1 概述
    在2000年前我國(guó)的大型全焊接管線球閥全部依賴進(jìn)口。在消化、吸收和創(chuàng)新的國(guó)產(chǎn)化過程中通過運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，如反求工程技術(shù)、篩選工程技術(shù)、有限元數(shù)值分析方法、防斷裂設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)、低扭矩設(shè)計(jì)以及先進(jìn)的制造技術(shù)和工藝裝備，取得了成功。
    2 反求工程技術(shù)及其應(yīng)用

    全焊接閥體管線球閥（圖1）的關(guān)鍵技術(shù)是閥體焊接，焊接是球閥裝配的zui后一道工序，不進(jìn)行熱處理。因此，開發(fā)免焊后熱處理的焊接工藝研究，反求和借鑒國(guó)外管線球閥的焊接工藝與技術(shù)是產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化工作的捷徑。
    2.1 焊接母材反求

    為了增加焊接接頭（圖2）的韌性儲(chǔ)備，焊接母材與閥體材料除了滿足ANSIB1634、API6D、ASTMA105和ASTMA350標(biāo)準(zhǔn)的基本要求之外，應(yīng)高于標(biāo)準(zhǔn)以提高母材的沖擊韌性。通過對(duì)國(guó)外球閥閥體材料的全面分析和力學(xué)性能的全面測(cè)定，選出適合免焊后熱處理的焊接母材。在鋼材的冶煉過程中，對(duì)其化學(xué)成分（C、Mn、P、S等）進(jìn)行了控制，對(duì)材料的力學(xué)性能和硬度提出了更為嚴(yán)格的要求，并制訂了鍛件采購(gòu)技術(shù)文件，作為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
    2.2 焊接材料反求
    通過對(duì)國(guó)外球閥焊縫和熱影響區(qū)材料化學(xué)成分的全面分析，測(cè)定了硬度值的分布。再對(duì)國(guó)產(chǎn)焊絲和進(jìn)口焊絲的化學(xué)成分、焊接試樣以及焊接試樣的殘余應(yīng)力測(cè)定做了對(duì)比分析，確定了選用進(jìn)口焊劑和國(guó)產(chǎn)焊絲的低匹配原則，降低了焊接殘余應(yīng)力，提高了焊縫的韌性儲(chǔ)備。
    2.3 焊接工藝參數(shù)反求
    從國(guó)外某閥門產(chǎn)品的焊縫尺寸反求其工藝參數(shù)。如從焊縫寬度25mm，拱高3mm，表面為尖葉狀魚鱗條紋，凸月面的焊縫內(nèi)表面形態(tài)，反推并估算其焊絲直徑、焊接電流、電壓和線速度等，并經(jīng)多次不同參數(shù)的模擬和試樣比較，優(yōu)化為低殘余應(yīng)力和低焊接變形的焊接工藝參數(shù)。
    2.4 焊接裝備反求
    在綜合分析國(guó)外焊接裝備的基礎(chǔ)上，制造出低成本的焊機(jī)。如采用國(guó)外可轉(zhuǎn)動(dòng)焊槍導(dǎo)電咀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善脫渣性能。防串動(dòng)和防跳動(dòng)的滾輪架設(shè)計(jì)，滿足窄間隙焊接坡口的需要?？勺儚剿徒z機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足不同焊接工藝要求。采用林肯電源，使半自動(dòng)埋弧焊機(jī)可連續(xù)不間斷運(yùn)行。
    3 篩選工程技術(shù)及其應(yīng)用
    在消化吸收國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)的同時(shí)，通過新的理論、先進(jìn)技術(shù)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品某些技術(shù)進(jìn)行篩選。增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力，擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過篩選可提升產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，這是產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化工作中的關(guān)鍵。
    3.1 過渡段材料篩選
    國(guó)外有些公司采用ASTMA694中的F56、F60作為閥門與X70、X80管材的焊接過渡段材料，這種材料只適用于高壓液體管道（ANSIB314），不適宜作閥門材料和高壓氣體管道（ANSIB318）的材料。
    在閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ANSIB1634中沒有這種材料，亦沒有這種材料的壓力-溫度額定值數(shù)據(jù)。在管道標(biāo)準(zhǔn)ANSIB318中未列入附錄A引用標(biāo)準(zhǔn)中，而列入未引用的其他出版物附錄C中。分析這種材料，其只經(jīng)過一次冶煉，化學(xué)成分沒有嚴(yán)格控制，沖擊韌性沒有要求。因此它不能和超純冶煉，針狀鐵素組織的X70級(jí)和X80級(jí)鋼管相焊接，否則存在異種材料焊接接頭的材料組織不連續(xù)、化學(xué)成分不連續(xù)、材料性能不連續(xù)和應(yīng)力奇異。
    ASTMA694中的F56、F60不能作為閥門材料已在美國(guó)工程師協(xié)會(huì)答復(fù)中確認(rèn)。并于2009年3月27日在ASMEB1634的解釋中公布。
    3.2 斷裂韌性試驗(yàn)與免焊后熱處理安全評(píng)估
    焊縫要進(jìn)行熱處理這是ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，API6D，ASTMA105，ASTMA350標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。產(chǎn)品的實(shí)際情況不能進(jìn)行熱處理，國(guó)外閥門公司無一對(duì)此作出科學(xué)的解釋和評(píng)估。借鑒國(guó)內(nèi)在海底管線，海洋石油平臺(tái)的重大工程中的做法，采用斷裂力學(xué)理論，按照BS7448斷裂韌性CTOD值的試驗(yàn)方法和API1104附錄A和DNV的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)作了全厚度140mm的焊接接頭的CTOD試驗(yàn)，以及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)的周向殘余應(yīng)力測(cè)定，采用失效評(píng)定曲線FAD，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行免焊后熱處理的安全評(píng)估。
    3.3 采用頸部焊接結(jié)構(gòu)
    國(guó)外某公司的全焊接閥體管線球閥，閥頸與閥體采用螺栓連接，閥體頸處為典型的結(jié)構(gòu)不連續(xù)設(shè)計(jì)，閥體頸部?jī)?nèi)側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，為工作應(yīng)力的25~3倍。這一部分材料處在內(nèi)壓和外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩復(fù)合載荷的作用下，是結(jié)構(gòu)上的一個(gè)隱患，又是外部泄漏的一個(gè)密封點(diǎn)。通過有限元分析，證明隱患的存在。因此采用頸部焊接結(jié)構(gòu)（圖3），改善了應(yīng)力狀態(tài)，消除了泄漏點(diǎn)。

