堆焊工藝在管道維修中的特殊應(yīng)用

孟大潤(rùn)

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常熟分院)

焊接技術(shù)

堆焊工藝在管道維修中的特殊應(yīng)用

孟大潤(rùn)*

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常熟分院)

結(jié)合材質(zhì)為SA-106B的無縫管預(yù)制造過程中采用堆焊工藝延長(zhǎng)管段長(zhǎng)度的案例，探討了堆焊工藝在管道維修過程中的特殊應(yīng)用以及相應(yīng)的工藝要求。

堆焊 堆焊工藝 管道 維修 應(yīng)用

0 前言

堆焊技術(shù)的顯著特點(diǎn)是堆焊層與母材具有典型的冶金結(jié)合，而且可以根據(jù)服役性能選擇堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、耐輻射等優(yōu)良性能，在工藝上具有很大的靈活性[1]。相對(duì)于其他維修工藝，堆焊不僅可以快速高效修復(fù)各種機(jī)械設(shè)備、工具，延長(zhǎng)使用壽命，而且節(jié)約工時(shí)，綜合費(fèi)用最少，經(jīng)濟(jì)可行【2,3】。堆焊 （包括表面加硬堆焊和耐磨堆焊）已廣泛用于維修破損的軸承、軋輥、齒輪、刀具或風(fēng)機(jī)葉片等。

隨著焊接設(shè)備的不斷發(fā)展以及對(duì)于新材料焊接性能的了解，越來越多的焊接方法被用于堆焊工藝。傳統(tǒng)的堆焊方法有：手工電弧堆焊（SMAW），藥芯氣體保護(hù)電弧堆焊(FCAW)，埋弧堆焊 （SAW），氧乙炔焰堆焊(OFW)及氬弧堆焊(TIG)等。近年來，在國(guó)內(nèi)外制造業(yè)的推動(dòng)下，不斷有新的堆焊技術(shù)開發(fā)并在諸多行業(yè)得到應(yīng)用。比如，寬帶極堆焊、激光堆焊等技術(shù)已成功應(yīng)用到石化、冶金、電力等行業(yè)的設(shè)備維修[4,5,6]。在管道的制造或管道在役維修過程中，堆焊也是不可或缺的一種焊接工藝。本文結(jié)合材質(zhì)為SA-106B的無縫管預(yù)制造過程中采用堆焊返修的案例，探討了堆焊工藝在管道維修過程中的特殊應(yīng)用以及相應(yīng)的工藝要求。

1 應(yīng)用案列

在某石化項(xiàng)目無縫管道現(xiàn)場(chǎng)制作過程中，發(fā)現(xiàn)部分管段長(zhǎng)度不符合圖紙要求。具體情況為：無縫鋼管材質(zhì)為SA-106B，規(guī)格為?355.6×9.53mm、?457×9.53 mm、?609.6×9.53 mm的三段管段，實(shí)際長(zhǎng)度比標(biāo)準(zhǔn)值分別短了約5～7mm。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3和相關(guān)技術(shù)協(xié)議的規(guī)定，允許誤差值為3mm，以上管段長(zhǎng)度已經(jīng)超出允許誤差范圍，但由于開孔以及支管焊接已經(jīng)完成，所以只能選擇在管段某一特定端口通過堆焊的方法延長(zhǎng)管子長(zhǎng)度。

2 返修工藝確定和返修過程

2.1焊接方法的選擇

根據(jù)國(guó)標(biāo)的定義[7]，堆焊是指為增大或恢復(fù)焊件尺寸，或使焊件表面獲得特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的焊接。按照美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWS的分類[8]，堆焊又可以根據(jù)其焊接目的的不同而分為以下幾種：?jiǎn)螢樵龃蠡蚧謴?fù)尺寸的堆焊稱為buildup，為滿足耐熱、耐蝕的堆焊稱為cladding，為滿足耐磨要求的堆焊稱為hardfacing，為調(diào)整表面成分起隔離作用的堆焊稱為buttering。本文要討論的情況是由于管段長(zhǎng)度不足，需要通過在管端堆焊的方法來增加管子的長(zhǎng)度，屬于為增大或恢復(fù)尺寸的堆焊（buildup）。

