全焊接球阀阀体焊接工艺的分析

1 概述 全焊接球阀采用球体固定和阀座浮动的结构，
靠弹簧力或介质作用力推动阀座与球体紧密接触， 产生低压密封或高压密封效果，具有零泄漏、强度 高、质量轻、结构紧凑、操作力矩低和使用寿命长 等特点。改变阀座结构，可实现双截断泄放和双隔 离泄放等功能。全焊接球阀广泛用于石油和天然气 长输管线、城市埋地管网及大型石油化工装置上。 2 结构 2. 1 中阀体允差
Pc≤1. 5SE
P1max
=
2Ap AT
Pc －
RXS teff
（ 6）
P2max
=S
（
t RXS
）
（ 7）
式中
L R ———中阀体端面至接管外径的距离，m m R e ———中阀体有效承压半径，m m Re = 0. 5D t———中阀体开孔处的厚度，mm
R n ———接管内半径，m m W ———补强板宽度，m m
多，焊缝成形差。焊接速度较大时，熔化金属量不 足，容易产生咬边。实际焊接时，为了提高生产率， 在增加焊接速度的同时必须加大电弧功率，才能保 证焊缝质量。焊接速度一般为 200 ～ 300mm / min。
（ 4） 焊丝直径 焊接电流、电弧电压和焊接速度一定时，熔深 与焊丝直径成反比关系，但这种反比关系随电流密 度的增加而减弱。焊丝材料选 H08M nA （ 碳钢） 、 H10M oCrA （ 合 金 钢 ） ， 焊 丝 直 径 一 般 取 1. 2 ～ 2. 0mm。 （ 5） 焊剂 焊剂在焊接过程中起隔离空气、保护焊缝金属 不受空气侵害和参与熔池金属冶金反应的作用。当 焊丝确定后，配套用的焊剂直接影响焊缝金属的力 学性能 （ 特别是塑性及低温韧性） 、抗裂性能、焊 接缺陷发生率及焊接生产率等。焊剂应具有良好的 冶金性能和工艺性能，焊剂常选用 HT431。 4 预防焊接变形 全焊接球阀在焊接过程中会产生中阀体和左右 体阀座配合位置的尺寸变形。因此焊接过程中应采 取预防措施。 （ 1） 焊接时采用能量高的热源。 （ 2） 选择合理的工艺参数、坡口形式和低能 量输入。 （ 3） 限 制 和 缩 小 焊 接 受 热 面 积，强 制 冷 却 （ 水冷或铜垫板） 焊接件。 （ 4） 选用细焊丝，低速度，控制每层间隔温 度在 50 ～ 80℃ 。 （ 5） 安排合理的装配和焊接顺序。 5 结论 全焊接球阀应严格控制阀体材料的化学成分， 选用合理的焊丝、焊剂及工艺参数，采用窄间隙坡 口多道多层焊接，适时控制焊接过程中的层间温 度，满足焊接加工的要求。
Abstract： Introduced the fully w elded ball valve manufacturing and w elding technology，w ith emphasis on structural type of w elding，process methods，design features and calculation process． Key words： full w elded ball valve； w elding specification； design and calculation． tif； Structure
根据工况条件，可采用双倍运动阀座、双级密 封阀座和注脂密封阀座。
双倍运动阀座 （ 图 2） 是进口压力产生的密封 力，使阀座压紧球体，密封圈产生弹塑性变形实现 密封。当中腔压力大于出口压力时，使阀座压紧球 体，密封圈产生弹塑性变形实现密封。它在使用 时，一旦上游密封意外失效产生泄漏，下游阀座实 现密封。
对带补强板的接管
L R1 min = ［槡Re t，W］
L R2 min = ［槡（ Re + t） （ t + te ） ］
（ 1）
L R3 = 2Rn
（ 2）
L RP min = ［L R1 ，L R2 ，L R3］
靠近开孔接管处的有效总面积 AT 为
A T = A1 + fn A2 + A41 + A42 + fr A3
2. 5 材料 阀体采用碳素钢或低合金钢，如 ASTM A105、
A694、A350 和 A516 等。 当 材 料 碳 含 量 超 过 0. 35% 时，则此材料不得采用焊接制作，包括附件 的焊接。在任何情况下，接管材料的屈服强度不应 低于中阀体材料在 设 计 温 度 下 屈 服 强 度 的 80% 。 如果使用了较低屈服强度的材料，则由此件材料所 提供的面积应按接管材料屈服强度对中阀体材料屈 服强度的反比增加。如果接管材料或焊缝金属的屈 服强度高于中阀体材料的屈服强度，则补强要求不 能降低。 2. 6 阀座
