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现代先进技术在大型管线球阀国产化中的应用
时间:2012-11-20 10:22:56 阅读次数:513
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,焊接是球阀装配的最后一道工序,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,制造出低成本的专用焊机。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规则选取最小壁厚。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。
  4.2 固有应变法计算焊接变形
    焊接变形是由焊接过程中工件局部受热不均匀、多次加热和冷却而产生的热应变。准确地预测这种变形,以保证球阀装配时尺寸链的精度不被破坏,防止阀门泄漏或启闭失灵。
    通常计算焊接变形采用热-力耦合计算,即先计算温度场,再耦合到应力和应变的计算。为保证足够精度,计算的步长小,单元多,普通计算机不能完成。采用"固有应变法"计算焊接变形,这样就可以通过一次弹性有限元分析求得整个构件的焊接变形,减轻了计算机的计算量。其理论基于焊接变形是由于焊缝及其附近热影响区热膨胀受到周围温度较低的金属约束产生压缩变形,冷却后焊缝及其热影响区存在这种残余应变,应变的大小最终决定工件变形的大小。计算结果证明,这种方法预测的焊接变形能准确到机加工精度。
    4.3 阀体焊接温度场的分析与测试
    由于全焊接阀体球阀在离开焊缝一定距离上置有橡胶密封圈,为防止橡胶密封圈因受热而损坏,对焊缝的温度给予控制,因此,需要通过有限元分析对焊接温度进行预测,并对试验结果进行拟合,以此合理选择和规范焊接工艺参数,控制线能量的输入。
    4.4 焊接残余应力的数值分析
    焊接过程是一不均匀的温度场,产生的内应力可以达到材料的屈服极限,使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的状态后,又会产生新的内应力。这种内应力残存在构件中,称为残余应力。这一应力可能超过强度极限,使焊缝根部和表面产生裂缝。预测和控制残余应力可以通过有限元数值模拟,籍此求得低残余应力的焊接工艺,改善阀体主焊缝的应力状态。
    4.5 阀门抗震计算
    带有接长杆的电动或气液联动管线球阀存在地震条件下压力边界破坏的危险,有限元数值分析方法可以模拟地震环境,分析阀体、接长杆、执行机构及其连接螺栓的强度,并对结构完整性作出安全评估(图5)。 

    4.6 焊接端尺寸优化
    过渡段焊接端与管道焊接,存在高强度X80级管材与低强度阀门焊接端材料的匹配。除了材料冶炼、化学成分和机械性能的匹配之外,尚存在焊接端结构尺寸的优化,BS5351与ASMEB1625给出过渡区的最大包络线,其焊接端斜坡为14~30。经有限元分析显示,大倾角(30)存在大的变形不协调,小倾角可降低由于变形不协调引起的应力集中,改善焊接端的应力状态。
    5 防断裂设计与安全评估
    管线球阀阀体主焊缝的焊接厚度为140mm,是一个超大厚度筒状焊接接头。厚壁多层焊接过程是金属材料多次加热和冷却过程,导致焊接接头组织的不均匀性和材料劣质化,产生较高的残余应力,甚至是焊接缺陷。在焊缝根部有一条产品组装时定位用隙缝,这条装配隙缝在焊接结构上被视为环向的初始裂缝。这就需要从设计、材料、制造和检验等方面有防断裂措施。
    (1)阀门设计时应考虑阀体在正常和非正常工况下的应力分布,及焊接接头处环向隙缝的应力集中与安全性评估。还应注意焊接端坡口的强度设计和应变设计。
    (2)选择材料时应考虑材料与焊接接头低温冲击韧性与断裂韧性的试验与控制,热处理条件,焊接工艺优化与焊接工艺评定。
    (3)制造过程中应建立完善的检查、制造和工艺规范,控制残余应力与焊接变形。
    (4)焊缝采取无损检验和表面着色检查,缺陷和裂纹尺寸进行安全评定。
    6 防腐蚀设计
    用于天然气输送的管线球阀介质中含有硫化物。按照NACEMR0175-2003用于油田硫化环境中耐硫化应力裂纹和应力腐蚀裂缝的金属材料的规定,选用的钢材显微组织建议采用铁素体和均匀球状碳化物的索氏体,其开裂敏感性低,钢材的硬度小于22HRC。金属材料的焊接接头按照NACETM0177-2005H2S环境中抗特殊型式的环境开裂材料的试验方法的规定,进行耐硫化氢腐蚀和抗氢致开裂试验。其试验结果按照NACETM0284-2003管道压力容器抗氢致开裂钢性能评价试验方法进行评定。
    阀体内部与介质接触的密封表面,为保证长期可靠的密封性能表面进行化学镀镍,镀层厚度为75m。
    7 低扭矩设计
    长输管线中的大部分紧急切断阀工作状态是处于开启位置,对阀门的要求除了密封之外,更重要的是阀门启闭的可靠性,而低扭矩是保证紧急切断阀可靠性的条件之一。采用三角形橡胶密封件,能降低阀座的初始密封力及其扭矩。采用以不锈钢为基体PTFE塑料轴承,其具有自润滑功能和更低的摩擦系数。球体的轴颈和球面在数控磨球机上加工,使车磨一体化,一次装夹,保持同轴度002mm,并把球体圆度控制在002mm之内。球面的镜面抛光设备,能降低摩擦系数。
    对于一只NPS40,压力600磅级的管线球阀,按传统的设计计算,其计算扭矩为93kNm,采用低扭矩设计之后,经实测其扭矩为49~53kNm,提高了紧急切断阀使用中的可靠性和安全裕度。
    8 先进的加工工艺和加工设备
    按照现代的管线球阀制造理念,球阀的工作性能是先进加工设备制造出来的,不是仅靠装配过程中调整出来的。采用数控磨球机、立式和卧式加工中心加工零部件(图6),零件互换性和一次装配合格率可以达到100%。先进的加工工艺和加工设备保证了阀门的品质。