管线球阀过渡段材料的选择与焊接端的数值分析

分析结果2
袖管与过渡段材料存在应力集中。
图:方案一接头型式应力分布图（单位Pa）
严重应力集中
方案一的接头型式在焊接坡口产生严重的应力 集中，最大应力强度为699MPa,超过过渡段材料
ASTM A350 LF6 Class2的抗拉强度极限690MPa，材
料已遭到破坏。
判定：方案一的接头型式焊接处在内压与外部 拉伸载荷的复合作用强度是不安全的。
0.1 0.1 0.1
0.05 0.05 0.05
0.04 0.04 0.06
(4) 选用的过渡段材料应与袖管材料强度相匹配。
牌 号 LF6 Class1 LF6 Class2 σ b(MPa) 455 - 630 515 - 690 σ s(MPa) ≥ 360 ≥ 415 R0.5：360 - 510 R0.5：415 - 565 R0.5：450 - 570 δ ％ ≥ 22 20 Ψ (％) ≥ 40 40 HB ≤ 197 ≤ 197 AKv (J) 16 20
其具备良好的互焊性。
牌 号 LF6 C ≤ 0.22 Mn Si P ≤ 0.025 S ≤ 0.025 Ni ≤ 0.4 Cr ≤ 0.3 Cu ≤ 0.4 Mo ≤ 0.12 Nb ≤ 0.02 V N Ti ≤ /
1.15 ~1.50
≤1.6 ≤1.6 ≤1.6
0.15~ 0.30
≤0.45 ≤0.45 ≤0.45
标准API 6D-2008 7.7.2条款（焊接端）要求： 除非另有规定，焊接端坡口设计应按下列标准要求：
ASME B31.4-2006；
ASME B31.8-2003；
ASME B16.25-2003
（用于厚壁阀门，最大包络线从30°过渡到45°）；
同时需满足设计标准ASME B16.34-2004对壁厚设
0.04~0. 11
≤0.10 ≤0.15 ≤0.09
0.01~0.0 3
≤0.012 ≤0.012 ≤0.012
L360 L415 L450
0.2 0.21 0.16
0.025 0.025 0.025
0.02 0.02 0.02
0.3 0.3 0.3
0.3 0.3 0.3
0.25 0.25 0.25
那么为什么国外供应商会选择ASTM A694材料？
很多国外供应商“望文生义”。 标准名称：《高压传送设施管法兰、管件、阀门和 零件用锻造碳钢和合金钢材料》 适用范围为：“本规范包括适用于高强度输送管路 中锻制或轧制的管法兰，管件和阀门零件。” 可见ASTM A694材料只适用于普通高压管道用的 法兰、管件和阀门，或者说只适用于普通液压系统 中用的高压锻制或轧制的管法兰管件和阀门，而并 不是专为ASME和API标准所定义的阀门而设计的。
结论：
1. ASTM A694或modify(改良)材料不能用作API 6D
和ASME B16.34所定义阀门的阀体、阀盖或过渡段
材料。
2. ASTM A694材料或modify（改良）材料不是ASME
B31.8标准所引用的标准规范，不能用作管线球阀 过渡段材料。除非按811.222节规定：向ASME专业 委员会提交该材料的有关的化学成分和机械性能等 方面的完整资料，且应在批准后方可使用。
但是
（1）ASME B16.34《法兰，螺纹和焊接端阀门》材 料表中无ASTM A694材料，也无ASTM A694材料的 压力-温度额定值。
（2）ASTM A694材料标准并未被ASME B31.8《输气 和配气管道系统》纳入引用规范附录A，而是归入 于未引用规范附录C。
问题提出
（1）ASTM A694材料是否可用于阀体、阀盖或过渡 段的材料？
图:接头坡口型式（方案一）
图:接头坡口型式（方案二）
采用三维软件建模后，导入有限元软件进行数值 应力分析。 分析时，阀体承受内压15.0Mpa与外部拉伸载荷
的复合作用，使袖管材料API 5L X80的一次薄膜应
力达到屈服极限值552MPa时，其拉伸力为5,145吨。
分析结果1
袖管与过渡段材料存在严重应变不协调。
满足屈服极限的比值＞70%以上的要求。
图:过渡段材料LF6 CLASS1与袖管L360强度适配性
图:过渡段材料LF6 CLASS2与袖管L415或L450强度适配性
(5) 选择的过渡段材料应考虑在低温-46℃工况下 使用。 (6) 过渡段材料、阀体材料及袖管材料之间的焊接 需进行工艺评定。
结论：
按照上述原则选择的过渡段材料，符合标准
API 6D、ASME B16.34和ASME B31.8的要求。
同时对前面提出的问题2：是否有满足标准 ASME B31.8、ASME B16.34和API 6D要求的过渡段 材料？ 回答是肯定的。
（三）焊接端不同接头型式的应力数值分析
必要性
在长输管线的系统中，最薄弱的区域是阀门过渡 段与管道的焊缝处，因： （1）是不同厚度材料的焊接； （2）是异种材料的焊接； （3）美国阿拉斯加输油管线在65,000道焊缝中， 发现3,955道焊缝存在质量问题，612道引起争议， 34道返工。 因此,必须对焊接端接头的材料符合规范化、标 准化、科学的选择后，需对接头型式进行分析研究 和优化设计。
建议：
向国外进口管线球阀时，应要求国外供应商对 选用ASTM A694作为阀体、阀盖或过渡段材料是否 符合标准作出解释，是否已经得到ASME B31.8的批
准？
（二）管线球阀过渡段材料的选择
阀体和袖管材料存在强度差异，需要一段过渡段， 因此过渡段作为阀体的一部份。过渡段材料的选择
原则是：
