全焊接球阀采用免焊后热处理技术（A－PWHT）设计阀体焊缝必须能承受内外载荷作用而不发生破坏，因此整体焊接阀体研制的关键在于大口径环向焊缝的焊接工艺可行性和承压焊缝安全评定。研制技术路线为窄间隙焊缝工艺制定→非热时效方式消除应力→焊缝韧性评定→焊接残余应力测定→承压焊缝安全评定→工业化试验。

整体焊接阀体最大焊缝厚度超过130mm，根据ASMEBPVC和API6D规定，该焊缝必须进行热处理以消除焊接应力。但整体焊接阀体因内部橡胶及塑料等密封材料的限制，不能进行焊后热处理，因此必须采用非热时效的应力消除方式和有效的评定准则保证焊缝的可靠性和安全性。

全焊接球阀焊缝缺陷评定准则

由于焊缝存在缺陷，弹性力学的连续性、均匀性和各向同性的理论已经不适用于焊缝的评定。因此采用断裂力学理论评定焊缝性能，在缺陷存在的情况下，只要材料有足够的韧性，焊缝有足够的止裂性，则仍然能保证材料在工作期间有足够的强度和塑性而不发生破坏

外载作用下，裂纹尖端材料发生塑性变形，当裂纹尖端张开位移（CTOD）δ大于临界值δc时，裂纹开始开裂，尖端裂纹安全评定准则为δ≤δc。

当σ≤σy时，

当σ＞σy时，δ=2πaε。

临界张开位移

临界裂纹

式中 a———裂纹尺寸，mm

ac———临界裂纹尺寸，mm

δ———张开位移，mm

δc———临界张开位移，mm

σ———应力，MPa

σy———屈服应力，MPa

ε———应变

εy———屈服应变

E———弹性模量，MPa

整体焊接阀体焊缝裂纹主要有张开型、滑开型和撕开型3种。张开型裂纹（图4）在垂直于裂纹面力F作用下，裂纹尖端张开扩张，容易产生低应力断裂。采用断裂力学评估裂纹强度时，主要考虑张开型裂纹失效影响。

整体焊接阀体焊缝区未经焊后热处理，因此存在较大的焊接残余应力，假设焊接残余应力超过材料的屈服强度σy，则焊缝区域总应变εt为

εt=εw+εP

当εw=εy，εP=0.63εy时，εt=1.63εy。设计时取εt=2εy，则最大允许裂纹临界值amax为

amax=0.09（δc/εy）

式中εw———焊接应力产生的应变

εP———设计载荷产生的应变

全焊接球阀焊缝韧性评估

采用BS7448－2标准测定焊缝CTOD值，根据API1104和DNV－OS－C401标准评价焊缝材质韧性。从整体焊接阀体焊缝区全厚度方向截取标准式样，厚度B，宽度W=36，长度L=4W+20。预制裂纹长度a≈（0.04～0.05）W（图5、图6）。从检测的阀体焊缝和焊缝热影响区（HAZ）的δc值（表1）分析，焊缝和HAZ的δc值大于标准规定。在不进行热处理的情况下，根据窄间隙焊接工艺设计的焊缝满足标准规定，具有足够的韧性。

全焊接球阀CTOD加载测试

豪克能技术消除焊接残余应力

豪克能技术是采用频率达到20kHz以上具有大能量的振动设备，冲击金属物体表面，能使焊缝金属残余应力获得释放，改变焊缝的应力分布。大口径整体焊接阀体的窄间隙焊缝厚度超过130mm，焊接过程中由于焊缝的热胀冷缩，在轴向和环向存在较大的焊接应力。由于采用小电流、多道焊工艺，厚度方向受约束较小、热量易于释放，应力相对较小。采用豪克能应力消除设备垂直冲击环向焊缝表面，通过盲孔法测定焊接残余应力表明，豪克能技术可以消除掉80%以上的焊接残余应力（表2）。

表2 豪克能处理前后平均应力对比。

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