球墨铸铁焊接法兰管和管件-编制说明

《一、工作简况1．任务来源本项目是依据中铸协标[2021]4号文下达的标准批复文件，标准编号为T/CFA2021010，项目名称为《球墨铸铁焊接法兰管》，本项目是标准制订项目。标准起草过程中本标准名称修改为《球墨铸铁焊接法兰管和管件》。主要起草单位：辽宁爱维尔金属成型科技股份有限公司和黄石新兴管业有限公司，计划完成时间为：2022年12月。2．标准化对象简要情况球墨铸铁焊接法兰管和管件是采用离心球墨铸铁管和球墨铸铁法兰或承口，通过焊接成型的法兰管和管件，主要包括：双盘直管、双盘过墙直管、盘插直管、盘插过墙直管、盘承直管、盘承过墙直管、双承直管、双承过墙直管等。如图1所示。a.双盘直管b.双盘过墙直管c.盘插直管d.盘插过墙直管e.盘承直管f.盘承过墙直管g.双承直管h.双承过墙直管图1焊接法兰管和管件名称及简图近年来，球墨铸铁焊接法兰管和管件已经在给水工程、污水处理工程、海水淡化工程等领域中有很多应用。粗略统计，每年用量约数万吨，而且近年来，市场用量一直呈增长趋势。由于制作工艺方法的不同，质量差别较大，目前国内缺乏球墨铸铁焊接法兰管和管件的相关标准，不同企业生产标准和验收标准不统一、不规范，因此急需制定本标准。基于以上目的和意义，建议制定《球墨铸铁焊接法兰管和管件》标准，此标准的制定将有助于该新技术的推广使用。3．工作简要过程3.1起草(草案、调研)阶段2021年1月初，辽宁爱维尔金属成型科技股份有限公司向中国铸造协会提交了制定《球墨铸铁焊接法兰管和管件》标准的项目建议书，随后中国铸造协会对建议书组织了相关专家评议，于2021年1月15日对此标准进行了批复（中铸协标[2021]4号文）。辽宁爱维尔金属成型科技股份有限公司与黄石新兴管业有限公司成立了标准编制工作小组。工作小组对国内外球墨铸铁焊接法兰管和管件产品、技术现状以及发展情况进行全面调研，同时广泛搜集相关标准和国内外技术资料，进行了大量的研究分析、资料查证工作。结合实际应用经验，进行全面总结和归纳，在此基础上编制出《球墨铸铁焊接法兰管和管件》标准草案初稿。于2021年10月形成了标准草稿及其编制说明等相关附件，报中国铸造协会标准工作委员会。2021年10月10日由中国铸造协会标准工作委员会秘书处组织有关专家研讨后，对标准草案初稿进行了认真的修改，于2022年4月形成了标准修改稿及其编制说明等相关附件，报中铸协标准工作委员会。3.2征求意见阶段计划于2022年5月份征求意见3.3送审阶段计划于2022年8月送审3.4报批阶段计划于2022年底报批4．主要参加单位和工作组成员及其所做的工作本标准以辽宁爱维尔金属成型科技股份有限公司和黄石新兴管业有限公司为主要起草单位，辽宁鑫丰实业有限公司等参加本标准起草。主要成员：周占虎、刘越、贾振波、宋雪峰、尹健、王三军、周宝喜、官振兴、王晨宇、董雅君等。所做的工作：辽宁爱维尔金属成型科技股份有限公司和黄石新兴管业有限公司为本标准主要起草单位，负责本标准的具体起草与编制，总结球墨铸铁焊接法兰管和管件各种性能检验方法，并多次进行实验验证。工作组成员单位负责国内外相关技术文献和资料的收集、分析及资料查证，对产品生产工艺、性能和使用经验进行总结和归纳，以及负责对国内外产品、技术的现状以及发展情况进行全面调研，主要起草单位负责对各方面的意见及建议进行归纳整理。