上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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(注:接上一篇《全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估(前言)》)

二、影响阀体焊缝安全性的因素

1. 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隙缝,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 misese 应力达到 275MPa,已超过 A105 材料的屈服强度,达到正常工作应力 3 倍左右。

2. 焊缝残留应力分析

如前所述,焊接残留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,焊接残留应力由此产生。而月.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。

根据阀体材料及焊接电流、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留应力分布。由计算可知,阀体的最大焊接残留应力达到 407MPa,远远超过 A105 材料的屈服强度。

阀体轴向残留应力计算和测量值的比较(图 1a)
图 1a 阀体轴向残留应力计算和测量值的比较(焊接残留应力沿不同方向的仿真分布结果与测试结果)
阀体周向残留应力计算和测量值的比较(图 1b)
图 1b 阀体周向残留应力计算和测量值的比较(焊接残留应力沿不同方向的仿真分布结果与测试结果)
阀体厚度方向的残留应力分布曲线(图 1c)
图 1c 阀体厚度方向的残留应力分布曲线(焊接残留应力沿不同方向的仿真分布结果与测试结果)

图 1a、图 1b 分别为焊接残余轴向应力,焊接残留环向应力的实测与计算结果。从图可知,最大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,残留应力为拉应力,而内表面为压应力。图 1c 为焊接残留应力沿焊缝厚度方向上的分布。从图 1 同样可知,最大焊接残留轴向、周向计算应力可达到 A105 材料的抗拉强度。

综上所述,在工作压力下,由于焊缝根部的环形装配隙缝,将导致焊缝根部产生 3 倍于工作应力的应力集中;厚壁焊缝的焊接残留应力已达到阀体材料抗拉强度,危及阀体结构安全。因此,根据标谁要求通过焊后热处理,可细化焊缝及热影响区晶粒,降低焊接残留应力值,提高焊接结构断裂韧度。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。

因此,需要研究有效的非热时效方法和焊接接头免焊后热处理可能性的试验方法与科学依据。

(全文未完,请看下一篇《全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估(CTOD 试验和结论)》)


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