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金屬密封截止閥焊接要求 金屬密封截止閥焊接要求 金屬密封截止閥焊接要求 金屬密封截止閥

之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹分析了在材料為ZG1Cr13的截止閥閥瓣上堆焊鈷基硬質合金時出現的堆焊缺陷。基于焊接工藝評定試驗、焊接性能分析及出現問題后的工藝改進，堆焊裂紋的缺陷可以大幅度的減少甚至消除。

1、概述
金屬密封截止閥作為輸送和切斷流體介質組件之一，在石油、化工、冶金和城市建設中得到了廣泛的應用。通過選用不同的材質，金屬密封截止閥可以適用于水、蒸汽、油品、硝酸、尿素和煤灰渣等多種介質，因此開發(fā)新產品來確保產品質量和使用壽命顯得尤為重要。密封面具有閥門“心臟”之稱，是閥門zui重要的工作面之一，承擔了閥門的啟閉工作，密封面的好壞直接影響著閥門的使用壽命，對于硬密封截止閥的密封副主要由閥瓣和閥座構成，為了確保密封面有更好的耐磨性和耐蝕性，常在閥座和閥瓣基體上堆焊耐蝕合金或者耐磨合金焊條。本文中主要討論在基體材料為ZG1Cr13的閥瓣上堆焊鈷基硬質合金的焊接工藝及改進措施。截止閥（stop valve,Globe Valve）的啟閉件是塞形的閥瓣，密封面呈平面或錐面，閥瓣沿流體的中心線作直線運動。氣動截止閥只適用于全開和全關，不允許作調節(jié)和節(jié)流。截止閥屬于強制密封式閥門，所以在閥門關閉時，必須向閥瓣施加壓力，以強制密封面不泄漏。當介質由閥瓣下方進入閥門時，操作力所需要克服的阻力，是閥桿和填料的摩擦力與由介質的壓力所產生的推力，關閥門的力比開閥門的力大，所以閥桿的直徑要大，否則會發(fā)生閥桿頂彎的故障。近年來，從自密封的閥門出現后，截止閥的介質流向就改由閥瓣上方進入閥腔，這時在介質壓力作用下，關閥門的力小，而開閥門的力大，閥桿的直徑可以相應地減少。同時，在介質作用下，這種形式的閥門也較嚴密。

口徑范圍:DN15≈DN300。
壓力范圍:PN16-PN160 
溫度范圍:－40℃≈500℃。 
傳動方式:手動。
閥體材質:不銹鋼304、不銹鋼316、不銹鋼304L、不銹鋼316L。
連接方式:法蘭、焊接。

2、焊接性分析
(1)材料屬性分析ZG1Cr13屬于馬氏體不銹鋼，其與ASMEA217/A217M相當，材料的主要化學成分如表1所示。ZG1Cr13在閥門制造中，很多情況下作為中、低碳鋼母材上的鐵基硬質合金堆焊材料被使用。ZG1Cr13與CF3、CF8M相比，經過適當的熱處理，ZG1Cr13有更高的抗拉強度，且價格較CF3、CF8M低廉，所以在石油化工設備中常選用它作為閥體內件。由于馬氏體不銹鋼淬硬傾向較大、易在熱影響區(qū)引起開裂，因此馬氏體鋼焊接時容易發(fā)生冷裂紋。表1 ZG1Cr13材料化學成分(質量分數)(%)ZG1Cr13材料化學成分

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥堆焊材料為鈷基硬質合金Slite6，焊絲主要化學成分如表2所示，常溫硬度40~45HRC，通常作為低合金耐熱鋼和低碳鋼基體的堆焊材料。本焊絲材料具有良好的耐蝕、耐磨損性能及在540℃高溫時具有良好的紅硬性。在晶相組織中發(fā)現材料中含有大量的高硬度的碳化物，因此在焊接過程中容易產生脆性裂紋。同時Slite6的線膨脹系數比ZG1Cr13的小。表2 Slite6材料化學成分(質量分數)(%)Slite6材料化學成分

根據兩種材料的化學成分和性能特點，可以初步斷定，在ZG1Cr13的母材上堆焊Slite6易于開裂。如果直接堆焊工藝失敗，可以考慮堆焊過渡層和堆焊隔離層的方法。

3、焊接工藝評定
(1)閥瓣結構特點如圖1所示，截止閥閥瓣隨著通徑的變大，密封面的外圓D1也變大，堆焊的寬度L也變大，這樣需要多層多道焊接來完成，焊接應力分布較復雜。在堆焊前應對待焊表面及近縫區(qū)進行磁粉探傷，以確保帶焊區(qū)域沒有鑄造缺陷。截止閥閥瓣堆焊后圖1 截止閥閥瓣堆焊后