二、标准编制原则本标准在制订过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、不断完善”的原则，注重标准制订与技术创新、试验验证、产业推进、应用推广相结合，以先进性、科学性、合理性和可操作性为目标；本着统一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制订工作。本标准在起草过程中，主要按GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》的要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济效益和社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。三．主要内容说明1．主要内容1.1本标准适用范围本文件规定了焊接成型的球墨铸铁法兰管和管件的术语和定义，技术要求，试验方法，验收与判定和标记、质量证明书、储存、包装和运输等。本文件适用于尺寸范围从DN80~DN2000规格的球墨铸铁焊接法兰管和管件。1.2国内外对该技术研究情况说明球墨铸铁管采用离心铸造的方法生产而成，管体组织致密，可生产薄壁管，使用寿命长。可由于工艺限制，无法用离心铸造法生产出双法兰直管，只能单独铸造法兰，再将法兰与直管焊接成型。这就要求焊缝区域的强度及塑性与球墨铸铁母材相匹配。由于球墨铸铁的焊接性较碳钢差，成分中碳、硅及杂质元素硫、磷含量较大，因而塑性较差，焊接接头处易形成碳化物和高碳马氏体，组织硬脆，形成冷裂纹倾向较大；而硫、磷提高了焊缝的热裂纹敏感性。离心铸造球墨铸铁管铸态基体组织一般是铁素体加珠光体混合组织。直管与法兰熔焊类型为异质焊缝的熔焊。其熔焊工艺有气焊、自熔极气体保护焊等。目前，国内外对球铁与球铁进行焊接主要采用Ni-Fe型焊接材料，以降低焊接区域应力和裂纹倾向，在Ni-Fe型焊缝金属中加入Mn、Cu，可降低焊缝金属的抗热裂纹性能。球墨铸铁管与法兰搭接装配后，通常采用内、外双道环焊缝焊接，内焊缝较窄较深，保证连接强度，外焊缝较宽较薄，保证连接密封。为了验证球墨铸铁焊接法兰管能否满足标准要求，需要进行法兰管的型式试验。依据BSEN545：2006第5.5、7.7条款标准，在DN100-DN2000规格中，选取DN350、DN800壁厚等级为K9的离心球墨铸铁管和公称压力等级为PN16的球墨铸铁法兰，经过内、外自动焊接得到DN350、DN800K9/PN16焊接法兰管，然后选择型式试验参数进行实验。在规定的内部水压和外部负荷作用下，保持15分钟，检查接口没有发现泄漏等异常情况，接口合格。试验结果表明，DN100-DN2000K9/PN16焊接法兰管符合BSEN545：2006标准。1.3与国内相关标准间的关系GB/T13295-2019《水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件》标准中，规定的标准适用范围为：经任何类型铸造工艺加工或由铸铁部件装配而成的水及燃气用球墨铸铁管、管件、附件及其接口的术语和定义、技术要求、试验方法、尺寸和公差、检验规则与质量证明书等和接口部件的型式试验要求。其中技术要求包括法兰接口型式与连接要求，球墨铸铁管的压力、壁厚分级和尺寸要求等；密封要求包括管的密封试验要求和焊接法兰接口型式试验要求等；实验方法主要是管的参数测量，离心铸铁管拉伸、硬度和密封试验等。型式试验主要检验内外压力、负内压下及循环压力下法兰接口的密封性和机械应力。GB/T17241.4-1998《带颈平焊和带颈承插焊铸铁管法兰》，规定了公称压力PN为1.0、1.6、2.5及4.0MPa的带颈平焊和带颈承插焊球墨铸铁管法兰的型式和尺寸。