接頭設(shè)計(jì)和焊接工藝

工藝工程師們結(jié)合之前在海水淡化項(xiàng)目中積累的經(jīng)驗(yàn)及新的試驗(yàn)研究，開發(fā)適合SMO 254管道焊接的工藝。選擇氣體鎢弧焊(GTAW)方法進(jìn)行該材料的焊接，雖然這需要非常強(qiáng)的技巧，但它能夠?qū)彷斎爰捌渌兞窟M(jìn)行精準(zhǔn)的控制。典型的對(duì)焊接頭V 型坡口設(shè)計(jì)如下圖所示。管道厚度范圍從0.3英寸到 0.866英寸。下圖為典型的管道焊接裝配形式，通過焊點(diǎn)來進(jìn)行固定和保證根部間隙。奧氏體不銹鋼的焊接在焊縫區(qū)域易產(chǎn)生熱裂紋嗎，尤其是焊件受到約束的情況下。此外，SMO 254材料具有較低的熱導(dǎo)率和高的熱膨脹率，因此， 熱輸入以及焊接次序控制必須以減輕焊接過程中的潛在變形為目的。

焊接工藝規(guī)范 (WPS)限定打底焊時(shí)熱輸入不超過1.5kJ/mm，而填充焊時(shí)熱輸入不超過0.9kJ/mm。這需要對(duì)焊接過程中的溫度和速度進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控， 雖然這是一個(gè)乏味漫長(zhǎng)的質(zhì)量控制任務(wù)，但是必須要考慮到材料對(duì)熱輸入的敏感性熱和導(dǎo)致焊接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。打底焊的焊接電流范圍是80 – 125A，而填充焊是是70 – 100A。

    另一個(gè)影響熱輸入的是焊接工藝，管道的制造方式?jīng)Q定了焊接時(shí)需采用長(zhǎng)距離的對(duì)接方式焊接，并且焊后存在較大拉應(yīng)力。這樣的焊縫的與眾不同在于焊工需要經(jīng)受良好的訓(xùn)練以保證焊接過程各項(xiàng)參數(shù)均符合WPS要求，下圖為采用這項(xiàng)技術(shù)完成的焊縫。當(dāng)環(huán)境溫度高于10°C 時(shí)，SMO 254通常不需要焊前預(yù)熱。然而為應(yīng)對(duì)材料對(duì)熱輸入和熱裂紋的敏感性，最大層間溫度設(shè)定為95°C。

對(duì)于不銹鋼焊接來說，氣體保護(hù)是是確保焊接良好十分關(guān)鍵的一步，可利用98%氬氣和2%氮?dú)獾幕旌蠚怏w進(jìn)行焊接。為保證氣體保護(hù)的有效性和較低的成本，管道焊接采用外部氣體保護(hù)的同時(shí)，管道內(nèi)部采用懸掛氣囊的方式對(duì)焊縫根部進(jìn)行保護(hù)。

    內(nèi)外保護(hù)氣體成分相同，外部保護(hù)氣流速為9.34-16.4L/min，襯底保護(hù)氣流速為2.3 -28.3 L/min，焊接前采用氧含量檢測(cè)儀以保證保護(hù)區(qū)域的氧含量低于 WPS設(shè)定值——0.05%。當(dāng)焊縫填充厚度達(dá)到8毫米后，只需要外部保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)。

    鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）采用EW-Th-2釷鎢極，直流正極性(DCSP或DCEN)， 焊接采用直徑1.6-3.2mm規(guī)格的ER NiCrMo-3焊絲，下圖為SMO254管道進(jìn)行打底焊的照片。培訓(xùn)及地方行業(yè)協(xié)會(huì)支持    圣地亞哥因?yàn)閾碛写罅康脑齑瑥S、動(dòng)力設(shè)備廠等重工業(yè)，也因此擁有大量的具有熟練技藝的工匠。

    但是對(duì)于當(dāng)?shù)氐男袠I(yè)協(xié)會(huì)來說，SMO254仍是非常具有挑戰(zhàn)性的材料，這也間接的給焊工資格證的頒發(fā)機(jī)構(gòu)提出了難題，因?yàn)檎J(rèn)證高水平的焊工也是項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵一環(huán)，他們采用以下幾個(gè)步驟來克服這個(gè)問題。

