全焊接閥 焊縫根部應力集中

由于全焊接球閥閥體裝配對準和定位要求，在焊縫根部存在一條環形裝配縫隙，這將導致在閥體焊縫根部出現較大的應力集中。通過有限元分析計算，20in-600Lb球閥閥體，在10MPa工作壓力下，可以明顯地觀察到在焊縫根部出現較大應力集中，其根部Von m isese應力達到275MPa，已超過A105材料的屈服強度sS=250MPa，達到正常工作應力3倍左右。

全焊接閥焊縫殘余應力分析

焊接殘余應力是由于在施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場，焊縫及其附近區域溫度急劇升高，不均勻的溫度場產生的不均勻的膨脹，焊接殘余應力由此產生。而且全焊接閥體焊接接頭為典型的厚壁多層焊縫，焊接熱影響區經歷反復多次升溫-冷卻，造成該區域晶粒組織粗大，構成焊接接頭韌性薄弱區。

根據全焊接閥閥體材料及焊接電流和焊接速度等焊接工藝參數，可采用熱彈塑性有限元法計算全焊接閥體的焊接殘余應力、焊接殘余軸向應力、焊接殘余環向應力和焊接殘余應力沿焊縫厚度方向上的分布（圖2、圖3）。從圖可知，閥體的最大焊接殘余應力達到407MPa，遠遠超過A105材料的屈服強度S=250MPa。最大焊接殘余軸向應力及周向應力均在閥體厚壁圓筒焊縫中心位置的外表面，殘余應力為拉應力，而內表面為壓應力。最大焊接殘余軸向、周向計算應力可達到A105材料的抗拉強度b=480MPa。

(a) 有限元模型 (b) 焊接殘余應力

全焊接閥閥體有限元模型與焊接殘余應力計算結果

(a)閥體軸向殘余應力計算和測量值的比較 (b)閥體周向殘余應力計算和測量值的比較 (c)閥體厚度方向的殘余應全焊接閥力分布曲線

 焊接殘余應力沿不同方向的仿真分布結果與測試結果

在工作壓力下，由于焊縫根部的環形裝配縫隙，將導致焊縫根部產生3倍于工作應力的應力集中。厚壁焊縫的焊接殘余應力已達到閥體材料抗拉強度，危及閥體結構安全。因此，根據標準要求通過焊后熱處理，可細化焊縫及熱影響區晶粒，降低焊接殘余應力值，提高焊接結構斷裂韌性。但由于全焊接閥體球閥結構的特殊性，全焊接閥體不能進行焊后熱處理。需要研究有效的非熱時效方法∀12#和焊接接頭免焊后熱處理可能性的試驗方法與科學依據。

 全焊接閥焊接要求

全焊接閥體材料通常采用ASTMA105，20in-600Lb球閥焊縫厚度設計為44mm，相關標準有不同的要求。

（1）API6D

焊后熱處理根據材料標準要求∀14#所有經過補焊的鍛件都必須進行焊后熱處理，焊后熱處理溫度在1100℉（593℃）與相變溫度之間，根據最大截面厚度，其保溫時間為30min/in，或替代以退火、正火和回火處理，或淬火和回火處理。

（2）ASME V III-1

對于P-No.1.2 材料，厚度超過11/2in（38mm）必須進行焊后熱處理。根據對標準的分析，當閥體焊縫采用P-No.1.2系列材料，厚度超過

11/2in（38mm）時，必須對焊縫進行焊后熱處理。但是球閥通常選用橡膠或四氟塑料作為密封材料，全焊接閥體球閥不能進行焊后熱處理。全焊接閥體管線球閥的薄弱環節在于，由于結構特征導致的焊縫根部應力集中，以及球閥密封材料的限制，全焊接閥體球閥不能進行焊后熱處理，不符合API6D和ASMEVIII的要求，閥體全焊接閥焊接接頭成為球閥的最大安全隱患。

