现代先进技术在大型管线球阀国产化中的应用

1 概述
    在2000年前我国的大型全焊接管线球阀全部依赖进口。在消化、吸收和创新的国产化过程中通过运用现代先进设计技术，如反求工程技术、筛选工程技术、有限元数值分析方法、防断裂设计、防腐蚀设计、低扭矩设计以及先进的制造技术和工艺装备，取得了成功。
    2 反求工程技术及其应用

    全焊接阀体管线球阀（图1）的关键技术是阀体焊接，焊接是球阀装配的zui后一道工序，不进行热处理。因此，开发免焊后热处理的焊接工艺研究，反求和借鉴国外管线球阀的焊接工艺与技术是产品国产化工作的捷径。
    2.1 焊接母材反求

    为了增加焊接接头（图2）的韧性储备，焊接母材与阀体材料除了满足ANSIB1634、API6D、ASTMA105和ASTMA350标准的基本要求之外，应高于标准以提高母材的冲击韧性。通过对国外球阀阀体材料的全面分析和力学性能的全面测定，选出适合免焊后热处理的焊接母材。在钢材的冶炼过程中，对其化学成分（C、Mn、P、S等）进行了控制，对材料的力学性能和硬度提出了更为严格的要求，并制订了锻件采购技术文件，作为企业标准。
    2.2 焊接材料反求
    通过对国外球阀焊缝和热影响区材料化学成分的全面分析，测定了硬度值的分布。再对国产焊丝和进口焊丝的化学成分、焊接试样以及焊接试样的残余应力测定做了对比分析，确定了选用进口焊剂和国产焊丝的低匹配原则，降低了焊接残余应力，提高了焊缝的韧性储备。
    2.3 焊接工艺参数反求
    从国外某阀门产品的焊缝尺寸反求其工艺参数。如从焊缝宽度25mm，拱高3mm，表面为尖叶状鱼鳞条纹，凸月面的焊缝内表面形态，反推并估算其焊丝直径、焊接电流、电压和线速度等，并经多次不同参数的模拟和试样比较，优化为低残余应力和低焊接变形的焊接工艺参数。
    2.4 焊接装备反求
    在综合分析国外焊接装备的基础上，制造出低成本的焊机。如采用国外可转动焊枪导电咀的结构设计，改善脱渣性能。防串动和防跳动的滚轮架设计，满足窄间隙焊接坡口的需要。可变径送丝机构的设计，满足不同焊接工艺要求。采用林肯电源，使半自动埋弧焊机可连续不间断运行。
    3 筛选工程技术及其应用
    在消化吸收国外产品技术的同时，通过新的理论、先进技术及技术标准对国外产品某些技术进行筛选。增强技术创新能力，拥有自主的知识产权。通过筛选可提升产品的技术含量，提高产品的质量，这是产品国产化工作中的关键。
    3.1 过渡段材料筛选
    国外有些公司采用ASTMA694中的F56、F60作为阀门与X70、X80管材的焊接过渡段材料，这种材料只适用于高压液体管道（ANSIB314），不适宜作阀门材料和高压气体管道（ANSIB318）的材料。
    在阀门设计标准ANSIB1634中没有这种材料，亦没有这种材料的压力-温度额定值数据。在管道标准ANSIB318中未列入附录A引用标准中，而列入未引用的其他出版物附录C中。分析这种材料，其只经过一次冶炼，化学成分没有严格控制，冲击韧性没有要求。因此它不能和超纯冶炼，针状铁素组织的X70级和X80级钢管相焊接，否则存在异种材料焊接接头的材料组织不连续、化学成分不连续、材料性能不连续和应力奇异。
    ASTMA694中的F56、F60不能作为阀门材料已在美国工程师协会答复中确认。并于2009年3月27日在ASMEB1634的解释中公布。
    3.2 断裂韧性试验与免焊后热处理安全评估
    焊缝要进行热处理这是ASME相关标准，API6D，ASTMA105，ASTMA350标准规定的。产品的实际情况不能进行热处理，国外阀门公司无一对此作出科学的解释和评估。借鉴国内在海底管线，海洋石油平台的重大工程中的做法，采用断裂力学理论，按照BS7448断裂韧性CTOD值的试验方法和API1104附录A和DNV的评定标准作了全厚度140mm的焊接接头的CTOD试验，以及标准试验环的周向残余应力测定，采用失效评定曲线FAD，对试验结果进行免焊后热处理的安全评估。
    3.3 采用颈部焊接结构
    国外某公司的全焊接阀体管线球阀，阀颈与阀体采用螺栓连接，阀体颈处为典型的结构不连续设计，阀体颈部内侧产生应力集中，为工作应力的25~3倍。这一部分材料处在内压和外部执行机构力矩复合载荷的作用下，是结构上的一个隐患，又是外部泄漏的一个密封点。通过有限元分析，证明隐患的存在。因此采用颈部焊接结构（图3），改善了应力状态，消除了泄漏点。

    4 有限元数值分析方法及其应用
    4.1 阀体强度的应力分析

    阀体的常规设计是按照ASMEB1634规则选取zui小壁厚。这种方法不能应用于无颈阀体的结构设计，亦不能分析复杂载荷条件下的阀体应力强度。对于在野外恶劣地质条件和气象条件下运行的长输管线球阀是不适用的，只能用于初步设计。长输管线中的阀门可能存在由于地基沉降或山体滑坡引起的外部弯曲力矩，亦可能存在由于安装、昼夜温差或冬夏温差而引起管道拉力和压力。在既有内压，又有外部载荷的复杂载荷状态，只能通过数值分析方法模拟实际工况条件（图4）。按照ASMEQME-1核电厂能动机械设备鉴定中有关端部加载试验的规定，确定外部载荷的施加方式（即弯矩通过阀杆中心平面，拉力和压力施加于管道中心线），根据ASMEQME-1和ASME核动力装置制造准则，以管道材料屈服时的外部弯曲载荷、外部拉伸载荷和外部压缩载荷作为有限元分析的试加载荷值，这个值也作为复合载荷设计分析的依据。阀体强度有限元分析设计有4个方面。阀体在12倍工作压力下阀体的应力强度。外部弯曲载荷和阀体内压共同作用下的阀体强度分析。外部拉伸载荷和阀体内压共同作用下的阀体强度分析。外部压缩载荷和阀体内压共同作用下的阀体强度分析。
    在外载荷的分析计算和试验中，假设弯曲载荷、拉伸载荷和压缩载荷的施加各自独立，互不相关。