(1)过渡段材料必需是ASME B16.34所定义的阀门材
体、阀盖或过渡段材料。
捷克MSA（样本）
阀盖:ASTM A694 阀体:ASTM A694 F60 mod（改良） 美国威兰（样本） 阀盖:ASTM A694 F60(冲击测试) 意大利新比隆（样本）阀盖:ASTM A694 德国舒克（资料） 过渡段：ASTM A694 日本TIX（资料） 阀体:ASTM A694
L360
L415 L450
≥ 460
≥ 520 ≥ 535
20
18 18
/
/ /
/
/ /
/
/ /
从上表可看出： σs （LF6 Class1）/σs （L360）=100%；
σs （LF6 Class2）/σs （L415）=100%；
σs （LF6 Class2）/σs （L450）=92%； 根据API 6D，ASME B31.8和技术规格书的规定，
美国工程师协会于09年1月15日给予答复： 编号：09-107
问题归纳为：如果材料不是ASME B16.34-2004，表
1中的材料，但是其化学成分和机械
性能能满足要求，该阀门是否是一个
ASME B16.34标准所定义的阀门？ 答复：否。唯一的例外是ASME锅炉压力容器第Ⅱ卷 第Para5.1所列的材料可能可以使用。
料中的一种，符合压力温度等级的规定，并被ASME
B31.8所兼容。
(2) 选用的过渡段材料需与阀体材料A105或LF2在 ASME B16.34中同属于第一组别材料，同组别材料
具备良好的可焊性。
焊接采用埋弧自动焊，可获得优良的焊接性能，
焊后进行整体热处理消除残余应力。焊缝作100%无
损探伤。
(3) 选用的过渡段材料需与袖管材料化学成分、碳 当量和锰含量应十分接近，同属于低碳合金钢，使
（2）是否有满足标准ASME B31.8、ASME B16.34和 API 6D要求的过渡段材料？
针对问题1
上海SNJ邬佑靖总工向美国工程师协会ASME提问： 1）ASTM A694中的碳钢和低合金钢的材料是否可以 用作ASME B16.34阀门的阀体和阀盖的材料？ 2）如果供需双方同意采用ASTM A694 F52或F60作 为阀体或阀盖的材料，这一阀门是否满足ASME B16.34的要求？
图:袖管与过渡段材料应变不协调
严重应变不协调
产生严重应变不协调的原因
由于高强度的薄壁袖管处于高的应力状态，低强 度厚壁的过渡段处于较低的应力状态，但是两种材 料的弹性模量E基本相同。
按照胡克定律：ε=σ/ E ，应力和应变成正比。
因此，高强度薄壁袖管发生大应变，低强度厚 壁的过渡段发生较小应变，在焊缝处处于不协调状 态，因此，管壁外侧产生应力集中。
“在距焊端2tm处厚度不应小于0.77tm”。
以NPS48 ，Class900焊接端管线球阀为例，对焊 接端不同接头型式进行数值分析。 方案一：接头型式是按照ASME B16.25-2003以最大
角度（30°和45°）快速过渡方式来设计坡口。
方案二：接头型式是按照ASME B31.8-2003以小角度 （14°和5°）缓慢过渡和大圆弧过渡的方式来设计 坡口。
图:方案二接头型式应力分布图（单位Pa）
应力集中减轻
方案二的接头型式在焊接坡口处也产生应力集 中，但较方案一的接头型式得到明显改善，最大应
力强度为619MPa，未超过过渡段材料的抗拉强度。
判定：方案二的接头型式焊接处在内压与外部
拉伸载荷的复合作用强度是安全的。
结论：
焊接端接头可能存在由于袖管应变与过渡段应 变不协调引起应力集中，需对焊接坡口进行优化。 建议坡口设计时采用小角度缓慢过渡的方式并 采用数值分析的方法来减小应力集中，保证焊接接 头处强度。
管线球阀过渡段材料的选择与
焊接端应力的数值分析
目
录
（一）Aபைடு நூலகம்TM A694材料不能作为管线球阀的 阀体、阀盖或过渡段材料
（二）管线球阀过渡段材料的选择 （三）焊接端不同接头型式的应力数值分析
（一）ASTM
A694材料不能作为管线球阀的
阀体、阀盖或过渡段材料
根据对国外供货商管线球阀材料使用的检索发 现，部份阀门公司采用ASTM A694 F52或F60作为阀
上海SNJ邬佑靖总工向美国试验和材料协会ASTM提 问： 问题：ASTM A694中的碳钢和低合金钢的材料,如 F52和F60是否可以用于-46℃的场合？
答复：ASTM A694标准只是高强度输送领域的一部 分，并不适用于低温场合，用于低温场合推荐使用 ASTM A707标准。
中核苏阀张宗列高级工程师发表在09年第6期阀 门杂志中的论文《核电阀门的设计规范的探讨》， 在材料选择中提出： “ASME Ⅲ和RCC-M规范都规定对于承压零部件， 其材料应满足规范要求，只能选择规范中允许的材 料，并规定了允许材料的温度—压力额定值、设计 压力强度值和许用应力，而对于非承压零件的材料 则没有强制要求” 。 管线球阀因其苛刻的工况要求，设计可参照核 电标准。可理解为阀体、阀盖或过渡段材料只能从 ASME B16.34材料表中选取。
计的要求。
图:ASME B31.4-2006焊接坡口设计要求
图:ASME B31.8-2003焊接坡口设计要求（内外错边）
图:ASME B16.25-2003焊接过渡区最大包络线
标准ASME B31.4-2006和ASME B31.8-2003对焊接 端坡口过渡角均要求在14°～ 30°之间。 标准ASME B16.25-2003对焊接端过渡角要求为最 大30°后再过渡到最大45°。 设计标准ASME B16.34 6.1.5条款（a）中要求：