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阀门焊接技术主讲人：沈阳高中压阀门厂副总工艺师高清宝教授级高级工程师享受国务院特殊津贴1讲座提纲1、前言：阀门泄漏与阀门结构的关系；2、对阀门密封面的技术要求；3、国内外阀门密封面堆焊材料工艺概况；4、阀门密封面擦伤机理与堆焊材料试验方法；5、85#堆焊合金简介；6、137#堆焊合金简介；7、高温耐腐蚀阀门堆焊焊条简介；8、代替钴基合金电站阀门堆焊材料（沈阀6T）简介；9、钴基合金排丝等离子堆焊简介；10、焊接工艺文件、焊接工艺评定和API认证验收应注意的几个问题；11、三种高端镍基合金的阀门堆焊应用；12、应该推广三项高效经济实惠的焊接工艺方法。2摘要今天我以一名老技术工作者的身份与大家共同探讨阀门行业密封面所使用材料的技术革新和技术进步历程。由于我的经历，我谨以沈阳高中压阀门厂这四十年间在阀门密封面材料所经历的六次技术革命的风暴，介绍阀门密封面所使用材料和工艺的技术进步，希望对堆焊材料和工艺的选择能有所帮助。第一次技术革新：60年代初，沈阀厂生产碳钢阀，密封面采用青铜圆环镶嵌法制造，而不是堆焊，厂领导要求我们用堆焊法取代落后的镶嵌法制造密封面，经过一段时间努力，我们研制第一代18-8不锈钢焊条手工堆焊和自动堆焊。所生产的大批阀门运往大庆油田使用，由于密封面不耐用，很快这批报废的阀门在用户单位堆积如山，给当时大庆油田会战造成了一定影响。第二次技术革新：62年大庆油田领导请沈阀门厂的领导到大庆油田调查阀门质量问题，并希望阀门生产厂尽快解决阀门质量问题。当时大度油田阀门报废主要原因是密封面擦伤造成的阀门内漏问题，厂有关领导回厂后为配合当时的大庆油田会战，提高阀门使用寿命做出动员报告，要求技术人员对阀门堆焊进行技术攻关，提高密封面的硬度，达到提高阀门使用寿命，当时厂内上上下下较为普遍地认为密封面应该有高硬度，应该研制和推广2Cr13取代18-8密封面材料，经过努力于64年又研制和推广阀门第二代2Cr14Mn2Si过渡合金的焊条和自动堆焊材料，这种材料是2Cr13的变种，硬度150HRC≥35，用这种材料堆焊了大批阀门送往大庆使用，经过试运行后仍没有达到用户所期望的效果。第三次技术革新：基于全国当时行业内阀门密封面的实际情况，制约了能源工业的快速发展。72年第一机械工业部投巨资在沈阀厂创建阀门研究所，并同时下达阀门密封面3基础件攻关任务。沈阀所及沈阀厂成立专门技术攻关小组，对提高密封面寿命机理、堆焊材料合金和工艺方法进行了系统全面研究，发现密封面的成分和金相组织是提高密封面的使用寿命的主要因素，而认为而密封面硬度是第二位的，因为密封面的硬度只解决密封面垫伤和划分，而密封面的成分和金相组织决定着密封面抗擦伤性能的好与坏。经过84次配方调整的失败，合金成分调整到85次时，得到了高寿命的密封面Cr-Mn-N（含氮合金），经过寿命试验证明它比2Cr13合金密封面寿命提高几十倍，发现合金过渡进入氮（N）对提高寿命起重要作用，厂内把这种材料叫85号合金。做成焊条（SF-3T）、自动堆焊焊剂（SF-3J）在厂内全面推广应用。该项成果获得77-78年部、省、市科技大会的重大科技成果奖85号合金投入使用后我们发现85号合金手工堆焊成分（SF-3T）波动较小，自动堆焊成分（SF-3J）波动较大，第二个发现85号合金（SF-3T、SF-3J）是表面硬化材料，即用10HRC硬度计检查手工、自动堆焊合金硬度都合格，而用150HRC硬度计检查硬度，手工堆焊合金合格，成分波动大的自动堆焊合金硬度就不能完全合格。10公斤硬度计是检查焊层上表0.2mm的硬度，150公斤硬度计是检查焊层下面0.5mm深度的硬度，对于这种表面硬化材料。为了统一技术标准厂内总师决定，85号自动堆焊合金在Cr=12-18、Mn=7-10波动时用10HRC硬度计检查硬度，手工堆焊合金在Cr=12-14、Mn=7-8.5范围内用150HRC硬度计检查硬度。