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   摘 要：介紹了整體焊接閥體的技術(shù)方案，開展了窄間隙焊縫、非熱時(shí)效的豪克能技術(shù)消除殘余應(yīng)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(yùn)用應(yīng)力分類理論評價(jià)大口徑環(huán)向承壓焊縫安全性的研究，驗(yàn)證了窄間隙焊縫免焊后熱處理技術(shù)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(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)要承受低溫、高溫及不可預(yù)測的地質(zhì)沉降和地震影響，管道系統(tǒng)必須能夠在惡劣的地質(zhì)、氣候條件和內(nèi)外復(fù)雜載荷作用下*穩(wěn)定、安全運(yùn)行。長輸管道工程用高壓大口徑全焊接球閥因結(jié)構(gòu)簡單，全通徑流道，流阻小，閥體采用焊接結(jié)構(gòu)，承載能力強(qiáng)，能避免外漏而得到了越來越廣泛的應(yīng)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(nèi)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(shí)先組焊中閥體和頸部及左閥體（右閥體），再裝配閥腔內(nèi)件及焊接右閥體（左閥體）。焊接過程無法逆轉(zhuǎn)，即不能通過拆卸焊縫的方式對封裝在閥腔內(nèi)的密封件和零部件進(jìn)行調(diào)整。焊接時(shí)會(huì)引起閥體溫度升高，如果靠近軟密封件部位溫度超過200℃，會(huì)導(dǎo)致密封件失效。焊接熱變形容易引起閥體橫向收縮，會(huì)影響閥體內(nèi)部零部件的裝配位置，導(dǎo)致閥門不能正常運(yùn)行。焊接完成后不能通過焊后熱處理方式消除焊接殘余應(yīng)力，否則會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)裝入閥腔內(nèi)的密封件和零部件失效。

分析焊接特點(diǎn)，選擇窄間隙焊縫結(jié)構(gòu)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(dòng)埋弧焊技術(shù)，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(jié)構(gòu)

3 免焊后熱處理技術(shù)

   采用免焊后熱處理技術(shù)（A－PWHT）設(shè)計(jì)閥體焊縫必須能承受內(nèi)外載荷作用而不發(fā)生破壞，因此整體焊接閥體研制的關(guān)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(shù)路線為窄間隙焊縫工藝制定→非熱時(shí)效方式消除應(yīng)力→焊縫韌性評定→焊接殘余應(yīng)力測定→承壓焊縫安全評定→工業(yè)化試驗(yàn)。

   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(jìn)行熱處理以消除焊接應(yīng)力。但整體焊接閥體因內(nèi)部橡膠及塑料等密封材料的限制，不能進(jìn)行焊后熱處理，因此必須采用非熱時(shí)效的應(yīng)力消除方式和有效的評定準(zhǔn)則保證焊縫的可靠性和安全性。

3.1 焊縫缺陷評定準(zhǔn)則

由于焊縫存在缺陷，彈性力學(xué)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(xué)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(qiáng)度和塑性而不發(fā)生破壞（圖3）。

圖3 裂紋擴(kuò)張

外載作用下，裂紋材料發(fā)生塑性變形，當(dāng)裂紋張開位移（CTOD）δ大于臨界值δc時(shí)，裂紋開始開裂，裂紋安全評定準(zhǔn)則為δ≤δc。

當(dāng)σ≤σy時(shí)，

當(dāng)σ＞σy時(shí)，δ=2πaε。

臨界張開位移

臨界裂紋

式中 a———裂紋尺寸，mm

a_c———臨界裂紋尺寸，mm

δ———張開位移，mm

δc———臨界張開位移，mm

σ———應(yīng)力，MPa

σ_y———屈服應(yīng)力，MPa

ε———應(yīng)變

ε_y———屈服應(yīng)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(kuò)張，容易產(chǎn)生低應(yīng)力斷裂。采用斷裂力學(xué)評估裂紋強(qiáng)度時(shí)，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(yīng)力，假設(shè)焊接殘余應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度σ_y，則焊縫區(qū)域總應(yīng)變ε_t為

ε_t=ε_w+ε_P

當(dāng)ε_w=ε_y，ε_P=0.63εy時(shí)，ε_t=1.63ε_y。設(shè)計(jì)時(shí)取ε_t=2ε_y，則zui大允許裂紋臨界值a_max為

a_max=0.09（δ_c/ε_y）

式中ε_w———焊接應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變

ε_P———設(shè)計(jì)載荷產(chǎn)生的應(yīng)變

3.2 焊縫韌性評估

采用BS7448－2標(biāo)準(zhǔn)測定焊縫CTOD值，根據(jù)API1104和DNV－OS－C401標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)焊縫材質(zhì)韌性。從整體焊接閥體焊縫區(qū)全厚度方向截取標(biāo)準(zhǔn)式樣，厚度B，寬度W=36，長度L=4W+20。預(yù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在不進(jìn)行熱處理的情況下，根據(jù)窄間隙焊接工藝設(shè)計(jì)的焊縫滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具有足夠的韌性。

