接頭設計和焊接工藝

工藝工程師們結合之前在海水淡化項目中積累的經驗及新的試驗研究，開發適合SMO 254管道焊接的工藝。選擇氣體鎢弧焊(GTAW)方法進行該材料的焊接，雖然這需要非常強的技巧，但它能夠對熱輸入及其他變量進行精準的控制。典型的對焊接頭V 型坡口設計如下圖所示。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，通過焊點來進行固定和保證根部間隙。奧氏體不銹鋼的焊接在焊縫區域易產生熱裂紋嗎，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。

焊接工藝規范 (WPS)限定打底焊時熱輸入不超過1.5kJ/mm，而填充焊時熱輸入不超過0.9kJ/mm。這需要對焊接過程中的溫度和速度進行持續的監控， 雖然這是一個乏味漫長的質量控制任務，但是必須要考慮到材料對熱輸入的敏感性熱和導致焊接缺陷的風險。打底焊的焊接電流范圍是80 – 125A，而填充焊是是70 – 100A。

    另一個影響熱輸入的是焊接工藝，管道的制造方式決定了焊接時需采用長距離的對接方式焊接，并且焊后存在較大拉應力。這樣的焊縫的與眾不同在于焊工需要經受良好的訓練以保證焊接過程各項參數均符合WPS要求，下圖為采用這項技術完成的焊縫。當環境溫度高于10°C 時，SMO 254通常不需要焊前預熱。然而為應對材料對熱輸入和熱裂紋的敏感性，最大層間溫度設定為95°C。

對于不銹鋼焊接來說，氣體保護是是確保焊接良好十分關鍵的一步，可利用98%氬氣和2%氮氣的混合氣體進行焊接。為保證氣體保護的有效性和較低的成本，管道焊接采用外部氣體保護的同時，管道內部采用懸掛氣囊的方式對焊縫根部進行保護。

    內外保護氣體成分相同，外部保護氣流速為9.34-16.4L/min，襯底保護氣流速為2.3 -28.3 L/min，焊接前采用氧含量檢測儀以保證保護區域的氧含量低于 WPS設定值——0.05%。當焊縫填充厚度達到8毫米后，只需要外部保護氣體進行保護。

    鎢極氣體保護焊（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規格的ER NiCrMo-3焊絲，下圖為SMO254管道進行打底焊的照片。培訓及地方行業協會支持    圣地亞哥因為擁有大量的造船廠、動力設備廠等重工業，也因此擁有大量的具有熟練技藝的工匠。

    但是對于當地的行業協會來說，SMO254仍是非常具有挑戰性的材料，這也間接的給焊工資格證的頒發機構提出了難題，因為認證高水平的焊工也是項目能否成功的關鍵一環，他們采用以下幾個步驟來克服這個問題。

    負責這項工作的管理者們找到了當地的行業協會，促成了利用當地培訓中心來選拔和培訓進行SMO254焊接的焊工。當地行業協會還派出富有經驗的質量經理來進行協助，確保在培訓過程中實施最高標準并給予指導。

測試在直徑76.2mm、厚度11mm的SMO管上進行，并要求焊工在工地現場完成6G位置焊接操作。下圖為焊工培訓中焊接的試樣。所有焊縫都要經過射線探傷，此外，焊接件還要通過ASTM G41的腐蝕測試，這些都是焊工能取得SMO管道焊接資格的基礎要求。平均來說，一個熟練的焊工一般花上兩周左右的時間就能通過這項資格考試。

    這也讓圣地亞哥誕生了一個新的焊工培訓體系，并促使項目承包商和地方之間的聯系更加緊密。驗證及檢驗    254 SMO管道在海水淡化工程中是至關重要的，因此其可靠性也非常重要。此外，由于管道工作時將承受大約6.9MPa的壓力，這就要求工程師需要按照ASME B31.3標準的要求對焊縫進行100%的探傷。

    此外，工藝工程師推薦采用焊后放置一段時間后進行染色液體滲透試驗，并按照相關ASME標準進行視覺檢驗。

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

電壓(V)、電流(A)、焊接長度(mm)、焊接時間(s)、外部保護氣流速(L/min)、襯底保護氣流速(L/min)、氧含量(%)、溫度(°C)

    以下數據通過測量和計算得到：

焊接速度(mm/s)=焊接長度(mm) / 焊接時間(s);

焊接熱輸入(J/mm)=電流(V)×電壓(A) / 焊接速度(mm/s)。

    這些數據將被審核，以確保沒有焊道參數違反WPS規定，尤其是熱輸入。這需要質量管控代表(QC)仔細收集數據，準確計算，檢查結果，以確保符合規定。此外，這些數據會被保留在記錄文檔中。

    下圖顯示了焊工在QC的監督下執行焊接操作和數據記錄。 雖然對SMO 254的焊接過程監督和數據收集增大了QC和質保部門的工作量和工作難度，但這也是確保焊件質量及達到設計壽命的關鍵部分。

    由于SMO 254對熱輸入的敏感性，易發生諸如裂紋、側壁咬邊、未熔透等常見缺陷。射線探傷有助于檢測這些類型的缺陷，對于 SMO254管道， 焊縫要求100%通過探傷檢驗。結論  海水淡化行業在美國具有巨大的增長潛力，而卡爾斯巴德海水淡化廠目前正處于該行業的前沿。

    在海水反滲透（RO）技術當中，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境下具有長的使用壽命，相比較其他合金材料而言，SMO 254具備這樣的能力，但應通過對焊接過程、順序的仔細監測和規劃來降低產生熱裂紋等缺陷的風險。此外，通過培訓獲得熟練技能的焊工也是確保海水淡化項目獲得成功的關鍵所在。

    最后，精心控制和記錄的質量控制項目是保證焊接生產至關重要的一步，借此確保構件的長的使用壽命，以及避免未來產生的昂貴維修費用。成功地焊接耐腐蝕合金254 SMO，也就昭示著將使美國擺脫干旱的嶄新行業的光明前景。