总师同时决定要求继续攻关，实现更高的技术目标。第四次技术革新：经过136次失败，在试验调整合金成分137次时找到了合金系统为Cr-Mn-B合金。将这种合金做成焊条、自动堆焊用焊剂，经过反复试验证明在Cr=12-18、Mn=7-10时硬度较高，用150公斤硬度计检查硬度非常稳定，150HRC=32-40，这在技术是一个奇迹般的突破。我们发现加入硼后既可以在成分有较大波动时保持硬度的稳定，同时又可以提高150HRC的硬度，这是1982-1986年间的技术攻关。厂内总师决定将85号（SF-3T、SF-3J）合金材料用于碳钢阀门介质为油、汽、水中温中压阀门堆4焊，许用比压为45Mpa；137号（SF-4T、SF-4J）合金材料用于中温度高压碳钢阀门堆焊，许用比压60Mpa，因为PN≥6.4Mpa阀门较少，因此85号（SF-3T、SF-3J）合金堆焊一直大量使用几十年，137号（SF-4T、SF-4J）合金荣获国家发明型专利。至此25年研制四代堆焊合金，第一代18-8不锈钢、第二代2Cr13、这两种材料都被淘汰；第三代、第四代材料同时使用，至此碳钢阀门堆焊材料研制工作结束。第五次技术革新：80年代工厂大量生产合金钢阀门，大量使用500-600元/公斤昂贵的钴基合金材料，厂内成本压力较大，对此厂内总师要求研制代钴材料，达到降低成本。在87-92年经过50余次的失败，终于研制成功SF-5T高温耐腐蚀阀门堆焊焊条，92-99年进行全面推广，同样获得发明型专利。第六次技术革新：90年机电工业部下达研制取代钴基合金的电站阀门堆焊材料，经过30余次的试验，终于在1995年研制成功价格低廉、高温性能好、代替钴基合金SF-6T电站阀门堆焊材料。95-99年间用SF-6T焊条堆焊三十余台火力电厂用3500磅级电站截止阀。SF-6T成果获得国家三等科技进步奖。摘要结束语本摘要扼要地介绍沈阀厂沈阀所几十人几代人不懈努力，为提高阀门密封面的使用寿命所进行开创性工作，研制出系列的不同材料使用的密封面材料和工艺方法，前后经历三百余次的探索，这其中有成功时带来的喜悦，更多的是在探索过程中失败带来的苦脑。1前言：阀门泄漏与阀门结构的关系大家知道影响阀门使用寿命有三大因素1．1阀门内漏：主要是密封面质量问题1．2阀门外漏：主要是铸件质量问题，也有填料问题51．3阀门结构：主要是设计和加工问题在此我们只探讨钢制高中压阀门的内漏问题。2对阀门密封面的要求阀门密封面在规定的压力，温度、介质、安装位置保证密封安全可靠；而在制造过程中，密封面材料和结构的焊接、加工、装配和研磨的工艺性要好；在使用过程中密封面要便于维修，具体地要求如下：2．1抗腐蚀2．2抗擦伤2．3抗冲蚀和气蚀2．4应有一定的强度，能够承受其所形成的密封比压值2．5应有一定的硬度2．6应有一定的抗高温性能2．7密封面和堆焊母材的线膨胀系数接近2．8良好的加工性能为了提高阀门产品的使用寿命，许多国家都在密封面材料的研究方面狠下功夫，我国也不例外，60-80年代沈阳阀门研究所、哈尔滨焊接研究所、合肥通用机械研究所、武汉材保所、上海阀门厂等单位先后研制了铁基、镍基、等许多密封面新材料，并对堆焊设备、工艺方面进行了大量研究，取得了显著的成果。3．国内外阀门密封面堆焊材料、工艺研究概况3．1国外阀门密封面堆焊材料，堆焊工艺研究概况3．1．1国外阀门密封面堆焊材料国外阀门密封面堆焊用焊条表1焊条手工堆焊金属化学成份（%）焊层硬国别6牌号CSiMnCrNiMoWFeCoNb度（HRC）ECoCr0.7-1.4≤2.0≤2.026-32≤3.0≤1.03.0-6.0≤5.0余-38-42美国1.6-2.21.5-2.6-25-32--4.0-5.0≤4.0余-40-50前苏联STL-30.7-1.4≤2.0≤2.025-32--3.0-6.0≤3.0余-38-44日本GRIDUR-451.1--29-31--6.0-7.0-余-45-48德国YOHU-13H0.15-0.25≤0.7≤0.812-14≤0.6--余--33-48