全焊接阀 焊缝根部应力集中

由于全焊接球阀阀体装配对准和定位要求，在焊缝根部存在一条环形装配缝隙，这将导致在阀体焊缝根部出现较大的应力集中。通过有限元分析计算，20in-600Lb球阀阀体，在10MPa工作压力下，可以明显地观察到在焊缝根部出现较大应力集中，其根部Von m isese应力达到275MPa，已超过A105材料的屈服强度sS=250MPa，达到正常工作应力3倍左右。

全焊接阀焊缝残余应力分析

焊接残余应力是由于在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近区域温度急剧升高，不均匀的温度场产生的不均匀的膨胀，焊接残余应力由此产生。而且全焊接阀体焊接接头为典型的厚壁多层焊缝，焊接热影响区经历反复多次升温-冷却，造成该区域晶粒组织粗大，构成焊接接头韧性薄弱区。

根据全焊接阀阀体材料及焊接电流和焊接速度等焊接工艺参数，可采用热弹塑性有限元法计算全焊接阀体的焊接残余应力、焊接残余轴向应力、焊接残余环向应力和焊接残余应力沿焊缝厚度方向上的分布（图2、图3）。从图可知，阀体的最大焊接残余应力达到407MPa，远远超过A105材料的屈服强度S=250MPa。最大焊接残余轴向应力及周向应力均在阀体厚壁圆筒焊缝中心位置的外表面，残余应力为拉应力，而内表面为压应力。最大焊接残余轴向、周向计算应力可达到A105材料的抗拉强度b=480MPa。

(a) 有限元模型 (b) 焊接残余应力

全焊接阀阀体有限元模型与焊接残余应力计算结果

(a)阀体轴向残余应力计算和测量值的比较 (b)阀体周向残余应力计算和测量值的比较 (c)阀体厚度方向的残余应全焊接阀力分布曲线

 焊接残余应力沿不同方向的仿真分布结果与测试结果

在工作压力下，由于焊缝根部的环形装配缝隙，将导致焊缝根部产生3倍于工作应力的应力集中。厚壁焊缝的焊接残余应力已达到阀体材料抗拉强度，危及阀体结构安全。因此，根据标准要求通过焊后热处理，可细化焊缝及热影响区晶粒，降低焊接残余应力值，提高焊接结构断裂韧性。但由于全焊接阀体球阀结构的特殊性，全焊接阀体不能进行焊后热处理。需要研究有效的非热时效方法∀12#和焊接接头免焊后热处理可能性的试验方法与科学依据。

 全焊接阀焊接要求

全焊接阀体材料通常采用ASTMA105，20in-600Lb球阀焊缝厚度设计为44mm，相关标准有不同的要求。

（1）API6D

焊后热处理根据材料标准要求∀14#所有经过补焊的锻件都必须进行焊后热处理，焊后热处理温度在1100℉（593℃）与相变温度之间，根据最大截面厚度，其保温时间为30min/in，或替代以退火、正火和回火处理，或淬火和回火处理。

（2）ASME V III-1

对于P-No.1.2 材料，厚度超过11/2in（38mm）必须进行焊后热处理。根据对标准的分析，当阀体焊缝采用P-No.1.2系列材料，厚度超过

11/2in（38mm）时，必须对焊缝进行焊后热处理。但是球阀通常选用橡胶或四氟塑料作为密封材料，全焊接阀体球阀不能进行焊后热处理。全焊接阀体管线球阀的薄弱环节在于，由于结构特征导致的焊缝根部应力集中，以及球阀密封材料的限制，全焊接阀体球阀不能进行焊后热处理，不符合API6D和ASMEVIII的要求，阀体全焊接阀焊接接头成为球阀的最大安全隐患。

