上海滬工閥門(mén)廠（集團(tuán)）有限公司

（注：接上一篇《全焊接閥體管線(xiàn)球閥焊接接頭安全評(píng)估（前言）》）

二、影響閥體焊縫安全性的因素

1. 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)形裝配隙縫，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(guò)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 misese 應(yīng)力達(dá)到 275MPa，已超過(guò) A105 材料的屈服強(qiáng)度，達(dá)到正常工作應(yīng)力 3 倍左右。

2. 焊縫殘留應(yīng)力分析

如前所述，焊接殘留應(yīng)力是由于在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫及其附近區(qū)域溫度急劇升高，不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生的不均勻的膨脹，焊接殘留應(yīng)力由此產(chǎn)生。而月．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)閥體材料及焊接電流、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留應(yīng)力分布。由計(jì)算可知，閥體的最大焊接殘留應(yīng)力達(dá)到 407MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) A105 材料的屈服強(qiáng)度。

圖 1a 閥體軸向殘留應(yīng)力計(jì)算和測(cè)量值的比較（焊接殘留應(yīng)力沿不同方向的仿真分布結(jié)果與測(cè)試結(jié)果）

圖 1b 閥體周向殘留應(yīng)力計(jì)算和測(cè)量值的比較（焊接殘留應(yīng)力沿不同方向的仿真分布結(jié)果與測(cè)試結(jié)果）

圖 1c 閥體厚度方向的殘留應(yīng)力分布曲線(xiàn)（焊接殘留應(yīng)力沿不同方向的仿真分布結(jié)果與測(cè)試結(jié)果）

圖 1a、圖 1b 分別為焊接殘余軸向應(yīng)力，焊接殘留環(huán)向應(yīng)力的實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果。從圖可知，最大軸向應(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，殘留應(yīng)力為拉應(yīng)力，而內(nèi)表面為壓應(yīng)力。圖 1c 為焊接殘留應(yīng)力沿焊縫厚度方向上的分布。從圖 1 同樣可知，最大焊接殘留軸向、周向計(jì)算應(yīng)力可達(dá)到 A105 材料的抗拉強(qiáng)度。

綜上所述，在工作壓力下，由于焊縫根部的環(huán)形裝配隙縫，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；厚壁焊縫的焊接殘留應(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)誰(shuí)要求通過(guò)焊后熱處理，可細(xì)化焊縫及熱影響區(qū)晶粒，降低焊接殘留應(yīng)力值，提高焊接結(jié)構(gòu)斷裂韌度。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。

因此，需要研究有效的非熱時(shí)效方法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)。

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