GB/T17241.7-1998《铸铁管法兰技术条件》，规定了铸铁管法兰的材料、尺寸公差、试验及检验方法等技术要求。但都没有给出球墨铸铁法兰管焊接相关要求和标准。1.4相关国际标准或国外先进标准情况ISO2531-2009《输水用球墨铸铁管、管件、附件和接口》这一标准，适用于经任何铸造类型处理或与相关接口同一生产工艺的管、管件及附件。包含承口、法兰和插口(接口设计和胶圈的形状不在该国际标准内)，尺寸范围从DN40至DN2600。规定了管线用球墨铸铁管、管件、附件及其接口的标准和相关的试验方法。本标准规定了材质、尺寸和公差、力学性能、管和管件附件的涂覆要求。也给出了包括接口在内的所有附件的要求。可以参考GB/T13295-2019部分内容。BSEN545-2010《给水管线用球墨铸铁管、管件、附件》，规定了适用于建筑物外管道施工的球墨铸铁管、配件、附件及其接头的要求和相关试验方法。适用于0℃-50℃之间的流体温度。该欧洲标准规定了球墨铸铁管和管件的材料、尺寸和公差、机械性能和标准涂层的要求，尺寸范围从DN40-DN2000。它也给出了包括接口在内的所有部件的性能要求，接口设计和垫圈形状不在本标准的范围。可参考GB/T13295-2019部分内容。1.5对相关国际标准或国外先进标准采用程度的考虑无。2．技术要求2.1焊接用球墨铸铁管2.1.1焊接用球墨铸铁管执行GB/T13295标准，直管的压力级别不能低于法兰的公称压力级别。推荐使用K9及以上壁厚级别离心球墨铸铁管，壁厚尺寸如表1所示。壁薄会影响焊接法兰管和管件的加工制作难度，降低成品率.表1焊接用K9球墨铸铁管壁厚尺寸单位为毫米规格DN80DN100DN150DN200DN250DN300DN350DN400DN450DN500公称壁厚6.06.16.36.46.87.27.78.18.69.0最小壁厚4.74.74.94.95.35.66.16.46.97.2规格DN600DN700DN800DN900DN1000DN1200DN1400DN1600DN1800DN2000公称壁厚9.910.811.712.613.515.317.118.920.722.5最小壁厚8.08.89.610.411.212.814.416.017.619.22.1.2焊接用球墨铸铁管，宜选用可切管，保证焊接法兰或承口承接部分的内径不会过大，影响法兰承接部分的厚度。2.1.3焊接用球墨铸铁管的直管部分不允许对焊加长，因为球铁对焊的冲击性能很低。2.1.4焊接用球墨铸铁管按要求长度切断后，直管与法兰的装配部分要进行打磨或机械加工，去掉表面涂层及氧化皮等，打磨至平整光滑无毛刺。否则焊缝容易夹渣渗漏。打磨长度要满足表2的要求，这是我们经过长期的试验得到的优化尺寸。表2球墨铸铁直管和法兰或承口装配长度和过盈量单位为毫米规格DN80DN100DN150DN200DN250DN300DN350装配长度50556065707580过盈量0.2～0.30.3～0.40.4～0.60.6～0.80.8～1.01.0～1.21.2～1.4规格DN400DN450DN500DN600DN700DN800DN900装配长度859095105115125135过盈量1.4～1.61.6～1.81.8～2.02.0～2.42.4～2.82.8～3.23.2～3.6规格DN1000DN1200DN1400DN1500DN1600DN1800DN2000装配长度145155165170175185195过盈量3.6～4.03.6～4.43.8～4.23.9～4.54.2～4.84.8～5.45.4～6.02.1.5测量打磨或加工后的焊接用球墨铸铁管装配部分直径，并逐个编号记录，测量尺寸精度0.1mm。