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浙江中誠閥門整體焊接的技術方案
閱讀：442 發(fā)布時間：2016-4-20
摘 要：介紹了整體焊接閥體的技術方案，開展了窄間隙焊縫、非熱時效的豪克能技術消除殘余應力、裂紋張開位移法評定免焊后熱處理焊縫的材料韌性和運用應力分類理論評價大口徑環(huán)向承壓焊縫安全性的研究，驗證了窄間隙焊縫免焊后熱處理技術的可行性。
1 概述
天然氣長輸管道工程干線長，沿途地理環(huán)境和地質條件復雜，同時要承受低溫、高溫及不可預測的地質沉降和地震影響，管道系統(tǒng)必須能夠在惡劣的地質、氣候條件和內外復雜載荷作用下*穩(wěn)定、安全運行。長輸管道工程用高壓大口徑全焊接球閥因結構簡單，全通徑流道，流阻小，閥體采用焊接結構，承載能力強，能避免外漏而得到了越來越廣泛的應用。本文主要研究整體式焊接閥體焊后免熱處理工藝。
2整體對接焊接閥體
高壓大口徑球閥（Class900－NPS48）閥體由左閥體、右閥體、中閥體和頸部組焊而成（圖1）。頸部和中閥體無交叉焊縫，降低了焊接缺陷，具有更好的承載能力。整體式焊接閥體（IWB）焊縫內徑超過1600mm，屬于大口徑環(huán)形承壓焊縫。
圖1 組焊閥體
焊接時先組焊中閥體和頸部及左閥體（右閥體），再裝配閥腔內件及焊接右閥體（左閥體）。焊接過程無法逆轉，即不能通過拆卸焊縫的方式對封裝在閥腔內的密封件和零部件進行調整。焊接時會引起閥體溫度升高，如果靠近軟密封件部位溫度超過200℃，會導致密封件失效。焊接熱變形容易引起閥體橫向收縮，會影響閥體內部零部件的裝配位置，導致閥門不能正常運行。焊接完成后不能通過焊后熱處理方式消除焊接殘余應力，否則會導致已經(jīng)裝入閥腔內的密封件和零部件失效。
分析焊接特點，選擇窄間隙焊縫結構焊接閥體，坡口底層間隙8～35mm，坡口角度1°～7°，單層1～3道焊縫（圖2）。采用小電流、高焊速和多道焊的單絲自動埋弧焊技術，以線能量輸入方式控制焊接溫度場和焊接變形。
圖2 窄間隙焊縫結構
3 免焊后熱處理技術
采用免焊后熱處理技術（A－PWHT）設計閥體焊縫必須能承受內外載荷作用而不發(fā)生破壞，因此整體焊接閥體研制的關鍵在于大口徑環(huán)向焊縫的焊接工藝可行性和承壓焊縫安全評定。研制技術路線為窄間隙焊縫工藝制定→非熱時效方式消除應力→焊縫韌性評定→焊接殘余應力測定→承壓焊縫安全評定→工業(yè)化試驗。
整體焊接閥體zui大焊縫厚度超過130mm，根據(jù)ASMEBPVC和API6D規(guī)定，該焊縫必須進行熱處理以消除焊接應力。但整體焊接閥體因內部橡膠及塑料等密封材料的限制，不能進行焊后熱處理，因此必須采用非熱時效的應力消除方式和有效的評定準則保證焊縫的可靠性和安全性。
3.1 焊縫缺陷評定準則
由于焊縫存在缺陷，彈性力學的連續(xù)性、均勻性和各向同性的理論已經(jīng)不適用于焊縫的評定。因此采用斷裂力學理論評定焊縫性能，在缺陷存在的情況下，只要材料有足夠的韌性，焊縫有足夠的止裂性，則仍然能保證材料在工作期間有足夠的強度和塑性而不發(fā)生破壞（圖3）。
圖3 裂紋擴張
外載作用下，裂紋材料發(fā)生塑性變形，當裂紋張開位移（CTOD）δ大于臨界值δc時，裂紋開始開裂，裂紋安全評定準則為δ≤δc。
當σ≤σy時，
當σ＞σy時，δ=2πaε。
臨界張開位移
臨界裂紋
式中 a———裂紋尺寸，mm
ac———臨界裂紋尺寸，mm
δ———張開位移，mm
δc———臨界張開位移，mm
σ———應力，MPa
σy———屈服應力，MPa
ε———應變
εy———屈服應變
E———彈性模量，MPa
整體焊接閥體焊縫裂紋主要有張開型、滑開型和撕開型3種。張開型裂紋（圖4）在垂直于裂紋面力F作用下，裂紋張開擴張，容易產生低應力斷裂。采用斷裂力學評估裂紋強度時，主要考慮張開型裂紋失效影響。
圖4 焊縫張開型裂紋
整體焊接閥體焊縫區(qū)未經(jīng)焊后熱處理，因此存在較大的焊接殘余應力，假設焊接殘余應力超過材料的屈服強度σy，則焊縫區(qū)域總應變εt為
εt=εw+εP
當εw=εy，εP=0.63εy時，εt=1.63εy。設計時取εt=2εy，則zui大允許裂紋臨界值amax為
amax=0.09（δc/εy）
式中εw———焊接應力產生的應變
εP———設計載荷產生的應變