    負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的管理者們找到了當(dāng)?shù)氐男袠I(yè)協(xié)會(huì)，促成了利用當(dāng)?shù)嘏嘤?xùn)中心來選拔和培訓(xùn)進(jìn)行SMO254焊接的焊工。當(dāng)?shù)匦袠I(yè)協(xié)會(huì)還派出富有經(jīng)驗(yàn)的質(zhì)量經(jīng)理來進(jìn)行協(xié)助，確保在培訓(xùn)過程中實(shí)施最高標(biāo)準(zhǔn)并給予指導(dǎo)。

測(cè)試在直徑76.2mm、厚度11mm的SMO管上進(jìn)行，并要求焊工在工地現(xiàn)場(chǎng)完成6G位置焊接操作。下圖為焊工培訓(xùn)中焊接的試樣。所有焊縫都要經(jīng)過射線探傷，此外，焊接件還要通過ASTM G41的腐蝕測(cè)試，這些都是焊工能取得SMO管道焊接資格的基礎(chǔ)要求。平均來說，一個(gè)熟練的焊工一般花上兩周左右的時(shí)間就能通過這項(xiàng)資格考試。

    這也讓圣地亞哥誕生了一個(gè)新的焊工培訓(xùn)體系，并促使項(xiàng)目承包商和地方之間的聯(lián)系更加緊密。驗(yàn)證及檢驗(yàn)    254 SMO管道在海水淡化工程中是至關(guān)重要的，因此其可靠性也非常重要。此外，由于管道工作時(shí)將承受大約6.9MPa的壓力，這就要求工程師需要按照ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)焊縫進(jìn)行100%的探傷。

    此外，工藝工程師推薦采用焊后放置一段時(shí)間后進(jìn)行染色液體滲透試驗(yàn)，并按照相關(guān)ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視覺檢驗(yàn)。

    下圖為采用染料滲透測(cè)試根部焊道的過程。 以下參數(shù)在焊接期間需要被記錄下來：

電壓(V)、電流(A)、焊接長(zhǎng)度(mm)、焊接時(shí)間(s)、外部保護(hù)氣流速(L/min)、襯底保護(hù)氣流速(L/min)、氧含量(%)、溫度(°C)

    以下數(shù)據(jù)通過測(cè)量和計(jì)算得到：

焊接速度(mm/s)=焊接長(zhǎng)度(mm) / 焊接時(shí)間(s);

焊接熱輸入(J/mm)=電流(V)×電壓(A) / 焊接速度(mm/s)。

    這些數(shù)據(jù)將被審核，以確保沒有焊道參數(shù)違反WPS規(guī)定，尤其是熱輸入。這需要質(zhì)量管控代表(QC)仔細(xì)收集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算，檢查結(jié)果，以確保符合規(guī)定。此外，這些數(shù)據(jù)會(huì)被保留在記錄文檔中。

    下圖顯示了焊工在QC的監(jiān)督下執(zhí)行焊接操作和數(shù)據(jù)記錄。 雖然對(duì)SMO 254的焊接過程監(jiān)督和數(shù)據(jù)收集增大了QC和質(zhì)保部門的工作量和工作難度，但這也是確保焊件質(zhì)量及達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的關(guān)鍵部分。

    由于SMO 254對(duì)熱輸入的敏感性，易發(fā)生諸如裂紋、側(cè)壁咬邊、未熔透等常見缺陷。射線探傷有助于檢測(cè)這些類型的缺陷，對(duì)于 SMO254管道， 焊縫要求100%通過探傷檢驗(yàn)。結(jié)論  海水淡化行業(yè)在美國(guó)具有巨大的增長(zhǎng)潛力，而卡爾斯巴德海水淡化廠目前正處于該行業(yè)的前沿。

    在海水反滲透（RO）技術(shù)當(dāng)中，管道焊接要求在焊后仍然能保持很高的耐海水腐蝕性能并能在高壓環(huán)境下具有長(zhǎng)的使用壽命，相比較其他合金材料而言，SMO 254具備這樣的能力，但應(yīng)通過對(duì)焊接過程、順序的仔細(xì)監(jiān)測(cè)和規(guī)劃來降低產(chǎn)生熱裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過培訓(xùn)獲得熟練技能的焊工也是確保海水淡化項(xiàng)目獲得成功的關(guān)鍵所在。

    最后，精心控制和記錄的質(zhì)量控制項(xiàng)目是保證焊接生產(chǎn)至關(guān)重要的一步，借此確保構(gòu)件的長(zhǎng)的使用壽命，以及避免未來產(chǎn)生的昂貴維修費(fèi)用。成功地焊接耐腐蝕合金254 SMO，也就昭示著將使美國(guó)擺脫干旱的嶄新行業(yè)的光明前景。