黑增杰, 萬陽， 葉正山

(1.河南綠控科技有限公司，河南 許昌 461000；2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000；3.液化空氣(杭州)有限公司，浙江 杭州 324017)

0 前言

在國家(特)高壓直流輸電工程(UHVDC)中，換流閥冷卻裝置是重要核心設(shè)備。該設(shè)備本體制作大量采用304L或316L奧氏體不銹鋼管道為介質(zhì)輸送載體，其管道焊接標準按照GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道施工規(guī)范》執(zhí)行，對接類焊縫要求單面焊雙面成形，內(nèi)外成形良好，X射線無損檢測合格?；诠に嚦墒於群凸に嚽鍧嵭钥紤]，選擇TIG(鎢極氬弧焊)焊接方法?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)工藝需開V形坡口，組對預(yù)留2～3 mm間隙，工藝流程復(fù)雜，效率較低，而且質(zhì)量也不穩(wěn)定，已不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)高效生產(chǎn)的目的。通過深入調(diào)研現(xiàn)有工藝，開發(fā)了一種混合氣體保護脈沖TIG工藝，參考NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標準進行了系統(tǒng)性焊接工藝評定[1]。針對(特)高壓直流輸電工程不銹鋼流體管道對接焊，總結(jié)出了以下更為先進的Ar+H2混合氣焊接工藝。新工藝組對時不留間隙，焊接效率更高，質(zhì)量更穩(wěn)定。經(jīng)實際測算，焊件裝配效率同比提升150%，焊接效率同比提升50%，一次焊接質(zhì)量合格率達到98.6%以上。對于年產(chǎn)15套閥冷的生產(chǎn)能力的企業(yè)，可帶來約230萬/年的綜合性效益。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 (特)高壓直流輸電閥冷系統(tǒng)簡介

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、電力能源需求日益增加及能源資源與用電需求分布不均衡，遠距離、大規(guī)模輸電成為優(yōu)化電力資源配置的必經(jīng)之路。直流輸電系統(tǒng)是構(gòu)成堅強電網(wǎng)骨干網(wǎng)架和進行電力大規(guī)模遠距離傳輸?shù)闹匾绞?。其中換流閥是(特)高壓直流輸電設(shè)備的重要設(shè)備，是交直流電換流的核心作用部件。換流閥均配置全自動熱能內(nèi)外冷卻系統(tǒng)，現(xiàn)階段換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)如圖1所示，外冷系統(tǒng)如圖2所示，其設(shè)備本體大量采用不銹鋼管道。

圖1 常規(guī)(特)高壓直流輸電閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2 常規(guī)高壓直流輸電閥外冷卻系統(tǒng)示意圖

1.2 焊縫數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)階段(特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備本體設(shè)計相對固定，經(jīng)過對常規(guī)閥冷設(shè)備管道焊縫數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計分析表明，φ159 mm以上的大管徑焊縫約占70%以上,φ159 mm以下的中小管徑焊縫占比20%左右，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 (特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備管道焊縫數(shù)據(jù)表

1.3 預(yù)制工藝總體設(shè)計

先進、高效的工藝制程是生產(chǎn)制造發(fā)展的基礎(chǔ)，是技術(shù)實力的一種具體體現(xiàn)，閥冷設(shè)備管道預(yù)制工藝在參考HGT 21614—2013 《管道工廠化預(yù)制技術(shù)規(guī)范》的基礎(chǔ)上結(jié)合閥冷設(shè)備質(zhì)量要求，確定工序有：圖紙分解、切割下料、零件點拼焊接、部件點拼焊接、總裝點拼焊接、探傷、清洗、表面處理，輸出工藝流程圖如圖3所示。

