開維喜-管線球閥過渡段材料的選擇與焊接端的數(shù)值分析課件

管線球閥過渡段材料的選擇與焊接端應(yīng)力的數(shù)值分析目錄（一）ASTMA694材料不能作為管線球閥的閥體、閥蓋或過渡段材料（二）管線球閥過渡段材料的選擇（三）焊接端不同接頭型式的應(yīng)力數(shù)值分析（一）ASTMA694材料不能作為管線球閥的閥體、閥蓋或過渡段材料根據(jù)對國外供貨商管線球閥材料使用的檢索發(fā)現(xiàn)，部份閥門公司采用ASTMA694F52或F60作為閥體、閥蓋或過渡段材料。捷克MSA（樣本）閥蓋:ASTMA694美國威蘭（樣本）閥體:ASTMA694F60mod（改良）閥蓋:ASTMA694F60(沖擊測試)意大利新比?。颖荆╅y蓋:ASTMA694德國舒克（資料）過渡段：ASTMA694日本TIX（資料）閥體:ASTMA694但是（1）ASMEB16.34《法蘭，螺紋和焊接端閥門》材料表中無ASTMA694材料，也無ASTMA694材料的壓力-溫度額定值。（2）ASTMA694材料標(biāo)準(zhǔn)并未被ASMEB31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》納入引用規(guī)范附錄A，而是歸入于未引用規(guī)范附錄C。問題提出（1）ASTMA694材料是否可用于閥體、閥蓋或過渡段的材料？（2）是否有滿足標(biāo)準(zhǔn)ASMEB31.8、ASMEB16.34和API6D要求的過渡段材料？針對問題1上海SNJ鄔佑靖總工向美國工程師協(xié)會ASME提問：1）ASTMA694中的碳鋼和低合金鋼的材料是否可以用作ASMEB16.34閥門的閥體和閥蓋的材料？2）如果供需雙方同意采用ASTMA694F52或F60作為閥體或閥蓋的材料，這一閥門是否滿足ASMEB16.34的要求？美國工程師協(xié)會于09年1月15日給予答復(fù)：編號：09-107問題歸納為：如果材料不是ASMEB16.34-2004，表1中的材料，但是其化學(xué)成分和機(jī)械性能能滿足要求，該閥門是否是一個ASMEB16.34標(biāo)準(zhǔn)所定義的閥門？答復(fù)：否。唯一的例外是ASME鍋爐壓力容器第Ⅱ卷第Para5.1所列的材料可能可以使用。上海SNJ鄔佑靖總工向美國試驗和材料協(xié)會ASTM提問：問題：ASTMA694中的碳鋼和低合金鋼的材料,如F52和F60是否可以用于-46℃的場合？答復(fù)：ASTMA694標(biāo)準(zhǔn)只是高強(qiáng)度輸送領(lǐng)域的一部分，并不適用于低溫場合，用于低溫場合推薦使用ASTMA707標(biāo)準(zhǔn)。中核蘇閥張宗列高級工程師發(fā)表在09年第6期閥門雜志中的論文《核電閥門的設(shè)計規(guī)范的探討》，在材料選擇中提出：“ASMEⅢ和RCC-M規(guī)范都規(guī)定對于承壓零部件，其材料應(yīng)滿足規(guī)范要求，只能選擇規(guī)范中允許的材料，并規(guī)定了允許材料的溫度—壓力額定值、設(shè)計壓力強(qiáng)度值和許用應(yīng)力，而對于非承壓零件的材料則沒有強(qiáng)制要求”。管線球閥因其苛刻的工況要求，設(shè)計可參照核電標(biāo)準(zhǔn)?？衫斫鉃殚y體、閥蓋或過渡段材料只能從ASMEB16.34材料表中選取。結(jié)論：1.ASTMA694或modify(改良)材料不能用作API6D和ASMEB16.34所定義閥門的閥體、閥蓋或過渡段材料。2.ASTMA694材料或modify（改良）材料不是ASMEB31.8標(biāo)準(zhǔn)所引用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不能用作管線球閥過渡段材料。除非按811.222節(jié)規(guī)定：向ASME專業(yè)委員會提交該材料的有關(guān)的化學(xué)成分和機(jī)械性能等方面的完整資料，且應(yīng)在批準(zhǔn)后方可使用。那么為什么國外供應(yīng)商會選擇ASTMA694材料？很多國外供應(yīng)商“望文生義”。標(biāo)準(zhǔn)名稱：《高壓傳送設(shè)施管法蘭、管件、閥門和零件用鍛造碳鋼和合金鋼材料》適用范圍為：“本規(guī)范包括適用于高強(qiáng)度輸送管路中鍛制或軋制的管法蘭，管件和閥門零件?！笨梢夾STMA694材料只適用于普通高壓管道用的法蘭、管件和閥門，或者說只適用于普通液壓系統(tǒng)中用的高壓鍛制或軋制的管法蘭管件和閥門，而并不是專為ASME和API標(biāo)準(zhǔn)所定義的閥門而設(shè)計的。建議：向國外進(jìn)口管線球閥時，應(yīng)要求國外供應(yīng)商對選用ASTMA694作為閥體、閥蓋或過渡段材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)作出解釋，是否已經(jīng)得到ASMEB31.8的批準(zhǔn)？（二）管線球閥過渡段材料的選擇閥體和袖管材料存在強(qiáng)度差異，需要一段過渡段，因此過渡段作為閥體的一部份。過渡段材料的選擇原則是：(1)過渡段材料必需是ASMEB16.34所定義的閥門材料中的一種，符合壓力溫度等級的規(guī)定，并被ASMEB31.8所兼容。