2.2焊接用球墨铸铁法兰或承口2.2.1球墨铸铁焊接法兰尺寸执行GB/T17241.4。焊接承口尺寸执行GB/T13295和生产商企业标准。如需其它标准的焊接法兰和承口，供需双方商定。2.2.2球墨铸铁焊接法兰的力学性能应符合GB/T17241.7，承口的力学性能应符合GB/T13295。2.2.3球墨铸铁焊接法兰或承口铸造后要进行必要的机械加工。要以打磨或加工的直管外径为基准，加工法兰或承口装配内径，内径尺寸应按对应的球墨铸铁管外径尺寸减去表2所示的过盈量，粗糙度Rz=12.5。测量尺寸精确到0.1mm，并逐个编号，与直管对应。2.3焊丝焊丝采用镍铁焊丝，焊丝尺寸、规格、化学成分等执行GB/T10044标准，焊丝的质量对焊缝性能的影响很大，每次更换焊丝，要做工艺评定。我们经过试验，优先选用含镍量大于55%的焊丝。2.4装配要求2.4.1焊接法兰或承口要加热到一定的温度后，法兰或承口内径大于直管装配部分外径，方可进行装配，加热温度根据过盈量的大小以及使用的装配设备要求来确定。2.4.2直管和法兰或承口装配后，要保证整体长度、法兰孔的位置度、法兰密封面与轴线的垂直度。具体要求执行GB/T13295和GB/T17241.7，在实际生产中，会设计能控制法兰孔位置度和法兰密封面垂直度的专用工装来完成法兰装配，因为法兰加热后，人员很难靠近调整。2.5焊接要求2.5.1焊接方式及工艺参数根据焊丝使用要求和工艺评定结果确定，不同厂家的焊机和焊丝要制定不同的工艺参数。2.5.2焊缝宽度和厚度推荐值见表3，这是我们十几年来总结的经验数据。表3球墨铸铁焊接法兰管和管件焊缝宽度和厚度推荐值单位为毫米规格DN80-250DN300-600DN700-1200DN1400以上焊缝宽度（mm）≥10≥15≥20≥25焊缝厚度（mm）≥5≥8≥10≥132.5.3密封要求a、焊接后的法兰管必须逐根进行密封性试验，不允许有可见的渗漏、出汗或任何其他失效缺陷。生产商可与客户协商进行水压或气压试验。b、水压试验压力见表4，压力周期总计持续时间不应小于15sec，包括试验压力下的10sec。表4球墨铸铁焊接法兰管和管件水压试验压力规格DN80-300DN350-600DN700-2000试验压力2.5MPa1.6MPa1.0MPac、进行气压试验时，要求内部压力至少0.1MPa，目测时间不小于20秒，可在焊接法兰管和管件外表面均匀地涂抹泡沫剂或把法兰管浸入水中，进行检查。d、如需更高的使用压力，或使用条件比较复杂，供需双方应充分论证焊接法兰管的可靠性。2.5.4生产商应根据国家标准或相关法规，定期进行焊接工艺评定（见附录A）以及焊接工人的资质评定。2.6涂层2.6.1法兰管和管件的焊接部分的内衬，应采用与球墨铸铁管相同种类的水泥砂浆进行修补，并充分养生。修补后不应有明显的色差，具体要求执行GB/T17457标准。2.6.2焊接法兰或焊接承口要除锈，并将焊口打磨光滑，去除焊渣、飞溅等杂质，然后刷富锌底漆和与直管相同颜色的面漆，具体要求执行GB/T17456.2标准。2.6.3根据供需双方商定，焊接用球墨铸铁管可以用裸管焊接法兰或承口后，做聚氨酯涂层、环氧涂层等，具体执行GB/T24596和GB/T34202标准。3试验方法3.1尺寸3.1.1球墨铸铁管壁厚可以用卡钳或超声波测厚仪测量，测量结果要符合表1的要求。