通過對API和ASME標準解讀，可以認為，雖然標準規定厚度大于38mm焊縫必須進行焊后熱處理，但只要設計時應用先進的理論（斷裂力學），更為精確的試驗規范（BS 7448 Part II）和評價標準（API 1104附錄A，DNV-OS-401，BS7910），提出一個全新的工程解決方案，應用于獨特場合（全焊接閥體管線球閥焊接接頭免焊后熱處理），這仍然符合規范和標準的基本精神。

 CTOD試驗

根據BS 7448Part II試驗標準，并參照API 1104及DNV-OS-401相關要求，以CTOD斷裂韌性值來評價全焊接閥體焊接接頭免焊后熱處理的安全性。試樣厚度B=18mm，寬度W=36mm，長度L=4X36+20mm，裂紋長度a≅（0.04~0.55）W。用疲勞試驗機預制裂紋，在美國500kN級MTS試驗機上采用原裝配套的CTOD試驗硬件系統和控制程序進行試驗，采用（0.001μm）高精度數字讀數顯微鏡測定裂紋的擴展量。按標準確認的多試樣法求得臨界開裂的缺口張開位移量δc（或δ 0.05）。

CTOD試驗系統及完成加載試驗后得到焊縫CTOD試樣（圖4、表1）。試驗所獲得的焊縫區有效試樣8個，HAZ有效試樣8個，達到CTOD多試樣法的要求。其中HAZ的啟裂點CTOD值δ c直接測量獲得，臨界CTOD值δ 0.05用多試樣CTOD試驗回歸線與裂紋擴展量0.05mm垂直線的交點確定，突進點的CTOD值δm由試驗直接測量獲得。焊縫的啟裂點CTOD值δc和臨界CTOD值δ 0.05用多試樣CTOD試驗回歸線與裂紋擴展量0.00mm及0.05mm垂直線的交點確定，突進點的CTOD值δm由試驗直接測量獲得。

參照DNV-OS-C401（挪威船級社）標準，CTOD值大于0.15mm為合格。開發工藝接頭的實測δ c皆大于0.15mm，表明接頭可以在不進行熱時效處理的情況下使用。

 不同CTOD值的允許缺陷尺寸與最大許用應變的關系

參照API 1104附錄A，其給出了CTOD值分別為0.005in（0.1225mm）和0.01in（0.245mm）時允許缺陷尺寸與許用應變的關系如圖5所示。從圖中可知，CTOD值越大，焊縫斷裂韌性越好，所允許缺陷尺寸可增大。在圖5中根據全焊接閥體焊接接頭最小CTOD值等于0.197mm（0.0078in）時最大許用軸向應變與允許缺陷尺寸之間的曲線。

20in-600Lb全焊接閥體球閥按額定工作壓強的1.5倍計算，最大主應力為15MPa，通過有限元計算可得最大軸向應變為728με（即0.000728ε），如按API 1104附錄A所給出的最小可接受CTOD=0.005in（0.127mm）考慮，最大缺陷尺寸限為0.3in（7.6mm）。實測CTOD=0.008in（0.196mm），其對應的缺陷允許尺寸為0.45in（11.4mm），按JB 4730-94 I級壓力容器要求執行，允許缺陷尺寸為低于0.15in（3.765mm），因此實際接頭仍具有相當高的安全裕度。

全焊接閥體焊縫無損探傷按JB 4730-94的I級壓力容器要求執行，其要求焊縫缺陷尺寸小于0.15in（3.675mm）。因此，當全焊接閥體焊接接頭滿足CTOD斷裂韌性值大于0.005in（0.127mm），焊縫無損探傷滿足JB4730-94的1級壓力容器要求，即可認定免焊后熱處理工藝是安全可靠的。

全焊接閥結語

（1）焊接接頭根部結構上裝配縫隙存在應力集中，進行CTOD試驗，檢驗接頭的斷裂韌性是必要的。

（2）試驗結果表明焊縫熱影響區的最小CTOD值為0.196mm，大于API 1104附錄A 0.125mm和DNV-OS-C401 0.15mm的要求，焊縫經無損探傷滿足JB 4730-94的1級壓力容器要求，因此可以認定焊接接頭具有足夠的斷裂韌性值，作為免焊后熱處理的依據是充分的。

 

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