3.2 焊縫韌性評估
采用BS7448－2標準測定焊縫CTOD值，根據(jù)API1104和DNV－OS－C401標準評價焊縫材質韌性。從整體焊接閥體焊縫區(qū)全厚度方向截取標準式樣，厚度B，寬度W=36，長度L=4W+20。預制裂紋長度a≈（0.04～0.05）W（圖5、圖6）。從檢測的閥體焊縫和焊縫熱影響區(qū)（HAZ）的δc值（表1）分析，焊縫和HAZ的δc值大于標準規(guī)定。在不進行熱處理的情況下，根據(jù)窄間隙焊接工藝設計的焊縫滿足標準規(guī)定，具有足夠的韌性。
圖5 預制裂紋尺寸和測試樣件加工
表1 焊縫和HAZ測定值δc及判定
圖6 CTOD加載測試
3.3 豪克能技術消除焊接殘余應力
豪克能技術是采用頻率達到20kHz以上具有大能量的振動設備，沖擊金屬物體表面，能使焊縫金屬殘余應力獲得釋放，改變焊縫的應力分布。大口徑整體焊接閥體的窄間隙焊縫厚度超過130mm，焊接過程中由于焊縫的熱脹冷縮，在軸向和環(huán)向存在較大的焊接應力。由于采用小電流、多道焊工藝，厚度方向受約束較小、熱量易于釋放，應力相對較小。采用豪克能應力消除設備垂直沖擊環(huán)向焊縫表面，通過盲孔法測定焊接殘余應力表明，豪克能技術可以消除掉80%以上的焊接殘余應力（表2）。
表2 豪克能處理前后平均應力對比
4安全評定
閥體窄間隙焊縫經(jīng)過豪克能處理后，仍然存在一定量的剩余殘余應力，這些應力對焊縫韌性影響較小，但是這些應力和內壓共同作用下產生的應力疊加，將會導致焊縫處于復雜的三維應力狀態(tài)。整體焊接閥體屬于異形承壓容器，工作狀態(tài)下承受介質內壓、主管道拉力（或壓力）、自身重力、管道彎矩和溫差應力等載荷（圖7）。承壓焊縫受力狀態(tài)復雜，無法用解析方法分析焊縫應力狀態(tài)，更不能用統(tǒng)一的標準評價各種應力的破壞程度。
圖7 埋地安裝整體式焊接球閥
4.1 評定理論
基于板殼理論，分析焊縫區(qū)域的應力組成，并根據(jù)產生的原因以及對失效的影響程度進行分類。沿焊縫截面計算合成應力，按靜力等效的原理對合成應力進行當量分解，合成應力線性化處理后等效應力包括均勻分布的與合力等效的薄膜應力Pm和與彎矩等效的線性分布的彎曲應力PL（圖8）。
圖8 應力線性化等效原理
4.2評判標準
焊縫材料設計強度Smt=min（Rel/1.5，Rm/2.4），Rel、Rm為試塊的實測平均值，按ASMEBPVC另一建造規(guī)則評定焊縫強度，其合格標準為總體薄膜應力Pm∶SI≤Smt，局部薄膜應力PL∶SII≤1.5Smt，局部薄膜加局部彎曲應力Pm+PL∶SIII≤3Smt。
4.3 應力評定
殘余應力是由于焊縫熱變形受到周圍約束而產生的拉（壓）應力，基于熱彈塑理論，采用ANSYS軟件分析焊縫的溫度場，通過耦合方法，計算溫差應力和載荷應力的疊加，沿焊縫壁厚方向建立應力分類線，進行應力線性化等效處理（表3）。按ASMEBPVC建造規(guī)則評定焊縫強度，其*合格。
表3 焊縫厚度方向應力分量 MPa
5 試驗
為了驗證整體焊接閥體的可靠性和安全性，進行了強度試驗、泄放試驗、管路注脂試驗、注脂密封試驗、防靜電試驗、傳動機構強度試驗、扭矩試驗、疲勞壽命試驗、防火試驗、材質化學成分檢驗、力學性能檢驗、硫化氫應力腐蝕開裂試驗、氫質開裂試驗、外觀檢測、標志檢測和無損檢測。
閥體必須有足夠的強度和密封性能，確保在工作條件下不發(fā)生強度破壞和密封泄漏。強度和密封試驗是各種試驗中zui關鍵的試驗，按API6D規(guī)定分別進行1.5PN（PN—公稱壓力）殼體強度試驗、1.1PN閥座密封試驗、1.1PN閥座高壓氣密封試驗、0.6MPa低壓氣密封試驗。為了確保試驗的可靠性，模擬了閥門帶壓工作狀態(tài)并進行實時影像監(jiān)測。在試驗期間未發(fā)生可見泄漏，焊縫強度滿足試驗要求，各項性能達到工業(yè)應用考核指標要求。
6結語
高壓大口徑球閥筒形整體式焊接閥體采用窄間隙焊縫焊接工藝和豪克能高頻振動時效方式消除焊接殘余應力的方法，使閥體焊縫具有足夠的韌性和安全性，可以免除焊后熱處理工藝。NPS48－Class900全焊接球閥已經(jīng)成功應用在管道輸送系統(tǒng)中，從工程實踐上進一步證實了免焊后熱處理技術的可行性。
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