3.1.2球墨铸铁管和法兰装配尺寸可以用卡尺或π尺测量，测量结果要符合表2的要求。3.1.3球墨铸铁管和球墨铸铁焊接法兰管长度可以用卷尺测量，测量结果要符合相应图纸的要求。3.1.4焊缝宽度和焊缝厚度可以用卡尺测量，测量结果要符合表3的要求。3.2法兰的形位法兰孔的位置和法兰密封面对轴线的垂直度需要平台划线检查，检查结果要满足GB/T13295和GB/T17241.7标准要求。3.3表面3.3.1球墨铸铁管、法兰或承口装配部分的表面粗糙度可以用机械加工粗糙度样块对比评定。3.3.2焊缝表面可以目测或着色检查，不应存在气孔、裂纹、未熔合等缺陷。3.4密封性试验3.4.1双法兰管的密封性宜采用盲板法兰封堵端面进行试验，可以采用高强螺栓或特殊密封圈来保证密封的有效性。如采用机械或液压装置封堵端面，相当于减小了焊缝受到的拉力，即使通过试验，也不能保证使用时焊缝不出现问题。3.4.2带承口或插口的焊接管件，可以采用机械或液压装置封堵端面进行试验。3.5力学性能焊接用离心球墨铸铁管和球墨铸铁焊接承口的力学性能检验执行GB/T13295标准，球墨铸铁焊接法兰的力学性能检验执行GB/T17241.7标准。附录A（规范性）球墨铸铁焊接法兰管和管件工艺评定A.1在以下情况下，制造商应进行焊接工艺评定a、材料发生重大变化，包括铸管、法兰、焊丝的工艺、成分、壁厚级别发生重大变化。b、焊接设备、工艺参数、人员、环境发生重大变化。c、其它可能影响焊接法兰管使用性能的因素发生重大变化。A.2焊接工艺评定至少包含以下内容a、所用球墨铸铁管、球墨铸铁法兰、镍铁焊丝的成分和性能。b、焊接工艺参数。c、焊接法兰管的检验结果，包括整管的水压试验、焊缝外观、焊缝探伤情况、焊缝金相组织及试棒的力学性能等。d、型式试验结果。A.3焊缝金相组织A.3.1焊缝金相试样制备应按照GB/T13298标准。A.3.2金相检验内容包括管-焊缝、法兰-焊缝焊合情况，焊缝区域是否存在气孔、裂纹等缺陷。焊缝热影响区白口组织、马氏体等脆硬相数量及焊缝石墨形态。A.4拉伸试验A.4.1取样焊接法兰管采用搭接焊的焊接结构形式，可参考ISO9018:2003进行拉伸剪切试验试样的制备。同一种焊接工艺参数的试样取3~5个样。A.4.2试验方法在焊接法兰管上切取试样，试样形状及相应的拉伸夹具见图1。可用试样的拉伸断裂强度评判焊接法兰管焊缝抗拉强度，进而估算出整个焊接法兰管的抗拉强度。最后用整个法兰管的抗拉力与3倍的PFA内压力时的轴向力比较，可给出式：QUOTEF断裂≥3×PFA×πD24πDF断裂≥3×PFA×πD24πDQUOTEQUOTEF断裂QUOTEF断裂F断裂——试样断裂受到的力PFA——焊接法兰管的允许工作压力D——焊接法兰管的公称直径1零件为拉伸剪切平台；2拉伸夹持杆；3垫片；4连接螺栓图A.1性能试验试样与卡具装配示意图A.5型式试验A.5.1制造商应根据工艺评定要求对焊接法兰管和管件进行使用条件下的强度和密封性的型式试验。A.5.2试验组件由带法兰的两支的管子组成，两端装有盲板，使用制造商定义的螺栓及相应的垫圈组装在一起。受试组装件安放在两个简单支架上（见图A.2），焊接法兰接口处于跨距中间。支架间距最少为6DN(mm)或4000mm，两者之间取较小值。试验组件中注满水并易于排气。压力持续升至(1.5PN+5)/10MPa。外部负荷F通过一平板作用于焊接法兰接头，方向与试验组装件轴心垂直，形成表A.1所示弯矩。内部压力和外部负荷综合作用下保持2h，在此期间，法兰接口应无明显渗漏。