使管道加長的堆焊工藝

孟大潤

（江蘇省特檢院常熟分院，江蘇 常熟 215500）

堆焊技術的顯著特點是堆焊層與母材具有典型的冶金結合，而且可以根據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、耐輻射等優良性能，在工藝上具有很大的靈活性。相對于其他維修工藝，堆焊不僅可以快速高效修復各種機械設備、工具，延長使用壽命，而且節約工時，綜合費用最少，經濟可行。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、刀具或風機葉片等的工藝中。

隨著焊接設備的不斷發展以及對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。傳統的的堆焊方法有：手工電弧焊（SMAW）、藥芯氣體保護電弧堆焊(FCAW)、埋弧堆焊（SAW）、氧乙炔焰堆焊(OFW)及氬弧焊(TIG)等。近年來，在國內外制造業的推動下，不斷有新的堆焊技術出現并在諸多行業得到應用。比如，寬帶極堆焊、激光堆焊等技術已成功應用到石化、冶金、電力等行業的設備維修。在管道的制造或在役維修過程中，堆焊也是不可或缺的一種焊接工藝。筆者結合材質為SA-106B的無縫管預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用以及相應的工藝要求。

一、應用案例

在某石化項目無縫管道現場制作過程中，發現部分管段長度不符合圖紙要求。具體情況為：無縫鋼管材質為SA-106B，規格為φ355.6mm×9.53mm、φ457mm×9.53mm、φ609.6mm×9.53mm的三段管段，實際長度比標準值分別短了約5～7mm。根據設計標準ASME B31.3和相關技術協議的規定，允許誤差值為3mm，以上管段長度已經超出允許誤差范圍，但由于開孔以及支管焊接已經完成，所以只能選擇在管段某一特定端口通過堆焊的方法延長管子長度。

二、返修工藝確定和返修過程

1.焊接方法的選擇

根據定義，堆焊是指為增大或恢復焊件尺寸，或使焊件表面獲得特殊性能的熔敷金屬而進行的焊接。其中，按照美國焊接學會AWS的分類，堆焊又可以根據其焊接目的的不同而分為以下幾種：單為增大或恢復尺寸的堆焊稱為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；為調整表面成分起隔離作用的稱為Buttering。

選擇合適的堆焊方法時，應著重考慮下列因素：（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、形狀復雜程度、堆焊位置和是否批量生產；現有焊接設備、工裝、焊工技術水平能否滿足要求；（3）低的綜合成本。在該項目中，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，工況復雜，焊接難度較大，所以優先選擇有經驗的焊工手工施焊。而且對于小批量生產，手工焊也是最普通、最經濟的方法。常用的手工焊接方法有SMAW、TIG (GTAW)等。為提高堆焊效率，選擇SMAW方法，采用較大直徑焊條（φ3.2mm），在特定管端準備實施多層堆焊。同時準備采用TIG方法修補堆焊層內外表面小的缺陷。TIG焊接的一個優勢在于可用于精確焊接和焊縫質量比較高。

2.堆焊返修工藝確定

根據美國材料學會標準《特殊碳鋼和合金鋼管的通用要求》 （A530/A530M-04） 中關于用焊接方法返修的規定，材質為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成分適合焊件的成分；（2）在焊接前應該用切割或打磨的方法完全去除缺陷，并根據相關規范的要求，對所有返修部位重新做熱處理或者應力釋放；（3）管子的所有返修部位應該按照產品規范的要求做水壓試驗；（4）用于施焊的焊接工藝和焊工應通過ASME鍋爐和壓力容器規范的評定。

根據A530/A530M-04和相關材料（SA-106B） 標準規定，在管道返修前首先編制了返修工藝，并得到客戶批準。返修工藝主要包括以下內容：（1）堆焊使用的焊接工藝指導書WPS、焊接工藝評定PQR，以及施焊焊工均符合ASME中評定要求；（2） 焊前清理管端內外表面油污；（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；（4） 每個堆焊層進行100%PT（性能試驗） 檢測；（5） 對管段進行焊后局部熱處理；（6） 采用打磨或機加工方法將管端加工成符合要求的坡口。另外，由于受現場條件的限制，在征得客戶同意的情況下，取消了返修后現場水壓試驗的步驟。

3.返修過程和檢驗

按照返修工藝規定步驟，在焊接前首先對SA-106B管段距端口25mm以內的管段內外表面的油污、灰塵等雜質清理干凈，并將端口打磨平整。選擇焊接方法為手工電弧焊（SMAW），根據WPS規定選擇焊條為E7015（φ3.2mm），由經過ASME資質認證的焊工在每一個待焊管端表面分別進行堆焊。在每一個端口分三層實施堆焊，每層堆焊高度為2～3mm，控制總高度為8～9mm。為保證堆焊焊接質量，在每層堆焊后進行100%PT檢測，發現表面缺陷，或咬邊、成型不良等立即打磨消除，打磨較深處采用TIG方法補焊。補焊區域經PT復查合格，確認沒有缺陷再堆焊下一層。為消除焊接應力，焊接完成后對焊接端口進行局部消應力退火處理。采用電加熱器加熱，熱處理溫度為620±12℃，保溫時間控制為1h。

按照設計圖紙要求，對堆焊后的管端進行打磨或者機加工處理，去除多余長度的堆焊金屬，加工出符合要求的坡口。整個返修過程經制造廠檢驗員和第三方檢驗員共同監督檢驗，完工后的管段長度、延伸段的直徑、圓度和管壁厚度，管端坡口外觀以及滲透檢測結果都符合技術協議和相關材料標準SA-106B的要求，說明通過堆焊方法延長管段長度的效果令人滿意。

三、結論

管道失效需要維修，主要可以分為以下幾種情況：腐蝕或機械損傷造成的管道外部金屬破損；腐蝕或沖刷造成的管道內部金屬破損；管件泄漏導致的損壞。在選擇管道維修方法時也應考慮管道尺寸上的不足或者損壞的各種不同情況（包括長度和直徑）。堆焊工藝廣泛應用于管道的制作、安裝和維修過程。其中最為常見和簡單的就是表面修補。如果管道表面由于機械損傷或因咬邊、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%，需要用堆焊的方式補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（外表面或內表面）堆焊一層或多層特定化學成分和組織結構的熔敷金屬，以改善管道內外表面的耐磨性能和耐腐蝕（或耐熱）性能，提高管道品質和適用性。堆焊的另一個很重要的用途就是增長或恢復管道尺寸。管道因為腐蝕、磨損、機械損傷或制作誤差超出允許裕度，導致長度或厚度不足，需要通過堆焊的方法修補。如果是管道局部或整體厚度不足，可在管子表面采取寬帶極堆焊的方式增加堆焊層。

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