水壓機(jī)端部密封盤焊接修復(fù)工藝研究

陳 楠，王海生，李建一，王立民，谷海龍，劉湘軍，馬立新，李紅考

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備鋼管銷售公司，河北 青縣 062658）

0前言

靜水壓試驗(yàn)作為檢驗(yàn)焊管質(zhì)量的試驗(yàn)之一，在API SPEC 5L、GB/T 9711—2017等鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)中均做出了詳實(shí)的規(guī)定[1-2]。標(biāo)準(zhǔn)要求每根鋼管均應(yīng)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，按照鋼級(jí)、管徑選取相應(yīng)環(huán)向應(yīng)力中規(guī)定最小強(qiáng)度百分比及穩(wěn)壓時(shí)間，并計(jì)算試驗(yàn)壓力。試驗(yàn)過程中，穩(wěn)壓階段可暴露鋼管隱性缺陷，同時(shí)對(duì)全管體進(jìn)行殘余應(yīng)力釋放。

螺旋埋弧焊管靜水壓試驗(yàn)一般采用端面密封方式，分注水、加壓、穩(wěn)壓、泄壓四個(gè)步驟。待鋼管注滿水后采用增壓泵向鋼管內(nèi)加高壓水，使鋼管內(nèi)壓力達(dá)到規(guī)定壓力值。這時(shí)鋼管內(nèi)高壓水就會(huì)對(duì)水壓機(jī)端部密封盤產(chǎn)生反作用力，需采用液壓油泵對(duì)密封盤施加相同的壓力，使兩側(cè)壓力平衡，保證管端不發(fā)生泄漏。整個(gè)試驗(yàn)過程中，因密封盤長期承受較大循環(huán)載荷會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，導(dǎo)致密封盤承載部位開裂[3-5]。若定制新的密封裝置，則會(huì)因采購周期長、費(fèi)用高、機(jī)組停產(chǎn)而造成較大經(jīng)濟(jì)損失，影響重大管道項(xiàng)目順利進(jìn)行。因此，研究水壓機(jī)端面密封盤焊接修復(fù)工藝具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)材料

密封盤材質(zhì)為Q355B低合金高強(qiáng)度鋼，化學(xué)成分見表1。Q355B低合金高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度大于335 MPa，抗拉強(qiáng)度大于470 MPa，20℃夏比沖擊功大于27 J。密封盤直徑為2 400 mm，面板厚度為80 mm，套直徑為560 mm，套壁厚為140 mm。采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接密封盤示意圖如圖1所示。

表1 Q355B低合金高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分 %

圖1 焊接密封盤示意圖

通過著色探傷儀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水壓機(jī)端面密封盤裂紋主要產(chǎn)生在套與面板的焊縫處，嚴(yán)重時(shí)裂紋會(huì)擴(kuò)展至套內(nèi)部。分析認(rèn)為，在組裝過程中由于強(qiáng)力組裝、預(yù)熱、層溫和消除應(yīng)力處理溫度不夠、焊接不同步及套與面板的焊縫有一面是焊接盲區(qū)等原因，在焊縫處產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，長期承受較大循環(huán)載荷作用，易造成焊縫疲勞開裂。Q355B鋼材金相組織如圖2所示，可以看出顯微組織由鐵素體和珠光體組成，且晶粒較粗大，組織韌性較差。因此，裂紋貫穿整個(gè)焊縫后并沒有在母材處迅速止裂，而是在母材上繼續(xù)擴(kuò)展延伸。

圖2 Q355B鋼材金相組織

由于密封盤壁厚大，在裂紋處理過程中，如工藝措施不當(dāng)，很可能導(dǎo)致焊后再次開裂，嚴(yán)重影響水壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用。下面就密封盤焊接修復(fù)過程進(jìn)行介紹。

2 密封盤裂紋處理方法

2.1 定位及清理

清理前先利用超聲波、磁粉等檢驗(yàn)手段對(duì)裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確定位。按照NB/T 47013的要求[6]，首先用超聲波橫波斜探頭采用鋸齒形掃查對(duì)缺陷進(jìn)行精確測(cè)量，探頭在前后移動(dòng)過程中左右擺動(dòng)10°～15°，確定裂紋缺陷的深度、長度和位置，然后再用氣刨方式對(duì)缺陷進(jìn)行清除，清除裂紋要求長度≥100 mm，坡口寬度≥50 mm，坡口深度根據(jù)裂紋深度確定為40 mm。碳弧氣刨時(shí)從兩邊向中間清除裂紋，防止裂紋向兩端擴(kuò)展，刨后坡口底部呈U形，兩端坡口要刨成較小的緩坡，便于手工電弧焊操作，減少焊接應(yīng)力，氣刨處理后的裂紋形貌如圖3所示。然后將氧化物、淬硬層、滲碳層用角磨機(jī)徹底清除，并修磨成圓滑過渡。清除后，利用熒光磁粉檢測(cè)缺陷是否清除干凈，確保裂紋缺陷被徹底清除后方可進(jìn)行焊接。