通过对API和ASME标准解读，可以认为，虽然标准规定厚度大于38mm焊缝必须进行焊后热处理，但只要设计时应用先进的理论（断裂力学），更为精确的试验规范（BS 7448 Part II）和评价标准（API 1104附录A，DNV-OS-401，BS7910），提出一个全新的工程解决方案，应用于独特场合（全焊接阀体管线球阀焊接接头免焊后热处理），这仍然符合规范和标准的基本精神。

 CTOD试验

根据BS 7448Part II试验标准，并参照API 1104及DNV-OS-401相关要求，以CTOD断裂韧性值来评价全焊接阀体焊接接头免焊后热处理的安全性。试样厚度B=18mm，宽度W=36mm，长度L=4X36+20mm，裂纹长度a≅（0.04~0.55）W。用疲劳试验机预制裂纹，在美国500kN级MTS试验机上采用原装配套的CTOD试验硬件系统和控制程序进行试验，采用（0.001μm）高精度数字读数显微镜测定裂纹的扩展量。按标准确认的多试样法求得临界开裂的缺口张开位移量δc（或δ 0.05）。

CTOD试验系统及完成加载试验后得到焊缝CTOD试样（图4、表1）。试验所获得的焊缝区有效试样8个，HAZ有效试样8个，达到CTOD多试样法的要求。其中HAZ的启裂点CTOD值δ c直接测量获得，临界CTOD值δ 0.05用多试样CTOD试验回归线与裂纹扩展量0.05mm垂直线的交点确定，突进点的CTOD值δm由试验直接测量获得。焊缝的启裂点CTOD值δc和临界CTOD值δ 0.05用多试样CTOD试验回归线与裂纹扩展量0.00mm及0.05mm垂直线的交点确定，突进点的CTOD值δm由试验直接测量获得。

参照DNV-OS-C401（挪威船级社）标准，CTOD值大于0.15mm为合格。开发工艺接头的实测δ c皆大于0.15mm，表明接头可以在不进行热时效处理的情况下使用。

 不同CTOD值的允许缺陷尺寸与最大许用应变的关系

参照API 1104附录A，其给出了CTOD值分别为0.005in（0.1225mm）和0.01in（0.245mm）时允许缺陷尺寸与许用应变的关系如图5所示。从图中可知，CTOD值越大，焊缝断裂韧性越好，所允许缺陷尺寸可增大。在图5中根据全焊接阀体焊接接头最小CTOD值等于0.197mm（0.0078in）时最大许用轴向应变与允许缺陷尺寸之间的曲线。

20in-600Lb全焊接阀体球阀按额定工作压强的1.5倍计算，最大主应力为15MPa，通过有限元计算可得最大轴向应变为728με（即0.000728ε），如按API 1104附录A所给出的最小可接受CTOD=0.005in（0.127mm）考虑，最大缺陷尺寸限为0.3in（7.6mm）。实测CTOD=0.008in（0.196mm），其对应的缺陷允许尺寸为0.45in（11.4mm），按JB 4730-94 I级压力容器要求执行，允许缺陷尺寸为低于0.15in（3.765mm），因此实际接头仍具有相当高的安全裕度。

全焊接阀体焊缝无损探伤按JB 4730-94的I级压力容器要求执行，其要求焊缝缺陷尺寸小于0.15in（3.675mm）。因此，当全焊接阀体焊接接头满足CTOD断裂韧性值大于0.005in（0.127mm），焊缝无损探伤满足JB4730-94的1级压力容器要求，即可认定免焊后热处理工艺是安全可靠的。

全焊接阀结语

（1）焊接接头根部结构上装配缝隙存在应力集中，进行CTOD试验，检验接头的断裂韧性是必要的。

（2）试验结果表明焊缝热影响区的最小CTOD值为0.196mm，大于API 1104附录A 0.125mm和DNV-OS-C401 0.15mm的要求，焊缝经无损探伤满足JB 4730-94的1级压力容器要求，因此可以认定焊接接头具有足够的断裂韧性值，作为免焊后热处理的依据是充分的。

 

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