水壓機端部密封盤焊接修復工藝研究

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

靜水壓試驗作為檢驗焊管質量的試驗之一，在API SPEC 5L、GB/T 9711—2017等鋼管制造標準中均做出了詳實的規定[1-2]。標準要求每根鋼管均應進行靜水壓試驗，按照鋼級、管徑選取相應環向應力中規定最小強度百分比及穩壓時間，并計算試驗壓力。試驗過程中，穩壓階段可暴露鋼管隱性缺陷，同時對全管體進行殘余應力釋放。

螺旋埋弧焊管靜水壓試驗一般采用端面密封方式，分注水、加壓、穩壓、泄壓四個步驟。待鋼管注滿水后采用增壓泵向鋼管內加高壓水，使鋼管內壓力達到規定壓力值。這時鋼管內高壓水就會對水壓機端部密封盤產生反作用力，需采用液壓油泵對密封盤施加相同的壓力，使兩側壓力平衡，保證管端不發生泄漏。整個試驗過程中，因密封盤長期承受較大循環載荷會產生一定的塑性變形，導致密封盤承載部位開裂[3-5]。若定制新的密封裝置，則會因采購周期長、費用高、機組停產而造成較大經濟損失，影響重大管道項目順利進行。因此，研究水壓機端面密封盤焊接修復工藝具有非常重要的意義。

1 試驗材料

密封盤材質為Q355B低合金高強度鋼，化學成分見表1。Q355B低合金高強度鋼屈服強度大于335 MPa，抗拉強度大于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氣體保護焊進行焊接，焊接密封盤示意圖如圖1所示。

表1 Q355B低合金高強度鋼化學成分 %

圖1 焊接密封盤示意圖

通過著色探傷儀檢驗，發現水壓機端面密封盤裂紋主要產生在套與面板的焊縫處，嚴重時裂紋會擴展至套內部。分析認為，在組裝過程中由于強力組裝、預熱、層溫和消除應力處理溫度不夠、焊接不同步及套與面板的焊縫有一面是焊接盲區等原因，在焊縫處產生較大的結構應力，長期承受較大循環載荷作用，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，裂紋貫穿整個焊縫后并沒有在母材處迅速止裂，而是在母材上繼續擴展延伸。

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，很可能導致焊后再次開裂，嚴重影響水壓機現場使用。下面就密封盤焊接修復過程進行介紹。

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、磁粉等檢驗手段對裂紋進行準確定位。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缺陷進行精確測量，探頭在前后移動過程中左右擺動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缺陷進行清除，清除裂紋要求長度≥100 mm，坡口寬度≥50 mm，坡口深度根據裂紋深度確定為40 mm。碳弧氣刨時從兩邊向中間清除裂紋，防止裂紋向兩端擴展，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、滲碳層用角磨機徹底清除，并修磨成圓滑過渡。清除后，利用熒光磁粉檢測缺陷是否清除干凈，確保裂紋缺陷被徹底清除后方可進行焊接。

圖3 碳弧氣刨處理后的裂紋形貌

2.2 焊前預熱

進行焊前預熱，有利于焊接接頭的溫度分布均勻，減少焊縫處的焊接應力，減少焊后的冷卻速度，有利于焊接接頭中的氫氣逸出，同時降低接頭的淬硬程度，因此預熱是防止產生裂紋的有效措施。預熱溫度的選擇視施焊環境溫度、鋼材強度等級、焊件結構剛性、焊縫金屬中擴散氫含量等而定。綜合評估此次修復過程，采用兩把液化氣槍進行預熱，保證焊件表面與內部溫度加熱均勻，預熱溫度在150～200℃之間，預熱參數詳見表2。通過預熱使焊接接頭在較寬區域內減少溫度差，減弱焊接應力的不利影響。

表2 焊前預熱參數

2.3 焊材及參數

采用手工電弧焊，該方法操作靈活，適應性強，可對任意位置進行焊接，滿足密封盤開裂部位的修復需求。選擇與密封盤材質強度匹配的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焊條熔敷金屬化學成分見表3。焊條烘干溫度為360～400℃，保溫時間1～2 h，使用時從保溫筒中隨用隨取，保溫筒內溫度不低于80℃[7-8]。

表3 CHE507焊條熔敷金屬化學成分 %

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

表4 手工電弧焊焊接工藝參數

2.4 焊后熱處理

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

表5 焊后熱處理參數

2.5 無損檢驗

為確保3 000 kN水壓機密封盤修復焊接工藝的可靠性，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其內部缺陷，未發現任何缺欠。采用100%磁粉探傷，未發現焊縫表面有裂紋、氣孔等缺陷，結果均合格。

3 結束語

制定的水壓機密封盤焊接修復工藝，采用手工電弧焊的焊接工藝，通過焊前預熱、焊接規范、焊后熱處理等關鍵工藝參數控制，焊接修復后的密封盤使用效果良好。該修復工藝解決了生產中的實際問題，為重大管線鋼管保供節約了寶貴的時間，對類似厚壁低合金高強度鋼的焊接問題具有一定的參考價值。