圖5 預(yù)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(shù)消除焊接殘余應(yīng)力

豪克能技術(shù)是采用頻率達(dá)到20kHz以上具有大能量的振動(dòng)設(shè)備，沖擊金屬物體表面，能使焊縫金屬殘余應(yīng)力獲得釋放，改變焊縫的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力相對較小。采用豪克能應(yīng)力消除設(shè)備垂直沖擊環(huán)向焊縫表面，通過盲孔法測定焊接殘余應(yīng)力表明，豪克能技術(shù)可以消除掉80%以上的焊接殘余應(yīng)力（表2）。

表2 豪克能處理前后平均應(yīng)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(yīng)力，這些應(yīng)力對焊縫韌性影響較小，但是這些應(yīng)力和內(nèi)壓共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，將會(huì)導(dǎo)致焊縫處于復(fù)雜的三維應(yīng)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(zhì)內(nèi)壓、主管道拉力（或壓力）、自身重力、管道彎矩和溫差應(yīng)力等載荷（圖7）。承壓焊縫受力狀態(tài)復(fù)雜，無法用解析方法分析焊縫應(yīng)力狀態(tài)，更不能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)各種應(yīng)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(yīng)力組成，并根據(jù)產(chǎn)生的原因以及對失效的影響程度進(jìn)行分類。沿焊縫截面計(jì)算合成應(yīng)力，按靜力等效的原理對合成應(yīng)力進(jìn)行當(dāng)量分解，合成應(yīng)力線性化處理后等效應(yīng)力包括均勻分布的與合力等效的薄膜應(yīng)力Pm和與彎矩等效的線性分布的彎曲應(yīng)力PL（圖8）。

圖8 應(yīng)力線性化等效原理

4.2評判標(biāo)準(zhǔn)

焊縫材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度S_m^t=min（R_el/1.5，Rm/2.4），R_el、Rm為試塊的實(shí)測平均值，按ASMEBPVC另一建造規(guī)則評定焊縫強(qiáng)度，其合格標(biāo)準(zhǔn)為總體薄膜應(yīng)力Pm∶S_I≤S_m^t，局部薄膜應(yīng)力P_L∶S_II≤1.5S_m^t，局部薄膜加局部彎曲應(yīng)力Pm+P_L∶S_III≤3S_m^t。

4.3 應(yīng)力評定

殘余應(yīng)力是由于焊縫熱變形受到周圍約束而產(chǎn)生的拉（壓）應(yīng)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(jì)算溫差應(yīng)力和載荷應(yīng)力的疊加，沿焊縫壁厚方向建立應(yīng)力分類線，進(jìn)行應(yīng)力線性化等效處理（表3）。按ASMEBPVC建造規(guī)則評定焊縫強(qiáng)度，其*合格。

表3 焊縫厚度方向應(yīng)力分量 MPa

5 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整體焊接閥體的可靠性和安全性，進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)、泄放試驗(yàn)、管路注脂試驗(yàn)、注脂密封試驗(yàn)、防靜電試驗(yàn)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、扭矩試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、防火試驗(yàn)、材質(zhì)化學(xué)成分檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)、硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)、氫質(zhì)開裂試驗(yàn)、外觀檢測、標(biāo)志檢測和無損檢測。

閥體必須有足夠的強(qiáng)度和密封性能，確保在工作條件下不發(fā)生強(qiáng)度破壞和密封泄漏。強(qiáng)度和密封試驗(yàn)是各種試驗(yàn)中zui關(guān)鍵的試驗(yàn)，按API6D規(guī)定分別進(jìn)行1.5PN（PN—公稱壓力）殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、1.1PN閥座密封試驗(yàn)、1.1PN閥座高壓氣密封試驗(yàn)、0.6MPa低壓氣密封試驗(yàn)。為了確保試驗(yàn)的可靠性，模擬了閥門帶壓工作狀態(tài)并進(jìn)行實(shí)時(shí)影像監(jiān)測。在試驗(yàn)期間未發(fā)生可見泄漏，焊縫強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求，各項(xiàng)性能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用考核指標(biāo)要求。

6結(jié)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(dòng)時(shí)效方式消除焊接殘余應(yīng)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(yīng)用在管道輸送系統(tǒng)中，從工程實(shí)踐上進(jìn)一步證實(shí)了免焊后熱處理技術(shù)的可行性。

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