(2)選用的過渡段材料需與閥體材料A105或LF2在ASMEB16.34中同屬于第一組別材料，同組別材料具備良好的可焊性。焊接采用埋弧自動焊，可獲得優(yōu)良的焊接性能，焊后進(jìn)行整體熱處理消除殘余應(yīng)力。焊縫作100%無損探傷。(3)選用的過渡段材料需與袖管材料化學(xué)成分、碳當(dāng)量和錳含量應(yīng)十分接近，同屬于低碳合金鋼，使其具備良好的互焊性。牌號C≤MnSiP≤S≤Ni≤Cr≤Cu≤Mo≤Nb≤VNTi≤LF60.221.15~1.500.15~0.300.0250.0250.40.30.40.120.020.04~0.110.01~0.03/L3600.2≤1.6≤0.450.0250.020.30.30.250.10.05≤0.10≤0.0120.04L4150.21≤1.6≤0.450.0250.020.30.30.250.10.05≤0.15≤0.0120.04L4500.16≤1.6≤0.450.0250.020.30.30.250.10.05≤0.09≤0.0120.06(4)選用的過渡段材料應(yīng)與袖管材料強(qiáng)度相匹配。牌號σb(MPa)σs(MPa)δ％≥Ψ(％)≥HBAKv(J)LF6Class1455-630≥3602240≤19716LF6Class2515-690≥4152040≤19720L360≥460R0.5：360-51020///L415≥520R0.5：415-56518///L450≥535R0.5：450-57018///從上表可看出：σs（LF6Class1）/σs（L360）=100%；σs（LF6Class2）/σs（L415）=100%；σs（LF6Class2）/σs（L450）=92%；根據(jù)API6D，ASMEB31.8和技術(shù)規(guī)格書的規(guī)定，滿足屈服極限的比值＞70%以上的要求。圖:過渡段材料LF6CLASS1與袖管L360強(qiáng)度適配性圖:過渡段材料LF6CLASS2與袖管L415或L450強(qiáng)度適配性(5)選擇的過渡段材料應(yīng)考慮在低溫-46℃工況下使用。(6)過渡段材料、閥體材料及袖管材料之間的焊接需進(jìn)行工藝評定。結(jié)論：按照上述原則選擇的過渡段材料，符合標(biāo)準(zhǔn)API6D、ASMEB16.34和ASMEB31.8的要求。同時對前面提出的問題2：是否有滿足標(biāo)準(zhǔn)ASMEB31.8、ASMEB16.34和API6D要求的過渡段材料？回答是肯定的。（三）焊接端不同接頭型式的應(yīng)力數(shù)值分析必要性在長輸管線的系統(tǒng)中，最薄弱的區(qū)域是閥門過渡段與管道的焊縫處，因：（1）是不同厚度材料的焊接；（2）是異種材料的焊接；（3）美國阿拉斯加輸油管線在65,000道焊縫中，發(fā)現(xiàn)3,955道焊縫存在質(zhì)量問題，612道引起爭議，34道返工。因此,必須對焊接端接頭的材料符合規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)的選擇后，需對接頭型式進(jìn)行分析研究和優(yōu)化設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)API6D-20087.7.2條款（焊接端）要求：除非另有規(guī)定，焊接端坡口設(shè)計應(yīng)按下列標(biāo)準(zhǔn)要求：ASMEB31.4-2006；ASMEB31.8-2003；ASMEB16.25-2003（用于厚壁閥門，最大包絡(luò)線從30°過渡到45°）；同時需滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ASMEB16.34-2004對壁厚設(shè)計的要求。圖:ASMEB31.4-2006焊接坡口設(shè)計要求圖:ASMEB31.8-2003焊接坡口設(shè)計要求（內(nèi)外錯邊）圖:ASMEB16.25-2003焊接過渡區(qū)最大包絡(luò)線標(biāo)準(zhǔn)ASMEB31.4-2006和ASMEB31.8-2003對焊接端坡口過渡角均要求在14°～30°之間。