（ 3）
中阀体平均局部一次薄膜应力 σa 和总体一次
薄膜应力 σc 为
σa
=
fN
+ fS + AT
fY
（ 4）
σc
=
PRXS teff
（ 5）
在接管相交处的最大局部一次薄膜应力 Pc max 、
许用应力 Pc、接 管 的 最 大 许 用 工 作 压 力 P1max 和
P2max 为
Pc max = ［ （ 2σa － σc ） ，σc］
全焊接球阀 （ 图 1） 的主要部件采用锻造加 工。中阀体允差在任何截面处最大和最小内径之差 应不超过所测量横截面处公称直径的 1% ，直径可 以在内侧或外侧测量。当横截面通过开孔时，则内 径允差可允许增加开孔内径的 2% 。 2. 2 焊缝应力
钢制压力容器采用的焊缝许用应力见表 1。 2. 3 焊接接头
teff ———用于计算靠近接管开孔 处 压 力 应 力
的有效厚度，mm
R nc ———在中阀体中沿接管开孔长弦的半径， mm
P———公称压力，M Pa
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门
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S———在设计温度时的许用应力，M Pa E———焊缝系数 D ———中阀体内径，m m 3. 4 焊缝要求 焊缝和热 影 响 区 表 面 不 得 有 裂 纹、 气 孔、 夹 渣、未溶合、未焊透、弧坑和焊瘤等缺陷。焊缝上 的溶渣和两侧的飞溅必须清除干净。对接焊缝区应 平滑过渡，无突变。角接焊缝区应圆滑过渡到母 材。焊脚高度应符合设计图样要求，当图样无规定 时，取焊件 中 较 薄 件 厚 度。当 补 强 圈 厚 度 ≤8mm 时，其焊脚高等于补强圈厚度。当补强圈厚度 ＞ 8mm 时，其焊脚高等于补强圈厚度的 70% ，且不 小于 8mm。 使用标准抗拉强度下限值 σb ＞ 540M Pa 钢材制 造的容器、Cr － Mo 低合金钢材制造的容器、不锈 钢制造的容器、焊缝系数取 1 的容器和低温压力容 器，其焊缝表面不得有咬边，其他容器焊缝表面的 咬边深度不得大于 0. 5mm，咬边连续长度不得大 于 100mm，焊缝两侧咬边总长不得超过该焊缝长 度的 10% 。 筒节施焊后，应检查焊缝棱角边，其值不得大 于 （ σs /10 + 2mm） ，且不大于 5mm，同时检查筒 节的椭圆度 e，其应不大于设计内径 Di 的 1% ，否 则应校圆。 3. 5 工艺参数 （ 1） 焊接电流 焊机采用全自动埋弧球阀电焊机，当其他条件 不变时，熔深与焊接电流变化成正比。电流小，熔 深浅，余高和宽度不足。电流过大，熔深大，余高 过大，易 产 生 高 温 裂 纹。焊 接 电 流 一 般 为 240 ～ 255 A 。 （ 2） 电弧电压 电弧电压与电弧长度成正比。在相同的电弧电 压和焊接电流时，如果选用的焊剂不同，电弧空间 电场强度不同，则电弧长度不同。当其他条件不变 时，电弧电压低，熔深大，焊缝宽度窄，易产生热 裂纹。电弧电压高时，焊缝宽度增加，余高不够。 埋弧焊的电弧电压是依据焊接电流调整的，即一定 焊接电流要保持一定的弧长才可能保证焊接电弧的 稳定燃烧，所以电弧电压一般为 30 ～ 33V。 （ 3） 焊接速度 焊接速度对熔深和熔宽都有影响，通常情况熔 深和熔宽与焊接速度成反比。焊接速度对焊缝断面 形状也有影 响，一 般 焊 接速度过小，熔化金属量
te ———补强板厚度，m m
A1 ———由中阀体提供的面积，mm2
A1 = t LR
A2 ———接管提供的面积，mm2
A2 = tn LH
A3 ———补强板提供的面积，mm2
A3 = W te
A41 ———外部焊缝提供的面积，mm2
A41 = 0. 5 L41 2
A42 ———补强板与中阀体焊缝提供的面积，mm2
A42 = 0. 5 L42 2
fn ———接管材料系数
fn
=
Sn S
Sn———设计温度时接管的许用应力，M Pa
fr ———补强板材料系数
fr =
Sp S
Sp———设计温度时补强板的许用应力，M Pa
fN ———外伸接管由内压所引起的力，N
fN = PRxn （ L H － t）
fS ———在中阀体由内压所引起的力，N
