应力腐蚀；会降低结构的承载能力；在结构应力集中部位，存在拉伸残余应力，降低结构使用寿命；有较大的焊接残余应力的结构，在长期使用中，由于残余应力松弛，衰减，会产生一定程度的变形。
4.2 焊接缺陷处理。（1）热处理。阀门焊接后，会存在各种各样的缺陷，尤其要避免焊后由于应力过大造成裂纹的出现，因此对焊件要进行高温回火处理。采用电加热方式对焊缝区域进行局部焊后热处理，焊接后加热至600～650℃，维持1 h，然后保温缓冷。使焊缝、热影响粗晶粒区的残余奥氏体进一步减少，使阀门基本上无氧化脱碳，组织性能均匀，工艺可控性与稳定性较好。从而减小残余内应力，控制阀门变形量，提高阀门整体性能。通过对焊缝区域进行局部热处理后发现，焊接阀门焊缝区域的裂纹得到了很好的控制。（2）补焊。对于已经出现裂纹的阀体，则采用补焊的方式进行修补。由于冲锻焊阀门选材是采用无缝碳钢管进行切割、冲压、焊接而成的，所以补焊所选用焊条为506焊条，使焊缝金属在满足强度要求的条件下，塑性和韧性得到提高。在焊接修复过程中需进行适当的焊前预热以及焊后热处理等措施来降低补焊后产生的焊接冷裂纹。除此之外，要认真清理挖净所有裂纹以及其它污物。避免清理不净产生二次裂纹的现象，补焊完成后要对焊缝区域进行局部热处理。
结束语：
采用钢板和钢管冲锻焊接阀门取代铸造阀门，不仅节约原材料，而且还可以延长使用寿命；通过对焊缝区域的分析发现，焊接热影响区的残余奥氏体是使焊接阀门产生裂纹的主要原因；通过对阀门焊缝区域进行局部热处理可以使阀门的良品率得到很大的提升，使阀门的性能得到保障。
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论文作者:于红辉,阎,洁
论文发表刊物:《防护工程》2017年第29期
论文发表时间:2018/2/28
标签：阀门论文; 阀体论文; 残余论文; 裂纹论文; 应力论文; 奥氏体论文; 缺陷论文; 《防护工程》2017年第29期论文;