標(biāo)準(zhǔn)ASMEB16.25-2003對焊接端過渡角要求為最大30°后再過渡到最大45°。

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ASMEB16.346.1.5條款（a）中要求：“在距焊端2tm處厚度不應(yīng)小于0.77tm”。以NPS48，Class900焊接端管線球閥為例，對焊接端不同接頭型式進(jìn)行數(shù)值分析。方案一：接頭型式是按照ASMEB16.25-2003以最大角度（30°和45°）快速過渡方式來設(shè)計坡口。方案二：接頭型式是按照ASMEB31.8-2003以小角度（14°和5°）緩慢過渡和大圓弧過渡的方式來設(shè)計坡口。圖:接頭坡口型式（方案一）圖:接頭坡口型式（方案二）采用三維軟件建模后，導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行數(shù)值應(yīng)力分析。分析時，閥體承受內(nèi)壓15.0Mpa與外部拉伸載荷的復(fù)合作用，使袖管材料API5LX80的一次薄膜應(yīng)力達(dá)到屈服極限值552MPa時，其拉伸力為5,145噸。分析結(jié)果1袖管與過渡段材料存在嚴(yán)重應(yīng)變不協(xié)調(diào)。

嚴(yán)重應(yīng)變不協(xié)調(diào)圖:袖管與過渡段材料應(yīng)變不協(xié)調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)變不協(xié)調(diào)的原因由于高強(qiáng)度的薄壁袖管處于高的應(yīng)力狀態(tài)，低強(qiáng)度厚壁的過渡段處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，但是兩種材料的彈性模量E基本相同。按照虎克定律：ε=σ/E，應(yīng)力和應(yīng)變成正比。因此，高強(qiáng)度薄壁袖管發(fā)生大應(yīng)變，低強(qiáng)度厚壁的過渡段發(fā)生較小應(yīng)變，在焊縫處處于不協(xié)調(diào)狀態(tài)，因此，管壁外側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中。分析結(jié)果2袖管與過渡段材料存在應(yīng)力集中。

圖:方案一接頭型式應(yīng)力分布圖（單位Pa）嚴(yán)重應(yīng)力集中方案一的接頭型式在焊接坡口產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力強(qiáng)度為699MPa,超過過渡段材料ASTMA350LF6Class2的抗拉強(qiáng)度極限690MPa，材料已遭到破壞。

判定：方案一的接頭型式焊接處在內(nèi)壓與外部拉伸載荷的復(fù)合作用強(qiáng)度是不安全的。

圖:方案二接頭型式應(yīng)力分布圖（單位Pa）