圖3 碳弧氣刨處理后的裂紋形貌

2.2 焊前預(yù)熱

進(jìn)行焊前預(yù)熱，有利于焊接接頭的溫度分布均勻，減少焊縫處的焊接應(yīng)力，減少焊后的冷卻速度，有利于焊接接頭中的氫氣逸出，同時(shí)降低接頭的淬硬程度，因此預(yù)熱是防止產(chǎn)生裂紋的有效措施。預(yù)熱溫度的選擇視施焊環(huán)境溫度、鋼材強(qiáng)度等級(jí)、焊件結(jié)構(gòu)剛性、焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量等而定。綜合評(píng)估此次修復(fù)過程，采用兩把液化氣槍進(jìn)行預(yù)熱，保證焊件表面與內(nèi)部溫度加熱均勻，預(yù)熱溫度在150～200℃之間，預(yù)熱參數(shù)詳見表2。通過預(yù)熱使焊接接頭在較寬區(qū)域內(nèi)減少溫度差，減弱焊接應(yīng)力的不利影響。

表2 焊前預(yù)熱參數(shù)

2.3 焊材及參數(shù)

采用手工電弧焊，該方法操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，可對(duì)任意位置進(jìn)行焊接，滿足密封盤開裂部位的修復(fù)需求。選擇與密封盤材質(zhì)強(qiáng)度匹配的Φ4.0 mm CHE507GX焊條作為焊接材料，該焊條屬于低氫型堿性焊條，CHE507GX焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表3。焊條烘干溫度為360～400℃，保溫時(shí)間1～2 h，使用時(shí)從保溫筒中隨用隨取，保溫筒內(nèi)溫度不低于80℃[7-8]。

表3 CHE507焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

手工電弧焊焊接工藝參數(shù)見表4。按照表4的焊接工藝參數(shù)，控制焊接電流、焊接電壓、焊速、層間溫度等參數(shù)，進(jìn)而控制焊接熱輸入和冷卻速度，以達(dá)到焊接區(qū)域韌化目的。

表4 手工電弧焊焊接工藝參數(shù)

2.4 焊后熱處理

焊后熱處理工藝是焊接完成后進(jìn)行一道重要工序。熱處理目的是消除焊縫殘余應(yīng)力、殘余氫以及改善焊縫接頭性能[9-12]。由于焊后拘束應(yīng)力較大，如果不進(jìn)行熱處理，極易產(chǎn)生裂紋。由于密封盤工件尺寸大，拆裝困難，采用加熱爐進(jìn)行熱處理較為困難，故采用電加熱的方式進(jìn)行焊后熱處理。焊接完成后立即將陶瓷加熱帶覆蓋在密封盤修復(fù)焊縫表面及兩側(cè)，表面用防火石棉布進(jìn)行保溫，熱處理參數(shù)見表5。

表5 焊后熱處理參數(shù)

2.5 無損檢驗(yàn)

為確保3 000 kN水壓機(jī)密封盤修復(fù)焊接工藝的可靠性，焊接完成后，按照NB/T 47013—2015的要求，采用超聲波探傷的方法檢測(cè)其內(nèi)部缺陷，未發(fā)現(xiàn)任何缺欠。采用100%磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)焊縫表面有裂紋、氣孔等缺陷，結(jié)果均合格。

3 結(jié)束語

制定的水壓機(jī)密封盤焊接修復(fù)工藝，采用手工電弧焊的焊接工藝，通過焊前預(yù)熱、焊接規(guī)范、焊后熱處理等關(guān)鍵工藝參數(shù)控制，焊接修復(fù)后的密封盤使用效果良好。該修復(fù)工藝解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問題，為重大管線鋼管保供節(jié)約了寶貴的時(shí)間，對(duì)類似厚壁低合金高強(qiáng)度鋼的焊接問題具有一定的參考價(jià)值。