前苏联CR-550.330.360.3612.87---余--45-51日本GRIoUR—240.21.51.513.0-1.1-余--40-52德国国外阀门密封面堆焊用合金粉末表2手工堆焊金属化学成份（%）合金粉末牌号CSiMnCrNiMoWFeCoB焊层硬度（HRC）国别司太利N061.01.0＜128≤3-4.0≤3.0余--德国钴基No1580.751.251.025.5--4.00.75余0.743美国7福田合金1001.21.3-1.7-19-21≤3-4.5-5.5-68-722.3-2.750-55日本1.150.720.8631.40--4.3-余-42-48前苏联镍基合金410.453.01.09.0余--3.751.02.040前苏联0.3-0.61.5-4.0-12-15余--＜5-1.5-2.545-50前苏联铁基合金902.751.01.027---余--52美国表1、表2分别介绍了用于阀门堆焊的焊条和粉末等离子堆焊合金粉末的牌号，堆焊金属的化学成份以及堆焊层硬度。由此可见，目前国外采用的用于抗磨、抗热、抗腐蚀等堆焊合金都是以钴基、镍基、铁基为基础的，但各国的资源不同，都在努力寻求发展具有自己特点的合金材料。3．1．2国外阀门密封面的堆焊工艺和设备保证阀门密封面堆焊质量和提高堆焊生产效率，主要取决于采用先进的堆焊工艺方法和高效率的自动化堆焊工艺设备，在这方面许多国家做了大量的研究工作，表3列出了国外几种堆焊工艺方法的特点对比，国外主要堆焊工艺方法有：手工电弧堆焊、自动堆焊、氧乙炔焰堆焊、粉末等离子弧堆焊、惰性气体保护堆焊及激光溶敷等工艺方法，下面仅就具有特色的几种典型工艺方法及设备加以介绍：几种堆焊工艺方法特点对比表3堆焊工艺方法一般熔敷率（kg/h）最小稀释率（％）最小堆焊层厚度（mm）所适用材料的形状氧乙焰堆焊1.810.8棒钨极氩弧堆焊2.3102.4棒或丝等离子弧堆焊3.250.25粉末埋弧自动堆焊（单丝）6.8203.6丝熔化极气体保护堆焊（单丝）5.5303.6丝83．1．2．1等离子弧堆焊60年代初，美国焊接杂志报导了相同电流条件下的氩气保护电弧和等离子弧的热量分布比较（见图1）。图4氩弧与等离子弧热量分布比较图中左半边是钨极氩弧的温度分布，右半边是等离子弧的温度分布，钨极氩弧的规范参数是：14.5V，电流为200A,等离子弧的规范参数为：电压29V，电流200A，压缩孔内径4.8mm，两个电弧都是以钨极为阴极，工件为阳极。从图1可以看出，钨极氩弧的14000-18000K温度区是窄而陡峭的，而等离子弧在这个温度区则沿弧柱的长度伸展，并在底部呈宽阔状。因此钨极氩弧与一般电弧的特点是获得深而窄的熔深，这在结构焊接中是希望达到的，但在堆焊时，则要求溶深浅，冲淡率最小，而等离子弧正是具有这一特性。此外，等离子压缩电弧较长高温弧柱区，允许将堆焊粉末送入弧柱区并受到均匀的加热，从而有效地利用了能源并获得高质量的堆焊层，所以等离子技术被广泛地应用在阀门密封面堆焊方面。国外等离子弧堆焊设备的基本构成结构与国内一些阀门厂应用的设备大致相同。3．1．2．2埋弧自动堆焊埋弧自动堆焊是一种堆焊效率较高的工艺方法，它比手工电弧堆焊效率提高3-6倍，比等离子弧堆焊效率提高1-2倍，特别是对于大批量的阀门堆焊生产更显示其优越性，目前国内只三家阀门厂采用了自动堆焊工艺，国外阀门自动堆焊装置示意图如图293．1．2．3其它堆焊工艺方法其它堆焊工艺方法有药芯自动堆焊，惰型气体保护堆焊，氧乙炔焰气焊堆焊，手工电弧堆焊等工艺，这里不述。3．2国内阀门密封面堆焊材料、堆焊工艺研究概况60-80年代国内各单位的成果见表4、表5、表610国内阀门密封面手工焊条堆焊成分（％）表４焊条牌号CSiMnCrNiCoNbWMoVBD502(D507)≤0.15——10-16———————D512(D517)≤0.25——10-16———————D507Mo≤0.2——10-16≤6.0—≤2.0≤2.5D577≤1.