大型阀门耐腐蚀层的堆焊与加工工艺研究*

左丽娜，杜先鹏，马玉强，李 睿，张 悦

（1.沈阳东北制药装备制造安装有限公司，沈阳110026；2.南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲412001；3.沈阳易鑫科技开发有限公司，沈阳，110027；4.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870）

0 引 言

阀门是工业管道中必不可少的控制部件，尤其在大直径、较远距离流体输送管道中，更是起着至关重要的作用。随着国民经济的发展，阀门行业已成为我国装备制造业的重要组成部分之一，对阀门的结构、材料和加工工艺等提出了更高的要求，同时提高产品性能，降低成本也越来越受到关注[1]。工业发达国家生产的阀门材料多达百余种，产品适应能力很强。国内阀门行业通过技术引进及自主研发，制造能力逐步提高[2]。目前，阀门材料的类型多为铸铁类、碳钢类、合金钢类及特种钢类等。

在石油化工行业，通过阀门的流体可能具有一定的腐蚀性，对阀门寿命影响很大，有时流体中还含有固体颗粒，随着流动冲击阀门内壁而引起严重磨损[3]。因此阀门要具有耐腐蚀、耐磨擦等性能。可采用不锈钢等材料制造阀体，但成本很高。特别是对于大型阀门，如果采用碳钢铸造阀体，然后在内表面增加耐腐蚀层，既可满足使用要求，又可降低成本[4]。大型复杂结构阀体通常为铸造而成，常用材料牌号为ASTM-A216-WCB，简称WCB，是一种可在-28.9～413℃长期使用的适合于熔焊的碳素钢[5]。增加耐腐蚀层可采用多种技术实现[6-10]，其中堆焊技术较成熟，广泛用于耐腐蚀层加工。该技术需要对阀体内部耐腐蚀层的堆焊与加工工艺过程进行研究。

1 阀门的结构与三维实体建模

1.1 阀门结构

闸阀是管道中常用的阀门之一，进出口直径达到500mm时，已属大型阀门，阀体质量已超1 t，加上控制机构其质量将接近2 t。图1给出了DN500型阀门结构。

一般情况下，该阀门由气动机构完成开关动作，但特殊情况时，如停电、气动系统故障等，只能采用手动机构完成开关动作。在手动机构和气动机构中都有连轴与脱轴装置，防止动作干涉。

阀门的阀体用碳钢铸造而成，成本较低，但耐腐蚀性、耐磨性欠佳，需要在与流体接触的表面堆焊耐腐蚀层。阀芯和端盖整体都用不锈钢制造。

图1 DN500型阀门结构

1.2 阀体的三维实体建模

为了进行结构分析和成本估算，根据前述阀门结构，采用UG NX 7.5软件对阀体进行三维实体建模，如图2所示。通过结构分析可知，阀体内表面各处都能进行手工堆焊操作，不会出现干涉。通过UG软件的几何测量功能，可得阀体质量约为1.49 t（密度取7.8 kg/m3），内部表面积约为3.83 m2，为估算铸造和堆焊成本提供了参考数据。

图2 阀体的三维实体模型

2 耐腐蚀层堆焊工艺设计

根据设计要求，耐腐蚀层与基体间应有过渡层，两层的堆焊厚度都要控制在（3±0.5）mm范围内。

2.1 非配合面的堆焊工艺

阀体内表面大部分是非配合表面，故此采用如图3所示的工艺堆焊耐腐蚀层，并保证厚度即可。在图3中，第1层为过渡层，采用A312焊条，直流反接，焊接电压20～25 V，焊接电流140～160 A；第2层为耐腐蚀层，采用A022焊条，直流反接，焊接电压20～25 V，焊接电流140～160 A。几何误差要求为：焊缝边缘直线度误差控制在2mm以内，堆焊平面度误差控制在1.5mm以内，焊道高度差控制在1.5mm以内。

图3 非配合面堆焊耐腐蚀层

2.2 配合面的堆焊工艺

阀体中部横向分布4个内圆柱面，分别与阀芯和端盖配合，故此这4个内圆柱面为配合表面，必须在耐腐蚀层堆焊后进行切削加工，形成加工表面并达到尺寸精度要求。阀体中部4个内圆柱面与阀芯和端盖的配合尺寸及精度均为 φ360H8（+0.0890）/f7（-0.062-0.119）， 堆焊后内圆柱面需要镗削加工，阀芯及端盖需要车削加工，计算过程相似，在此以阀体内圆柱面为例进行说明。图4给出了配合面耐腐蚀层的堆焊工艺，其中第1和2层与前述非配合面堆焊工艺相同，第3层也是耐腐蚀层，采用A022焊条焊接，焊接参数同前，堆焊厚度拟定(2±0.5)mm，确切数值需要进一步计算而定，既要保证镗削加工后能达到要求尺寸及精度φ360H8（+0.0890），又要保证堆焊厚度要求。

图4 配合面堆焊耐腐蚀层示意图

2.3 焊条用量的估算

估算焊条用量进而可以估算出堆焊成本。焊条用量应根据堆焊面积和厚度，按式（1）和式（2）计算。

式中：Q—焊条用量，kg；

S堆—待堆焊表面面积，m2；

h1—第1层堆焊厚度，mm；

n0—每千克焊条根数；

V0—每根焊条有效堆焊体积，mm3。

式中：h2—第2层堆焊厚度，mm；

S加—堆焊后再加工表面面积，m2；

h3—第3层堆焊厚度，mm。

如前述，阀体内表面已通过软件计算得出，即 S堆=3.83 m2， h1=h2=(3±0.5)mm， h3=(2±0.5)mm。需要加工的表面为4个内圆柱面，即S加=0.25 m2。

