使管道加长的堆焊工艺

孟大润

（江苏省特检院常熟分院，江苏 常熟 215500）

堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，而且可以根据服役性能选择堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等优良性能，在工艺上具有很大的灵活性。相对于其他维修工艺，堆焊不仅可以快速高效修复各种机械设备、工具，延长使用寿命，而且节约工时，综合费用最少，经济可行。堆焊（包括表面加硬堆焊和耐磨堆焊）已广泛用于维修破损的轴承、轧辊、齿轮、刀具或风机叶片等的工艺中。

随着焊接设备的不断发展以及对于新材料焊接性能的了解，越来越多的焊接方法被用于堆焊工艺。传统的的堆焊方法有：手工电弧焊（SMAW）、药芯气体保护电弧堆焊(FCAW)、埋弧堆焊（SAW）、氧乙炔焰堆焊(OFW)及氩弧焊(TIG)等。近年来，在国内外制造业的推动下，不断有新的堆焊技术出现并在诸多行业得到应用。比如，宽带极堆焊、激光堆焊等技术已成功应用到石化、冶金、电力等行业的设备维修。在管道的制造或在役维修过程中，堆焊也是不可或缺的一种焊接工艺。笔者结合材质为SA-106B的无缝管预制造过程中采用堆焊返修的案例，探讨了堆焊工艺在管道维修过程中的特殊应用以及相应的工艺要求。

一、应用案例

在某石化项目无缝管道现场制作过程中，发现部分管段长度不符合图纸要求。具体情况为：无缝钢管材质为SA-106B，规格为φ355.6mm×9.53mm、φ457mm×9.53mm、φ609.6mm×9.53mm的三段管段，实际长度比标准值分别短了约5～7mm。根据设计标准ASME B31.3和相关技术协议的规定，允许误差值为3mm，以上管段长度已经超出允许误差范围，但由于开孔以及支管焊接已经完成，所以只能选择在管段某一特定端口通过堆焊的方法延长管子长度。

二、返修工艺确定和返修过程

1.焊接方法的选择

根据定义，堆焊是指为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。其中，按照美国焊接学会AWS的分类，堆焊又可以根据其焊接目的的不同而分为以下几种：单为增大或恢复尺寸的堆焊称为Buildup；为满足耐热、耐蚀的堆焊称为Cladding；为满足耐磨要求的堆焊称为Hardfacing；为调整表面成分起隔离作用的称为Buttering。

选择合适的堆焊方法时，应着重考虑下列因素：（1）有低的稀释率、较高的熔敷速度和效率；（2） 所需堆焊工件的尺寸、形状复杂程度、堆焊位置和是否批量生产；现有焊接设备、工装、焊工技术水平能否满足要求；（3）低的综合成本。在该项目中，由于要在无缝管端口的管壁截面上施焊，管壁厚度只有9.53mm，焊接截面积小，工况复杂，焊接难度较大，所以优先选择有经验的焊工手工施焊。而且对于小批量生产，手工焊也是最普通、最经济的方法。常用的手工焊接方法有SMAW、TIG (GTAW)等。为提高堆焊效率，选择SMAW方法，采用较大直径焊条（φ3.2mm），在特定管端准备实施多层堆焊。同时准备采用TIG方法修补堆焊层内外表面小的缺陷。TIG焊接的一个优势在于可用于精确焊接和焊缝质量比较高。

2.堆焊返修工艺确定

根据美国材料学会标准《特殊碳钢和合金钢管的通用要求》 （A530/A530M-04） 中关于用焊接方法返修的规定，材质为SA-106B的高温用无缝碳钢钢管的缺陷返修必须满足以下条件：（1）返修必须征得客户的同意，并且确保用于施焊的填充金属的化学成分适合焊件的成分；（2）在焊接前应该用切割或打磨的方法完全去除缺陷，并根据相关规范的要求，对所有返修部位重新做热处理或者应力释放；（3）管子的所有返修部位应该按照产品规范的要求做水压试验；（4）用于施焊的焊接工艺和焊工应通过ASME锅炉和压力容器规范的评定。

根据A530/A530M-04和相关材料（SA-106B） 标准规定，在管道返修前首先编制了返修工艺，并得到客户批准。返修工艺主要包括以下内容：（1）堆焊使用的焊接工艺指导书WPS、焊接工艺评定PQR，以及施焊焊工均符合ASME中评定要求；（2） 焊前清理管端内外表面油污；（3） 采用SMAW方法焊接，按照WPS的要求在管端堆焊，堆焊高度为8～9mm；（4） 每个堆焊层进行100%PT（性能试验） 检测；（5） 对管段进行焊后局部热处理；（6） 采用打磨或机加工方法将管端加工成符合要求的坡口。另外，由于受现场条件的限制，在征得客户同意的情况下，取消了返修后现场水压试验的步骤。

3.返修过程和检验

按照返修工艺规定步骤，在焊接前首先对SA-106B管段距端口25mm以内的管段内外表面的油污、灰尘等杂质清理干净，并将端口打磨平整。选择焊接方法为手工电弧焊（SMAW），根据WPS规定选择焊条为E7015（φ3.2mm），由经过ASME资质认证的焊工在每一个待焊管端表面分别进行堆焊。在每一个端口分三层实施堆焊，每层堆焊高度为2～3mm，控制总高度为8～9mm。为保证堆焊焊接质量，在每层堆焊后进行100%PT检测，发现表面缺陷，或咬边、成型不良等立即打磨消除，打磨较深处采用TIG方法补焊。补焊区域经PT复查合格，确认没有缺陷再堆焊下一层。为消除焊接应力，焊接完成后对焊接端口进行局部消应力退火处理。采用电加热器加热，热处理温度为620±12℃，保温时间控制为1h。

按照设计图纸要求，对堆焊后的管端进行打磨或者机加工处理，去除多余长度的堆焊金属，加工出符合要求的坡口。整个返修过程经制造厂检验员和第三方检验员共同监督检验，完工后的管段长度、延伸段的直径、圆度和管壁厚度，管端坡口外观以及渗透检测结果都符合技术协议和相关材料标准SA-106B的要求，说明通过堆焊方法延长管段长度的效果令人满意。

三、结论

管道失效需要维修，主要可以分为以下几种情况：腐蚀或机械损伤造成的管道外部金属破损；腐蚀或冲刷造成的管道内部金属破损；管件泄漏导致的损坏。在选择管道维修方法时也应考虑管道尺寸上的不足或者损坏的各种不同情况（包括长度和直径）。堆焊工艺广泛应用于管道的制作、安装和维修过程。其中最为常见和简单的就是表面修补。如果管道表面由于机械损伤或因咬边、腐蚀坑、裂纹等缺陷打磨形成凹坑，深度超过管壁名义厚度的12.5%，需要用堆焊的方式补焊至与母材表面平齐。采用表面加硬堆焊(HFO)和耐腐蚀堆焊(CRO)可以通过在管道表面（外表面或内表面）堆焊一层或多层特定化学成分和组织结构的熔敷金属，以改善管道内外表面的耐磨性能和耐腐蚀（或耐热）性能，提高管道品质和适用性。堆焊的另一个很重要的用途就是增长或恢复管道尺寸。管道因为腐蚀、磨损、机械损伤或制作误差超出允许裕度，导致长度或厚度不足，需要通过堆焊的方法修补。如果是管道局部或整体厚度不足，可在管子表面采取宽带极堆焊的方式增加堆焊层。

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