一般來說，選擇合適的堆焊方法時(shí)，應(yīng)著重考慮下列因素：(1)有低的稀釋率、較高的熔敷速度和效率；(2)所需堆焊工件的尺寸、工件形狀復(fù)雜程度、堆焊位置和是否批量生產(chǎn)；現(xiàn)有焊接設(shè)備及工裝，焊工技術(shù)水平能否滿足要求；(3)低的綜合成本。在這個(gè)項(xiàng)目中，由于要在無縫管端口的管壁截面上施焊，管壁厚度只有9.53mm，焊接截面積小，工況復(fù)雜，焊接難度較大，所以優(yōu)先選擇有經(jīng)驗(yàn)的焊工手工施焊。而且，對(duì)于小批量生產(chǎn)，手工焊也是最普通、最經(jīng)濟(jì)的方法。常用的手工焊接方法有SMAW、TIG(GTAW)等。為提高堆焊效率，這里選擇SMAW方法，采用較大直徑的焊條（?3.2mm），在特定管端準(zhǔn)備實(shí)施多層堆焊。同時(shí)準(zhǔn)備采用TIG方法修補(bǔ)堆焊層內(nèi)外表面小的缺陷。TIG焊接的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于可以精確焊接和焊縫質(zhì)量比較高，這是用焊條焊接難以比擬的，對(duì)于薄壁管堆焊和管子表面局部區(qū)域修補(bǔ)其優(yōu)勢(shì)尤為明顯[3]。

2.2堆焊返修工藝確定

根據(jù)美國(guó)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 《特殊碳鋼和合金鋼管的通用要求》（A530/A530M-04）[9]中關(guān)于用焊接方法返修的規(guī)定，材質(zhì)為SA-106B的高溫用無縫碳鋼鋼管的缺陷返修必須滿足以下條件：

（1）返修必須征得客戶的同意，并且確保用于施焊的填充金屬的化學(xué)成分適合焊件的成分；

（2）在焊接前應(yīng)該用切割或打磨的方法完全去除缺陷，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)所有返修部位應(yīng)該重新做熱處理或者應(yīng)力釋放處理；

（3）管子的所有返修部位應(yīng)該按照產(chǎn)品規(guī)范的要求做水壓試驗(yàn)；

（4）用于施焊的焊接工藝和焊工 （或焊接操作工）應(yīng)通過ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第九卷的評(píng)定。

根 據(jù) A530/A530M-04[9]和相關(guān)材料 （SA-106B）的標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定，在管道返修前首先編制了返修工藝[11]，并得到客戶批準(zhǔn)。返修工藝主要包括以下內(nèi)容： （1）堆焊使用的焊接工藝指導(dǎo)書WPS、焊接工藝評(píng)定PQR，以及施焊焊工均符合ASME第九卷的評(píng)定要求； （2）焊前清理管端內(nèi)外表面油污； （3）采用SMAW方法焊接，按照WPS的要求在管端堆焊，堆焊高度為8～9mm（如圖1所示）； （4） 每個(gè)堆焊層進(jìn)行100%PT檢測(cè)； （5）對(duì)管段進(jìn)行焊后局部熱處理； （6）采用打磨或機(jī)加工方法將管端加工成符合要求的坡口。另外，由于受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，在征得客戶的同意情況下，取消了返修后現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)的步驟。

2.3返修過程和檢驗(yàn)

按照返修工藝規(guī)定步驟，在焊接前首先將SA-106B管距端口25mm以內(nèi)的管段內(nèi)外表面的油污、灰塵等雜質(zhì)清理干凈，并將端口打磨平整。選擇焊接方法為手工電弧焊 （SMAW），根據(jù)WPS規(guī)定選擇焊條為E7015（?3.2），由經(jīng)過ASME第九卷資質(zhì)認(rèn)證的焊工在每一個(gè)待焊管端表面分別進(jìn)行堆焊。在每一個(gè)管段端口分三層實(shí)施堆焊，每層堆焊高度為2～3mm，控制總高度為8～9mm（如圖1、圖2所示）。為保證堆焊焊接質(zhì)量，在每層堆焊后進(jìn)行100%PT檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)表面缺陷 （如圖3所示）或咬邊、成型不良等立即打磨消除，打磨較深處采用TIG方法補(bǔ)焊。補(bǔ)焊區(qū)域經(jīng)PT復(fù)查合格，確認(rèn)沒有缺陷后再堆焊下一層。為消除焊接應(yīng)力，焊接完成后對(duì)焊接端口進(jìn)行局部消應(yīng)力退火處理。采用電加熱器加熱，熱處理溫度為620±12℃，保溫時(shí)間控制為1 h。管段局部熱處理示意圖和實(shí)際工件局部熱處理外觀形貌如圖4、圖5所示。