堆焊采用直径φ4.0mm，长400mm的焊条，每千克约19根，即n0=19。每根焊条焊接后残留长度按40mm计算，则V0=4 524mm3。

将以上数据代入（1）式、（2）式可得焊条估算用量， QA312=(134±22)kg， QA022=(140±23)kg。

3 配合面的加工工艺

3.1 配合面的堆焊与加工过程

阀体中部的4个内圆柱面与阀芯和端盖即有配合要求，又要含有耐腐蚀层，堆焊后要进行切削加工得到配合面。故此为了达到尺寸精度要求，必须设计配合面的加工工艺，如图5所示。根据阀体结构特点，首先以内圆柱面为粗基准，加工阀体两端的外圆，得到具有一定精度的加工面（见图5（a）），然后根据互为基准的原则，以两端外圆柱面为精基准，加工4个内圆柱面，也要达到一定精度（见图5（b）），然后按前述堆焊工艺进行堆焊，保证焊接质量（见图5（c）），最后再以两端外圆柱面为精基准，加工4个已堆焊的内圆柱面，达到配合面的尺寸精度要求（见图5（d））。

由图5（b）和图5（d）不难看出， 既要保证配合尺寸D3的精度，又要保证耐腐蚀层的厚度h，就必须计算尺寸D1。否则，可能出现D1过小，导致堆焊的耐腐蚀层全被切掉后才能达到D3的精度；还可能出现D1过大，必须增大耐腐蚀层厚度，才能达到D3的精度，从而影响耐腐蚀层与基体材料的连接强度。

图5 配合面的加工工艺

图6 加工工艺尺寸链

3.2 加工工艺尺寸链的计算

根据配合面加工工艺的设计与分析可知，尺寸D1，D3与厚度h组成工艺尺寸链，如图6（a）所示。为了方便计算，采用半径尺寸，如图6（b）所示。可见，从而

加工工艺是先按尺寸D1加工底孔，再堆焊耐腐蚀层，然后再按尺寸D3加工达到配合精度要求。不难理解，耐腐蚀层厚度h是间接得到的，故此h在尺寸链中是封闭环，进而可知在图6（b）中 R1为增环， R3为减环。

加工工艺尺寸链的基本计算公式为

式中：A0—封闭环的基本尺寸；

Ai—增环的基本尺寸；

Aj—减环的基本尺寸；

m—增环数；

n—减环数。

式中：ES0—封闭环的上偏差；

ESi—增环的上偏差；

EIj—减环的下偏差。

式中：EI0—封闭环的下偏差；

EIi—增环的下偏差；

ESj—减环的上偏差。

在此已知封闭环和减环，计算增环的基本尺寸及上下偏差，由（3）式可知，h=R1-R3，从而可得R1=R3+h=180+6=186mm。 由（4）式可知，ESh=ESR1-EIR3，从而可得 ESR1=EIR3+ESh=0+1=1mm。 由（5）式可知，EIh=EIR1-ESR3，从而可得到 EIR1=ESR3+EIh=+0.044 5+（-1）=-0.955 5mm。

3.3 堆焊层镗削加工工艺

内圆柱面经堆焊后为焊接表面，要达到配合要求，至少应进行粗镗和精镗2道工序。粗镗要将焊接表面全部切除，呈现加工表面，然后精镗，达到配合尺寸精度及表面粗糙度要求。根据堆焊表面平面度误差在1.5mm以内，焊道高度差在1.5mm以内的要求，粗镗的单边加工余量应在1.5～2mm，而精镗的单边加工余量应在0.3～0.5mm，以保证正常切削，有切屑产生。故此堆焊层至少应比计算值hj厚1.8mm，从而配合表面的第2和3层堆焊厚度应适当增加，都选在（3.5±0.5）mm，则总的堆焊厚度为h=h1+h2+h3=（10±1.5）mm。 根据（2）式再次计算 A022 焊条用量， 得 QA022=（166±23） kg。

4 堆焊与加工

根据前述工艺进行DN500阀门的堆焊与加工，图7为堆焊现场照片。过渡层A312焊条与耐腐蚀层A022焊条的实际用量分别为145 kg与178 kg，在估算量范围内。精镗后检测，达到了配合尺寸精度。

图7 堆焊现场照片

5 结 论

（1）根据设计要求，在对DN500型阀门结构分析的基础上，通过三维实体建模与软件分析，得出阀体的质量约为1.49 t、内表面积约为3.83 m2，这为估算阀体铸造和堆焊成本提供了参考数据。

（2）根据阀体材料和耐腐蚀要求，设计了耐腐蚀层的堆焊工艺，并估算出过渡层焊条用量为（134±22） kg，耐腐蚀层焊条用量为（166±23）kg，实际用量分别为145 kg和178 kg，在估算量范围内，说明通过三维建模计算复杂曲面面积，进而根据堆焊厚度，估算焊条用量的方法是可行的，对堆焊成本估算具有工程实际意义。

（3）根据配合要求，设计了配合面的堆焊与加工工艺，进行了工艺尺寸链的计算，设计了粗镗与精镗工序，既保证了配合面的尺寸精度，又保证了耐腐蚀层的厚度。

（4）通过成本估算，采用普通铸钢并堆焊耐腐蚀层的方法制造的阀体，比全不锈钢制造的阀体，成本可降低30%以上。

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