(2)焊接工藝方法的選擇目前國內堆焊鈷基硬質合金的方法多采用等離子弧焊、焊條電弧焊和鎢極氬弧焊，前兩種焊接方法效率較高，后兩種焊接比較靈活。選擇焊接方法的重要原則是高的熔敷速度和低的稀釋率。表3是根據我公司多年的經驗積累，總結的各焊接方法的優(yōu)缺點。表3 焊接方法優(yōu)缺點對比焊接方法優(yōu)缺點對比焊接后檢測按照焊接標準應進行滲透探傷、硬度和化學成分的檢測。

4、試生產結果
通徑為DN≤100mm的閥瓣未發(fā)生裂紋缺陷。通徑為150~250mm的閥瓣偶有開裂，開裂條數為兩條左右，這可以通過對缺陷打磨成V形坡口進行補焊。

通徑為300~400mm的閥瓣開裂較為嚴重，部分閥瓣的開裂條數達6條左右，并且裂紋延伸到熱影響區(qū)外，按照要求一般裂縫多于4條，可以視為零件的報廢。

5、改進后堆焊工藝
(1)堆焊工藝選擇經過試件的焊接，鑒于大口徑閥瓣需要多層多道焊接來完成，焊接應力分布較復雜，焊接缺陷率較高，返工周期較長，成本較高，有時一次修整不能確保合格，導致產品報廢風險較高。由此采用在閥瓣上先堆焊隔離層，再堆焊ERCoCr-A的方法。隔離層的材料為AISI309不銹鋼，該材料抗氧化性高，高溫強度好，在加氫裝置、核電管道和熱交換器上都有應用，還可以用于異種鋼的焊接。

選用國產A302焊條，焊絲直徑為4mm，焊接電流為110~120A，在閥瓣上堆焊一層過渡層，預熱與后熱后的焊縫未發(fā)現裂紋。

(2)堆焊工藝方法閥瓣尺寸較大時，首先選擇堆焊隔離層，焊接隔離層之前，需要對閥瓣進行預熱100~150℃，焊接電流為140A，電弧電壓24~28V，焊接速度為15~16cm/min，焊接過程始終保持閥瓣堆焊層間溫度不低于預熱溫度，采用退位法，以避開相鄰焊道間起弧點與收弧點，焊接坡口形式如圖2所示。隔離層堆焊完畢后進行外觀檢測，然后對閥瓣堆焊部位進行去應力處理，并依據閥門堆焊標準進行PT檢測。截止閥閥瓣堆焊坡口形式圖2 截止閥閥瓣堆焊坡口形式

對隔離層進行焊縫表面清理，清理干凈后方可進行Slite6堆焊。根據鈷基合金的焊條技術要求，焊接前根據閥瓣的尺寸大小，在爐子內預熱到300~600℃，焊后應在600～700℃回火1h后再緩冷或將工件放入干燥或預熱的沙箱內緩冷。在堆焊前，為了消除裂紋，焊條須經150℃烘焙1h左右。

焊接時采用直流反接，小電流短弧堆焊，否則會增加母材的熔深，降低堆焊鈷基合金的性能，焊接速度為15~16cm/min。其詳細的焊接參數如表4所示。

焊接完畢后立即進行消除應力熱處理，熱處理后進行滲透探傷檢測，檢測標準為JB4730.5-2005Ⅰ級，zui后對堆焊面進行硬度檢測。表4 堆焊參數截止閥的閥瓣堆焊工藝研究

為了提高勞動效率，降低勞動強度，確保均勻的堆焊厚度和高質量的連續(xù)焊縫，我公司采用全自動機械手焊接(見圖3)，經過多次試驗，焊接效率得到了顯著的提高，質量有了保證。自動焊接機械手圖3 全自動焊接機械手

6、結語
對于小口徑截止閥的閥瓣，嚴格控制焊接過程，尤其是要做好預熱、后熱工作，在ZG1Cr13基體上直接焊接鈷基硬質合金可以實現一次合格。對于大口徑截止閥的閥瓣，為了降低堆焊裂紋的缺陷，可以采用AWS E309-16做隔離層。在實際生產中，可以根據口徑的大小，選擇合適的堆焊工藝方法。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