    4 有限元數(shù)值分析方法及其應(yīng)用
    4.1 閥體強(qiáng)度的應(yīng)力分析

    閥體的常規(guī)設(shè)計(jì)是按照ASMEB1634規(guī)則選取zui小壁厚。這種方法不能應(yīng)用于無頸閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，亦不能分析復(fù)雜載荷條件下的閥體應(yīng)力強(qiáng)度。對(duì)于在野外惡劣地質(zhì)條件和氣象條件下運(yùn)行的長(zhǎng)輸管線球閥是不適用的，只能用于初步設(shè)計(jì)。長(zhǎng)輸管線中的閥門可能存在由于地基沉降或山體滑坡引起的外部彎曲力矩，亦可能存在由于安裝、晝夜溫差或冬夏溫差而引起管道拉力和壓力。在既有內(nèi)壓，又有外部載荷的復(fù)雜載荷狀態(tài)，只能通過數(shù)值分析方法模擬實(shí)際工況條件（圖4）。按照ASMEQME-1核電廠能動(dòng)機(jī)械設(shè)備鑒定中有關(guān)端部加載試驗(yàn)的規(guī)定，確定外部載荷的施加方式（即彎矩通過閥桿中心平面，拉力和壓力施加于管道中心線），根據(jù)ASMEQME-1和ASME核動(dòng)力裝置制造準(zhǔn)則，以管道材料屈服時(shí)的外部彎曲載荷、外部拉伸載荷和外部壓縮載荷作為有限元分析的試加載荷值，這個(gè)值也作為復(fù)合載荷設(shè)計(jì)分析的依據(jù)。閥體強(qiáng)度有限元分析設(shè)計(jì)有4個(gè)方面。閥體在12倍工作壓力下閥體的應(yīng)力強(qiáng)度。外部彎曲載荷和閥體內(nèi)壓共同作用下的閥體強(qiáng)度分析。外部拉伸載荷和閥體內(nèi)壓共同作用下的閥體強(qiáng)度分析。外部壓縮載荷和閥體內(nèi)壓共同作用下的閥體強(qiáng)度分析。
    在外載荷的分析計(jì)算和試驗(yàn)中，假設(shè)彎曲載荷、拉伸載荷和壓縮載荷的施加各自獨(dú)立，互不相關(guān)。