1 概述
    在2000年前我國的大型全焊接管線球閥全部依賴進口。在消化、吸收和創(chuàng)新的國產(chǎn)化過程中通過運用現(xiàn)代先進設計技術(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、防斷裂設計、防腐蝕設計、低扭矩設計以及先進的制造技術(shù)和工藝裝備，取得了成功。
    2 反求工程技術(shù)及其應用

    全焊接閥體管線球閥（圖1）的關鍵技術(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，反求和借鑒國外管線球閥的焊接工藝與技術(shù)是產(chǎn)品國產(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）的韌性儲備，焊接母材與閥體材料除了滿足ANSIB1634、API6D、ASTMA105和ASTMA350標準的基本要求之外，應高于標準以提高母材的沖擊韌性。通過對國外球閥閥體材料的全面分析和力學性能的全面測定，選出適合免焊后熱處理的焊接母材。在鋼材的冶煉過程中，對其化學成分（C、Mn、P、S等）進行了控制，對材料的力學性能和硬度提出了更為嚴格的要求，并制訂了鍛件采購技術(shù)文件，作為企業(yè)標準。
    2.2 焊接材料反求
    通過對國外球閥焊縫和熱影響區(qū)材料化學成分的全面分析，測定了硬度值的分布。再對國產(chǎn)焊絲和進口焊絲的化學成分、焊接試樣以及焊接試樣的殘余應力測定做了對比分析，確定了選用進口焊劑和國產(chǎn)焊絲的低匹配原則，降低了焊接殘余應力，提高了焊縫的韌性儲備。
    2.3 焊接工藝參數(shù)反求
    從國外某閥門產(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
    在綜合分析國外焊接裝備的基礎上，制造出低成本的焊機。如采用國外可轉(zhuǎn)動焊槍導電咀的結(jié)構(gòu)設計，改善脫渣性能。防串動和防跳動的滾輪架設計，滿足窄間隙焊接坡口的需要?？勺儚剿徒z機構(gòu)的設計，滿足不同焊接工藝要求。采用林肯電源，使半自動埋弧焊機可連續(xù)不間斷運行。
    3 篩選工程技術(shù)及其應用
    在消化吸收國外產(chǎn)品技術(shù)的同時，通過新的理論、先進技術(shù)及技術(shù)標準對國外產(chǎn)品某些技術(shù)進行篩選。增強技術(shù)創(chuàng)新能力，擁有自主的知識產(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)品國產(chǎn)化工作中的關鍵。
    3.1 過渡段材料篩選
    國外有些公司采用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。
    在閥門設計標準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)。在管道標準ANSIB318中未列入附錄A引用標準中，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，化學成分沒有嚴格控制，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級和X80級鋼管相焊接，否則存在異種材料焊接接頭的材料組織不連續(xù)、化學成分不連續(xù)、材料性能不連續(xù)和應力奇異。
    ASTMA694中的F56、F60不能作為閥門材料已在美國工程師協(xié)會答復中確認。并于2009年3月27日在ASMEB1634的解釋中公布。
    3.2 斷裂韌性試驗與免焊后熱處理安全評估
    焊縫要進行熱處理這是ASME相關標準，API6D，ASTMA105，ASTMA350標準規(guī)定的。產(chǎn)品的實際情況不能進行熱處理，國外閥門公司無一對此作出科學的解釋和評估。借鑒國內(nèi)在海底管線，海洋石油平臺的重大工程中的做法，采用斷裂力學理論，按照BS7448斷裂韌性CTOD值的試驗方法和API1104附錄A和DNV的評定標準作了全厚度140mm的焊接接頭的CTOD試驗，以及標準試驗環(huán)的周向殘余應力測定，采用失效評定曲線FAD，對試驗結(jié)果進行免焊后熱處理的安全評估。
    3.3 采用頸部焊接結(jié)構(gòu)
    國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)設計，閥體頸部內(nèi)側(cè)產(chǎn)生應力集中，為工作應力的25~3倍。這一部分材料處在內(nèi)壓和外部執(zhí)行機構(gòu)力矩復合載荷的作用下，是結(jié)構(gòu)上的一個隱患，又是外部泄漏的一個密封點。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），改善了應力狀態(tài)，消除了泄漏點。

    4 有限元數(shù)值分析方法及其應用
    4.1 閥體強度的應力分析

    閥體的常規(guī)設計是按照ASMEB1634規(guī)則選取zui小壁厚。這種方法不能應用于無頸閥體的結(jié)構(gòu)設計，亦不能分析復雜載荷條件下的閥體應力強度。對于在野外惡劣地質(zhì)條件和氣象條件下運行的長輸管線球閥是不適用的，只能用于初步設計。長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，又有外部載荷的復雜載荷狀態(tài)，只能通過數(shù)值分析方法模擬實際工況條件（圖4）。按照ASMEQME-1核電廠能動機械設備鑒定中有關端部加載試驗的規(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核動力裝置制造準則，以管道材料屈服時的外部彎曲載荷、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，這個值也作為復合載荷設計分析的依據(jù)。閥體強度有限元分析設計有4個方面。閥體在12倍工作壓力下閥體的應力強度。外部彎曲載荷和閥體內(nèi)壓共同作用下的閥體強度分析。外部拉伸載荷和閥體內(nèi)壓共同作用下的閥體強度分析。外部壓縮載荷和閥體內(nèi)壓共同作用下的閥體強度分析。
    在外載荷的分析計算和試驗中，假設彎曲載荷、拉伸載荷和壓縮載荷的施加各自獨立，互不相關。