全焊接閥 焊縫根部應(yīng)力集中

由于全焊接球閥閥體裝配對(duì)準(zhǔn)和定位要求，在焊縫根部存在一條環(huán)形裝配縫隙，這將導(dǎo)致在閥體焊縫根部出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。通過有限元分析計(jì)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(xiàn)較大應(yīng)力集中，其根部Von m isese應(yīng)力達(dá)到275MPa，已超過A105材料的屈服強(qiáng)度sS=250MPa，達(dá)到正常工作應(yīng)力3倍左右。

全焊接閥焊縫殘余應(yīng)力分析

焊接殘余應(yīng)力是由于在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫及其附近區(qū)域溫度急劇升高，不均勻的溫度場產(chǎn)生的不均勻的膨脹，焊接殘余應(yīng)力由此產(chǎn)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(qū)經(jīng)歷反復(fù)多次升溫-冷卻，造成該區(qū)域晶粒組織粗大，構(gòu)成焊接接頭韌性薄弱區(qū)。

根據(jù)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(shù)，可采用熱彈塑性有限元法計(jì)算全焊接閥體的焊接殘余應(yīng)力、焊接殘余軸向應(yīng)力、焊接殘余環(huán)向應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)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(yīng)力達(dá)到407MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過A105材料的屈服強(qiáng)度S=250MPa。最大焊接殘余軸向應(yīng)力及周向應(yīng)力均在閥體厚壁圓筒焊縫中心位置的外表面，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而內(nèi)表面為壓應(yīng)力。最大焊接殘余軸向、周向計(jì)算應(yīng)力可達(dá)到A105材料的抗拉強(qiáng)度b=480MPa。

(a) 有限元模型 (b) 焊接殘余應(yīng)力

全焊接閥閥體有限元模型與焊接殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

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

 焊接殘余應(yīng)力沿不同方向的仿真分布結(jié)果與測試結(jié)果

在工作壓力下，由于焊縫根部的環(huán)形裝配縫隙，將導(dǎo)致焊縫根部產(chǎn)生3倍于工作應(yīng)力的應(yīng)力集中。厚壁焊縫的焊接殘余應(yīng)力已達(dá)到閥體材料抗拉強(qiáng)度，危及閥體結(jié)構(gòu)安全。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求通過焊后熱處理，可細(xì)化焊縫及熱影響區(qū)晶粒，降低焊接殘余應(yīng)力值，提高焊接結(jié)構(gòu)斷裂韌性。但由于全焊接閥體球閥結(jié)構(gòu)的特殊性，全焊接閥體不能進(jìn)行焊后熱處理。需要研究有效的非熱時(shí)效方法∀12#和焊接接頭免焊后熱處理可能性的試驗(yàn)方法與科學(xué)依據(jù)。

 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(shè)計(jì)為44mm，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有不同的要求。

（1）API6D

焊后熱處理根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)要求∀14#所有經(jīng)過補(bǔ)焊的鍛件都必須進(jìn)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(jù)最大截面厚度，其保溫時(shí)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(duì)于P-No.1.2 材料，厚度超過11/2in（38mm）必須進(jìn)行焊后熱處理。根據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的分析，當(dāng)閥體焊縫采用P-No.1.2系列材料，厚度超過

11/2in（38mm）時(shí)，必須對(duì)焊縫進(jìn)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(jìn)行焊后熱處理。全焊接閥體管線球閥的薄弱環(huán)節(jié)在于，由于結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的焊縫根部應(yīng)力集中，以及球閥密封材料的限制，全焊接閥體球閥不能進(jìn)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(duì)API和ASME標(biāo)準(zhǔn)解讀，可以認(rèn)為，雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定厚度大于38mm焊縫必須進(jìn)行焊后熱處理，但只要設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用先進(jìn)的理論（斷裂力學(xué)），更為精確的試驗(yàn)規(guī)范（BS 7448 Part II）和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（API 1104附錄A，DNV-OS-401，BS7910），提出一個(gè)全新的工程解決方案，應(yīng)用于獨(dú)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(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基本精神。

 CTOD試驗(yàn)

根據(jù)BS 7448Part II試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并參照API 1104及DNV-OS-401相關(guān)要求，以CTOD斷裂韌性值來評(píng)價(jià)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(yàn)機(jī)預(yù)制裂紋，在美國500kN級(jí)MTS試驗(yàn)機(jī)上采用原裝配套的CTOD試驗(yàn)硬件系統(tǒng)和控制程序進(jìn)行試驗(yàn)，采用（0.001μm）高精度數(shù)字讀數(shù)顯微鏡測定裂紋的擴(kuò)展量。按標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)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(yàn)系統(tǒng)及完成加載試驗(yàn)后得到焊縫CTOD試樣（圖4、表1）。試驗(yàn)所獲得的焊縫區(qū)有效試樣8個(gè)，HAZ有效試樣8個(gè)，達(dá)到CTOD多試樣法的要求。其中HAZ的啟裂點(diǎn)CTOD值δ c直接測量獲得，臨界CTOD值δ 0.05用多試樣CTOD試驗(yàn)回歸線與裂紋擴(kuò)展量0.05mm垂直線的交點(diǎn)確定，突進(jìn)點(diǎn)的CTOD值δm由試驗(yàn)直接測量獲得。焊縫的啟裂點(diǎn)CTOD值δc和臨界CTOD值δ 0.05用多試樣CTOD試驗(yàn)回歸線與裂紋擴(kuò)展量0.00mm及0.05mm垂直線的交點(diǎn)確定，突進(jìn)點(diǎn)的CTOD值δm由試驗(yàn)直接測量獲得。

參照DNV-OS-C401（挪威船級(jí)社）標(biāo)準(zhǔn)，CTOD值大于0.15mm為合格。開發(fā)工藝接頭的實(shí)測δ c皆大于0.15mm，表明接頭可以在不進(jìn)行熱時(shí)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(yīng)變的關(guān)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(shí)允許缺陷尺寸與許用應(yīng)變的關(guān)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(jù)全焊接閥體焊接接頭最小CTOD值等于0.197mm（0.0078in）時(shí)最大許用軸向應(yīng)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(qiáng)的1.5倍計(jì)算，最大主應(yīng)力為15MPa，通過有限元計(jì)算可得最大軸向應(yīng)變?yōu)?28με（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(shí)測CTOD=0.008in（0.196mm），其對(duì)應(yīng)的缺陷允許尺寸為0.45in（11.4mm），按JB 4730-94 I級(jí)壓力容器要求執(zhí)行，允許缺陷尺寸為低于0.15in（3.765mm），因此實(shí)際接頭仍具有相當(dāng)高的安全裕度。

全焊接閥體焊縫無損探傷按JB 4730-94的I級(jí)壓力容器要求執(zhí)行，其要求焊縫缺陷尺寸小于0.15in（3.675mm）。因此，當(dāng)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(jí)壓力容器要求，即可認(rèn)定免焊后熱處理工藝是安全可靠的。

全焊接閥結(jié)語

（1）焊接接頭根部結(jié)構(gòu)上裝配縫隙存在應(yīng)力集中，進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，檢驗(yàn)接頭的斷裂韌性是必要的。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明焊縫熱影響區(qū)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(jīng)無損探傷滿足JB 4730-94的1級(jí)壓力容器要求，因此可以認(rèn)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(jù)是充分的。

 

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