圖3 (特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備本體制造工藝流程圖

1.4 焊接方法經(jīng)濟性分析

針對現(xiàn)階段(特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備制造適用的焊接方法，進行了全面調(diào)研分析，由于(特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備均為不銹鋼材質(zhì)，現(xiàn)階段可應(yīng)用的焊接方法有TIG氬弧焊、PAW等離子弧焊、激光焊、電子束焊和MAG熔化極氣體保護焊等工藝。通過對經(jīng)濟性指標數(shù)據(jù)進行橫向評分分析，TIG焊接方法具有裝配定位精度低、設(shè)備投資小、工藝質(zhì)量好等優(yōu)點，綜合分析其經(jīng)濟性最好，確定采用TIG焊接方法。各焊接工藝經(jīng)濟性數(shù)據(jù)見表2，綜合評分見表3。

表2 各焊接方法經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)

表3 各焊接方法經(jīng)濟性綜合評分

2 焊接工藝開發(fā)

2.1 工藝概述

參考現(xiàn)階段不銹鋼TIG焊接相關(guān)工藝，結(jié)合多年焊接經(jīng)驗和材料特點，經(jīng)多次實驗，開發(fā)出一種(特)高壓直流輸電閥冷設(shè)設(shè)備管道專用低頻異步混合氣體保護脈沖TIG[2-3]。焊接工藝采用3%H2+ 97%Ar低比例混合氣體保護，氫氣不但提升電弧能量，對不銹鋼還具有較好的還原性，新型工藝在焊接熱輸入下降10%的條件下，焊接效率同比提升50%。新型工藝采用低頻異步脈沖電弧，脈沖電流燃燒與焊接速度異步運行，峰值電弧以高電流燃燒輸出，焊接速度為零，實現(xiàn)零間隙對接焊透雙面成形?；惦娀∫缘碗娏魅紵敵?，焊接速度90～120 mm/min，實現(xiàn)熔池凝固控制焊縫成形。新型焊接工藝降低組對精度要求，一次焊接質(zhì)量合格率達到98.6%以上。

2.2 工藝參數(shù)

工藝參數(shù)是焊接工藝中重要一環(huán)，現(xiàn)階段新工藝中焊接方法、母材、焊材及保護氣體等影響焊縫力學(xué)性能的重要因素已確定，根據(jù)熱輸入依次確認焊接電流、脈沖頻率，氣體流量、焊接速度等工藝參數(shù)。

2.2.1焊接電流

18-8型不銹鋼的導(dǎo)熱性小，變形量大，因此焊接時，在保證焊透的情況下，盡量選擇小的焊接電流以最小的熱輸入來完成整個焊接。起弧時，焊件處于常溫狀態(tài)，為保證以最快速度熔透，應(yīng)選擇較大的起弧電流。在整個焊接過程中，為保證熱輸入均勻、焊縫成形一致，隨著焊件溫度的逐漸上升，電流應(yīng)逐漸減少。收弧時，應(yīng)利用電流衰減裝置，使電弧緩慢熄滅，以防產(chǎn)生收弧縮孔。峰值電流是脈沖電弧主要能量輸入點，通過調(diào)節(jié)峰值電流大小，可有效控制熱輸入，經(jīng)多次試驗證明，基值電流是脈沖電弧的基礎(chǔ),基值電流過小,焊接過程中容易熄弧。過大,則出現(xiàn)脈沖效果不明顯,失去了脈沖電弧的意義。經(jīng)多次試驗證明，壁厚3 mm以上的峰值電流選用140～160 A基值電流選用25～35 A較為合適。壁厚<3 mm的，可不加焊絲，總體參數(shù)減小50%。

2.2.2脈沖頻率

脈沖頻率是控制熔池形態(tài)的重要參數(shù),通過對脈沖頻率的降低,可提高焊縫成形質(zhì)量。脈沖頻率應(yīng)隨著母材厚度的增加而降低,經(jīng)多次試驗證明,壁厚3 mm以上脈沖頻率設(shè)置為0.5～1 Hz、壁厚3 mm以下設(shè)置為1～2 Hz最為合適。

