全煤接球阀阀杆颈部煤缝接头形式的适用性分析

引言

全焊接球阀在石油和天然气长输管道上被大量应用,并且往往是作为埋地阀门和管道一起埋于地下使用的。由于长输管道使用寿命的长期性要求,对于全焊接球阀来讲,客户往往会要求阀门的使用寿命不小于30年。那么,全焊接球阀采用怎样的焊接坡口和焊接方法会直接影响阀门长期使用的可靠性。在此,本文仅对全焊接球阀阀杆颈部焊缝接头形式的适用性进行探讨,以期能够帮助提升全焊接球阀的可靠性。

1阀杆颈部焊缝接头的类别

按焊缝所处的位置进行划分,ASsMⅧ第Ⅷ卷的1U-3章节把焊缝分成了A、B、C、D四类。焊缝接头分类图如图1所示。

图2表明了全焊接球阀的阀杆颈部焊缝接头在阀体上的位置。

图2 阀杆颈部焊缝接头位置图

通过图1和图2,我们可以知道阀杆颈部焊缝接头属于D类。研究表明:D类接头的受力条件比A、B、C类接头更为复杂,特别是对于大直径厚壁接管,不合理的D类接头形式往往成为设备失效的起因。

对于全焊接球阀而言,根据不同的压力和口径要求(其结果是阀体的壁厚不同),正确地选择这类焊缝的接头形式尤为重要。

2阀杆颈部焊缝的接头形式

ASMsⅧ第1卷的1U-16章节为我们指明了在设计作为D类焊缝的阀杆颈部焊接坡口时可以采用的接头形式。图3和图4分别给出了在阀杆颈部和阀体间采用两种不同焊缝接头形式(见图中黑色区域所示)的全焊接球阀,图3为采用骑座式全焊透焊缝接头形式的全焊接球阀,图4为采用插入式全焊透焊缝接头形式的全焊接球阀。从图中我们可以很容易地看出,骑座式全焊透焊缝接头是在阀杆颈部接管壁厚方向上的全焊透,插入式全焊透焊缝接头是在阀体壁厚方向上的全焊透。

对于上述两种焊缝接头形式来讲,其焊缝熔合线的形状有着巨大的差别。骑座式焊缝的截面形状是等高分布的,这使得其实现焊接的方法简单易行,即采用"埋弧焊机+变位机"的方式就能完成。而插入式焊缝的截面形状却不是等高分布的,其不同截面存在着高低落差,所以插入式焊缝又称为马鞍焊缝。插入式焊缝的焊接是不能采用"埋弧焊机+变位机"的方式来实现的,须采用特殊的数控焊机来完成。

实现上述两种接头形式的工艺条件如表1所示。

由于插入式全焊透焊缝的实现具有比骑座式全焊透焊缝更为复杂的工艺设备条件要求,导致实现插入式全焊透焊缝所需的成本远远大于骑座式全焊透焊缝所需的成本。

3两种焊缝接头形式的适用性

综上所述,骑座式全焊透焊缝接头是在阀杆颈部接管壁厚方向上的全焊透,而插入式全焊透焊缝接头则是在阀体壁厚方向上的全焊透。而阀体的壁厚是远大于阀杆颈部接管壁厚的,对于同一规格全焊接球阀而言,采用插入式全焊透焊缝接头其焊缝强度远大于骑座式焊缝接头。

研究表明,骑座式全焊透焊缝接头的收缩应力是垂直于阀体厚度方向的,这就有可能导致阀门在长期运行过程中,阀体上的阀杆颈部孔内壁处发生层状撕裂。因此,骑座式全焊透焊的接头形式在厚壁阀体的颈部焊接中存在一定的局限性,它仅适合于中等阀体厚度(30~60mm)的颈部焊接,且阀杆颈部接管的直径范围在32~200mm比较合适。而插入式全焊透焊缝接头的工作更为可靠,使用寿命更长,而且这种接头形式更适合于高温高压工况、低温工况及交变载荷工况等阀门使用条件。

由此,对于上述两种焊缝接头形式,我们可以得出以下结论并作为我们的设计验收准则:

(1)当全焊接球阀的阀体壁厚小于等于60mm时,阀杆颈部焊缝可以采用骑座式全焊透的焊缝接头形式:

(2)当全焊接球阀的阀体壁厚大于60mm时,阀杆颈部焊缝应当采用插入式全焊透的焊缝接头形式。

4结语

就全焊接球阀的设计而言,特别是高压大口径的全焊接球阀,其壁厚是远远大于60mm的,如果仅仅为了节省成本而采用骑座式全焊透的焊缝接头形式,其实是为阀门的在线安全运行埋下了一个不确定因素。