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，對(duì)堆焊后的管端進(jìn)行打磨或者機(jī)加工處理，去除多余的堆焊金屬 （如圖6所示），加工出符合要求的坡口。整個(gè)返修過程經(jīng)制造廠檢驗(yàn)員和第三方檢驗(yàn)員共同監(jiān)督檢驗(yàn)。完工后的管段長(zhǎng)度，延伸段的直徑、圓度和管壁厚度，管端坡口外形，以及滲透檢測(cè)結(jié)果都符合技術(shù)協(xié)議和相關(guān)材料 （SA-106B）標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明通過堆焊方法延長(zhǎng)管段長(zhǎng)度的效果令人滿意。

圖2 ?457管段堆焊端口 （焊態(tài)、未打磨）

圖3 PT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的堆焊層表面缺陷

圖4 管段局部熱處理示意

圖5 ?355.6管段端口局部熱處理外觀形貌

圖6打磨后的管段堆焊端口形貌

3 討論和結(jié)論

管道失效需要維修，主要可以分為以下幾種情況[12]：由于腐蝕或者機(jī)械損傷造成的管道外部金屬破損；由于腐蝕或沖刷造成的管道內(nèi)部金屬破損；管件泄漏導(dǎo)致的損壞。在選擇管道維修方法時(shí)也應(yīng)考慮管道尺寸上的不足或者管道損壞的其他各種不同情況 （包括長(zhǎng)度和直徑）。

堆焊工藝廣泛應(yīng)用于管道的制作、安裝和維修。其中最為常見和簡(jiǎn)單的就是表面修補(bǔ)。如果管道表面由于機(jī)械損傷或者因咬邊、腐蝕坑、裂紋等缺陷打磨形成凹坑，深度超過管壁名義厚度的12.5%，就需要用堆焊的方式將凹坑補(bǔ)焊至與母材表面平齊。采用表面加硬堆焊(HFO)和耐腐蝕堆焊(CRO)可以通過在管道表面 （外表面或內(nèi)表面）堆焊一層或多層特定化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的熔敷金屬，以改善管道內(nèi)外表面的耐磨性能和耐腐蝕 （或耐熱）性能，提高管道品質(zhì)和適用性。

堆焊的另一個(gè)很重要的用途就是增長(zhǎng)或恢復(fù)管道尺寸。管道因?yàn)楦g、磨損、機(jī)械損傷或者制作誤差超出允許裕度，導(dǎo)致長(zhǎng)度或厚度不足，就需要通過堆焊的方法修補(bǔ)（buildup）。如果是管道局部或整體厚度不足，可以在管子表面采取寬帶極堆焊的方式增加堆焊層；另外在特殊情況下，管段長(zhǎng)度出現(xiàn)不足，例如本文所述，也可以采用SMAW+TIG工藝在管道端口實(shí)施堆焊，延長(zhǎng)管段長(zhǎng)度。

實(shí)踐證明，堆焊既可以快速高效修復(fù)管道材料的缺失、破損失效部位，也可以強(qiáng)化管道的表面性能，對(duì)于合理使用材料，改進(jìn)管道設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本，以及節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，

都具有重要意義。

[1]李長(zhǎng)久，單繼國(guó)，等.堆焊及熱噴涂技術(shù)的最新進(jìn)展[C].第十一次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.2005.

[2]徐濱士,朱紹華.表面工程的理論與技術(shù) [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999.

[3]Dr Sun Zheng,Pan Dayou,Dr Kuo Min. Precision welding for edge buildup and rapid prototyping.SIMTech Technical Report(PT/99/001/JT),1999.

[4]胡邦喜，莽克倫，王靜潔，等.堆焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)石化冶金行業(yè)機(jī)械設(shè)備維修中的應(yīng)用 [J].中國(guó)表面工程，2006,19(3).

[5]姚建華，張群莉，等.激光表面堆焊技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì) [J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2004,41(2).

[6]Kent K Coleman.Development and use of weld repair methodologies in the USA[J].Weld Repair Methodologies in the USA,2003，2(1).

[7]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 3375-1994.焊接術(shù)語(yǔ) [S].1994.

[8]AWSA3.0：2001.Standard welding terms and definitions[S].AWS,2001.

[9]ASTM A530/A530M-04.Standard specification for general requirements for special carbon and alloy steel pipe[S].ASTM,2004.

[10]ASME SA-106.Specification for seamless carbon steel pipe for high-temperature service[S].ASME BPVC,Section II,Part A.2007.

[11]Weld repair procedure for runner 339, Callidus Technologies by Honeywell,Jun 9th,2010.

[12]Temporary/permanent pipe repair guidelines, AEA Technology Consulting,Offshore Technology Report,2001/038.

TG 455

2010-10-08)

*孟大潤(rùn)，男，1977年9月生，碩士，工程師。常熟市，215500。