2.2.3氣體流量

在焊接試驗中發(fā)現(xiàn),當管道壁厚為4 mm時,采用純氬弧焊,電弧穿透力不足,無法焊透。 當焊接氣體中加入約1%～2%的氫氣時,電弧能量明顯提高,可直接焊透。但氫氣比例不可過高,當氫氣比例超過4%以上時,電弧將無法點燃。試驗證明，壁厚3 mm以上流量設(shè)置為氬氣15～20 L/Min氫氣0.1～0.3 L/min，壁厚3 mm以下流量設(shè)置為15～20 L/Min氫氣0 L/min。

2.2.4內(nèi)部保護

不銹鋼管道在焊接時,管道內(nèi)部必須充滿惰性氣體進行保護,如果不施加保護,或者保護不良。焊縫背面將嚴重氧化,焊縫會喪失不銹鋼的基本性能。焊接前,要求通入99.99%純氬進行管道內(nèi)空氣置換。前期置換流量約15～20 L/Min。置換完成后,須保持5～10 L/Min的流量,以免空氣侵入。

2.2.5焊接速度

焊速對熔深、熔寬均有較大影響。焊速增加，熔深變淺，焊縫變窄且易產(chǎn)生未熔合、未焊透缺欠。焊速降低，焊縫寬度隨之變大，不但易產(chǎn)生燒穿缺陷，熱影響區(qū)也隨之變寬，接頭冷卻變慢，抗腐蝕性也隨之減弱。 經(jīng)試驗，焊接速度應(yīng)選擇異步可變速度模式，峰值電弧燃燒時焊速為零，基值電流燃燒時90～120 mm/min。

3 工藝試驗

為保證工藝的正確性，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，參考NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行了焊接工藝評定試驗，焊接工藝試驗確定的項目。

3.1 試驗流程

按NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，制訂確認工藝評定流程如圖4所示。

圖4 (特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備專用焊接工藝評定流程

3.2 試驗結(jié)果

按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定規(guī)定》進行焊接試件、檢驗試件、測定性能，確認試驗記錄正確，評定結(jié)果為合格。

3.2.1表面成形

外部成形金黃色，內(nèi)部銀白色，達到單面焊雙面成形。表面無氣孔、未熔合、咬邊、裂紋等缺欠，余高較低，過渡圓滑，無表面等焊接缺陷,外觀優(yōu)良。焊縫外表面成形如圖5所示,內(nèi)表面成形圖6所示。

圖5 304L φ159 mm×4 mm焊縫外表面成形

圖6 304L φ159 mm×4 mm焊縫內(nèi)表面成形

3.2.2無損檢測

參考JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無報檢測中III級》，由第三方檢測機構(gòu)對試件進行X射線探傷檢測，底片檢測結(jié)果為I級的達100%，無損檢測合格。

3.2.3物理性能

參考NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，由第三方檢測機構(gòu)對試件進行物理性能試驗，所有試驗均100%合格，試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 物理性能檢驗數(shù)據(jù)

4 工藝推廣

全套焊接工藝清單見表5，其中：D為管子外徑；T

表5 UHVCD焊接工藝體系工藝清單

為壁厚；L1為管長；B為板子長度及寬度。在工藝驗證成功的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)階段產(chǎn)品制造焊接工藝需求，進行了全系列共計7種焊接工藝開發(fā)，按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》輸出了PWPS，并開展體系化焊接工藝評定工作，評定結(jié)果為全部合格，建立起了(特)高壓直流輸電閥冷設(shè)備管道焊接工藝體系。

5 結(jié)論

(1)通過系統(tǒng)性的工藝開發(fā)、實驗及推廣，混合氣體保護脈沖TIG工藝在(特)高壓直流輸電工程閥冷設(shè)備管道焊接生產(chǎn)中實現(xiàn)全面應(yīng)用，逐步建立起覆蓋人、機、料、法、環(huán)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)完整先進的焊接加工工藝體系。

(2)該工藝的全面應(yīng)用，加快推進了國家重點(特)高壓直流輸電工程國產(chǎn)化進程，對于國家構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)也奉獻了一份力量，社會效益較為明顯。