石油钻采阀门内壁热丝TIG堆焊--奥地利福尼斯Fronius热丝TIG焊机

0  前言

石油钻采专用阀门是海上、陆地石油天然气钻采和生产的系统重要部件，对石化行业的发展起着举足轻重的作用。目前能源短缺促使世界各国都加大石油天然气勘探、开发力度。我国为了确保能源**、满足国民经济日益增长的需要，近年来在石油及化工工业上的投资更是大幅上升，特别是海上油气田勘探开发、天然气的勘探开发。从而增大石油钻采设备的需求，促进我国石油钻采设备制造业的发展。但是，由于在钻采阀门制造和修复技术上与国外仍有较大的差距，高质量或关键部位的阀门一直依赖进口。其中阀门内壁堆焊技术的落后就是制约我国石油钻采阀门发展的瓶颈之一。

1  石油钻采阀门堆焊要求

深层油气田含有大量的H₂S、CO₂、高氯化物等腐蚀介质，对钻采设备具有高腐蚀性，，为了让设备有更高耐腐蚀性，更长的使用寿命，同时又具有低制造成本。通用的制造方法是在低合金阀体和阀盖表面堆焊一层镍基合金，这样钻采设备仍然保持低成本低合金钢基体，同时昂贵的耐腐蚀镍基材料被应用到需要用的地方。典型的需堆焊基体母材为AISI3140，8630MODIFIEL,或2.25Cr1Mo等制造的阀门要满足ASMEIX ，API6A/ISO10423，NACE MR0175和NORSOK认证。按API6A/ISO10423标准，堆焊金属铁的含量需控制在5-10%范围，机加工后堆焊厚度不小于 0.125”(3.17mm)，焊缝稀释率控制在5-10%。。

另外，此类阀件重达数十吨，不易装配，一般很难用工装将工件倾斜到理想的焊接位置。需堆焊的孔径*小达40mm，深度达2m，存在较大的焊接可达性问题，全位置焊接的要求也相应提高，增加了堆焊的难度。

2  国内外石油钻采阀门堆焊发展的现状

在国外，美国的石油业*为发达，世界上的阀门制造都延用美国的标准（如美国石油协会标准API、美国腐蚀工程师协会标准NACE、美国机械工程师协会ASME）。世界上有名的海上和陆地油气钻探产品和服务的供应商以ABB Vetco Gray、cooperComeron、FMC、Aker Kvaener、Flow control tech、Weir pump、IHC为代表，在世界上石油钻采设备供应占相当大的份额。发达国家自1978开始使用表面堆焊技术以来，已具有近三十年的堆焊历史。堆焊的工艺也从手工电焊、TIG焊、脉冲MIG/MAG焊、发展到到现在的自动热丝TIG焊。采用自动化热丝TIG焊，不仅提高了熔敷效率和生产效率，减少了焊缝的稀释率，而且还提高了焊接的可达性（如阀门的45mm内孔内壁堆焊），保证了焊接质量的一致性。
                                              

在中国，堆焊业起步较晚，绝大多数阀门制造商仍采用落后的手工电弧焊工艺，不仅焊缝稀释率高、焊接质量差、制造成本高。而且对于内孔孔径小而深的阀门，如大吨位的Christmas tree（见图1）、和borecladding(见图2)无法堆焊。更新焊接工艺、缩小同世界石油钻采阀门制造技术差距是国内阀门制造业的发展方向。

3  热丝TIG焊工艺原理

热丝TIG焊是在传统的TIG焊接基础上，采用预热焊丝进行焊接一种工艺。图-3是热丝TIG原理图。

系统包含TIG焊电源、热丝电源、焊枪和系统控制器。TIG焊电弧熔化母材，送丝系统连续送丝到熔池中。与普通TIG焊不同之处，焊丝在送进熔池前，单独的热丝电源加热焊丝干伸长部份（送丝咀和熔池之间的焊丝），通过焊丝伸出部份电阻效应，产生热量（热量的产生公式是l² x R=焦耳），提高熔敷效率。