表A.1法兰接口型式试验的弯矩规格DN80100150200250300350400450500弯曲力矩KN,m1.82.34.06.08.62633.8425163规格DN600700800900100012001400160018002000弯曲力矩KN,m87116146181222313423548625770注:表A.1所列的弯曲力矩等于由管子的重量及支撑点间长度为L的管子中的水的重量得出的弯曲力矩。DN≤250时，L=8m；DN≥300时，L=12m。A.5.3在压力试验期间采取一切必要的安全防护措施。图A.2焊接法兰管型式试验示意简图附录B(规范性)球墨铸铁焊接法兰管和管件安装施工规范B.1总则本附录给出了球墨铸铁焊接法兰管及管件法兰接口连接的安装要求，接口型式及连接示意见图B.1。型式123法兰接口球墨铸铁法兰螺栓、螺母胶垫图B.1球墨铸铁焊接法兰管及管件连接示意图B.2安装技术要求B.2.1法兰与法兰的连接处需挖工作坑或打造支墩以提供额外的空间用以安装紧固螺栓，见图B.2。图B.2正确安装示例B.2.2施工前应确认法兰连接面无杂物，密封面平整、无破损，密封垫保持干净。B.2.3首支焊接法兰管或管件下沟槽时应对正中心线定位，之后每支管由人工或设备放入沟底，与前一支管装配应水平一致，两支管进行法兰孔对中，对中后通过螺栓将两支法兰管进行连接。B.2.4先穿入上下两端的螺栓，然后再穿入左右两端的螺栓，将密封胶圈固定在法兰盘密封面上，将两支管进行连接，对称轻轻紧固上下、左右两端螺栓，再把剩余的螺栓放入螺栓孔中逐一紧固。B.2.5螺栓紧固共分三次完成：第一次，对称紧固，扳紧度为50%～60%；第二次，对称紧固，扳紧度为60%～80%；第三次，顺序紧固，扳紧度为100%。B.3安装注意事项B.3.1螺栓必须要和直管的轴径平行，螺母也要与法兰表面平行。严禁因装配不当造成螺栓倾斜或弯曲。B.3.2焊接法兰管或管件连接时应保持中心轴线一致，严禁上下左右带角度安装。B.3.3严禁超过2个焊接法兰管或管件在管线沟槽外安装好后再整体吊装至沟槽安装。吊装时重力形成的力矩可能造成焊缝损伤。法兰接口在紧固螺栓时需牵引多个管件，对接头合拢形成反作用约束力也可能造成焊缝或法兰损伤。正确安装应是在沟槽内逐件顺序安装，并保证法兰管一端处于没有约束力的状态。B.3.4焊接法兰管或管件用于阀门井室、隧道等非埋地管线时必须打造支墩，安装过程中应合理安排支墩位置，且要考虑管件自重造成的弯矩。B.3.5支墩应在坚固的地基上构筑，其后背土应为原土，两者紧密靠紧。支墩与管件应设置沉降缝，缝间浇注水泥前垫一层油毡，以防止管件与支敦发生不均匀沉降。B.3.6焊接法兰管或管件不建议在地质沉降严重区域安装，如必须使用，应做好放沉降措施。四、主要试验（或验证）情况标准中的指标数据都是通过实验验证的，标准中的4.1技术要求验证过程有照片和相关记录。4.1主要试验4.1.1DN350型式试验4.1.2DN800型式试验4.1.3工艺验证4.2市场应用情况4.2.1工程应用案例一香港某工地焊接法兰管管线施工案例，详见下图。主要问题有两点，第一、法兰与铸管没有按照焊接法兰管的工艺要求进行过盈配合；第二、法兰在焊接时没有与焊材充分融合。焊缝没有与法兰充分融合打压时焊接法兰与铸管拉开并可以在铸管上自由转动4.2.2工程应用案例二：安哥拉吉隆戈供水管线施工案例，主要问题是焊接过程中法兰侧焊缝有夹渣导致的慢渗。焊接法兰管在焊缝处+出现慢渗状况4.2.3工程应用案例三秘鲁某矿区高压供水项目，于2019年安装，目