热丝TIG焊具体接法是，TIG焊枪和焊丝加热端接负极，工件接正极。

热丝TIG焊采用脉冲电弧（减少热输入量和电弧偏吹），脉冲协同送丝。对焊枪倾角和送丝有非常严格要求，填充焊丝必需始终伸入熔池。热丝电源工作电压1.5-5V，（过高的电压会产生新的电弧，干扰焊接电弧的稳定），热丝电流75-150A，焊丝加热长度为10-25mm。

热丝TIG焊可通过焊接电流、热丝电流、送丝速度的协同控制提高熔敷效率和焊接速度，减少焊缝稀释率。当焊接参数恒定情况下，提高热丝电流和送丝速度，则熔池的温度会降低，以熔敷效率2-3.5kg/h为例，大约可以减少50%稀释，焊接速度提高一倍(约40cm/min)。

4  fronius ETR-S热丝TIG内壁堆焊系统

4.1ETR-System堆焊系统简述

图-4是froniusETR-S（Endless TorchRotatio-System缩写）热丝TIG自动堆焊设备。整个阀门堆焊的工作过程是由CNC数控的系统控制器FPA9000进行预先CAD/CAM编程，集中控制各种焊接参数、十字滑架的运动、ETR-S焊枪旋转机构的转动。焊接前，焊枪自动接触工件后回抽到预设的距离，高频引弧，开始焊接。ETR-S焊枪旋转机构带动焊枪旋转，按预先编定焊接轨迹进行阀门内壁焊，整个阀门堆焊一次完成。焊接过程中采有AVC（弧长控制）技术，确保钨针同工作的高度始终是一致的，对工件的不规则具有更好的容忍性。焊接参数和焊接过程在FPA9000上的PC机上可显示，存诸和打印，也可设置焊接限值进行自动质量监控。

4.2 ETS-System用于阀门堆焊的优点：

a)       阀门不需要转台转动，直接放在平面上（地面，叉板等），焊接过程是焊枪在转动。这是ETR-S系统*大的优点。因为像一些大吨位或复杂形状的阀门吊装，夹持和在转台止定中心，需要投资大量的附助设备，和花费大量人力和时间。

b)      自动定中心功能。焊接前，只需将焊枪移动所需堆焊的孔径内，系统就会自动寻找中心，并可自动定位。

c)       “bore-to-bore”内孔相惯线堆焊专用软件。应用此软件，系统会自动计算和设定焊接起停,当达到空孔的边缘，焊接自动停止和收弧，然后运行到对面的空孔边缘自动重新起弧焊接（见图-5）。

d)      *小堆焊内径可达45mm，堆焊深度可达2m

e)       焊接过程自动化程度高，对焊工焊接技术没有要求，只需编程即可，焊接质量高、焊缝重复精度高

5  热丝TIG堆焊同普通TIG堆焊的优势

同普通的TIG焊相比：

熔敷率：冷丝TIG由于技术原因，其熔敷率极限值只能达到1.5-2kG/h，而热丝TIG焊可以达到3-3.5kG

焊缝稀释率：稀释率降低达60%，提升了耐腐蚀性能

焊接速度：两倍以上的焊接速度

堆焊面积：同等电流和焊接速度情况下提高了30-50堆焊面积或厚度

6  结论

阀门的堆焊是为了满足耐腐蚀、磨损、高温或低温的工作要求，对焊接质量要求严格。

Fronius ETR-S热丝TIG焊系统，结合了热丝TIG焊工艺和先进的专机制造技术，为高质量阀门堆焊提供了一个**的解决方案。自1985年堆焊行业应用热丝TIG工艺以来，fronius热丝TIG自动堆焊设备已被世界范围内众多有名的石油钻采阀门制造商所采用，并被证明具有堆焊质量高，运行成本低、能高效连续焊接，快速完成任务，这是别的焊接方法包括机器人焊接所不能达到的。