单面焊环 向无垫块
100% 探伤 局部探伤
［σ］ 0. 85［σ］
0. 9［σ］ 0. 8［σ］
无法探伤
0. 6［σ］
许用剪应力［τ'］= 0. 65［σ］
材料 碳素钢、低合金钢
高合金钢
［σ］
σb /3. 0
σs /1. 6
σb /3. 0
σs /1. 5
表 2 焊接接头系数 E
类型
检测要求
双面焊全焊透对接接头
— 16 — 文章编号： 1002-5855 （ 2011） 06- 0016- 04
阀
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全焊接球阀阀体焊接工艺的分析
张清明1 ，张 磊2 （ 1. 开维喜阀门集团有限公司 淅江 温州 325105； 2. 浙江隆成阀门有限公司 淅江 温州 325105）
摘要 介绍了全焊接球阀的制造和焊接技术，重点论述了其阀体焊接的结构型式、工艺方
100%
局部
单面焊全焊透对接接头
100%
局部
系数 1. 00 0. 85 0. 90 0. 80
双级密封式阀座 （ 图 3） 是对承受较大密封力 的橡胶密封阀座，采用橡胶和塑料组合密封结构， 橡胶主要起密封作用，塑料起支承和辅助密封双重 作用。
图 3 双级密封式阀座
注脂密封式阀座 （ 图 4） 是为了增加密封性 能，减小阀座的摩擦和磨损，延长使用寿命，并防 止球阀在使用过程中，因阀座损坏或火灾而造成事 故，可在阀座上增设一组注脂孔。注脂密封仅起辅 助密封作用或作为临时应急措施。
图 4 注脂密封式阀座
3 焊接 3. 1 焊接规范
焊接时，坡口应保持平整，不得有裂纹、分层 及夹渣等缺陷。焊接后，对焊缝外观质量进行自 检。按规定进行焊缝标识和填写焊接记录，并按有 关标准进行无损探伤检测。 3. 2 焊接方法
中阀体 与 接 管 接 头 可 采 用 整 体 全 熔 透 焊 缝 （ 图 5） 和安放式全焊透焊缝 （ 图 6） 。中阀体与左 右体接头焊接时，左右体应有变形槽，其深度适量 （ 图 7） 。中阀体穿透孔应用补强圈补强 （ 图 8） 。
法、设计要点和计算过程。
关键词 全焊接球阀； 焊接规范； 设计与计算； 结构型式
中图分类号： TH134
文献标识码： A
Analysis of welding technology on full welded ball valve
ZHANG Qing-ming1 ，ZHANG Lei2
（ 1. CKVC Valve Group，Wenzhou 325105，China； 2. Zhejiang longcheng Valve Group Wenzhou 325105，China）
两焊接接头必须有定位圆基准。焊接接头系数 E 见表 2。 2. 4 中阀体开孔
中阀体接管应是圆形的，其内径与壁厚之比不
超过 400。当设计压力≤PN 25 及两相邻开孔中心 的间距大于两孔直径之和的两倍，并且接管公称外 径≤89mm 时，阀体开孔可不采用补强结构。
图 1 全焊接锻钢球阀
补强结构分为整体补强和补强圈补强 2 种。整 体补强是增加中阀体的厚度或用全焊透的结构形式 将厚壁接管或整体补强锻件与中阀体相焊。补强圈 补强是补强件与接管和中阀体的焊接。
锻件机加工或热处理之前机加工至基本完成产 品的外廓之后应按照 A275 进行磁粉检测或按 E165 进行液体渗透检测。
作者简介： 张清明 （ 1959 － ） ，高级工程师，从事阀门产品研究和设计等工作。
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表 1 焊缝许用应力
无损检测
双面焊 全焊透
单面焊 全焊透
图 5 整体全熔透焊缝
图 2 双倍运动阀座
图 6 安放式全焊透焊缝
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2011 年第 6 期
（ a） 单边 V 形焊缝 （ b） 双边 V 形焊缝 （ c） 角焊缝 （ d） Y 形焊缝
图 7 焊接连接方式
图 8 中阀体穿透孔处厚度补强
3. 3 补强圈计算 对整体补强接管
L RZ min = ［槡Re t，2Rn］
fS = PRxs （ L R + tn ）
fY ———由内压所引起的不连接力，N
fY = PRxs Rnc
R xn ———用于力计算的接管半径，m m
( ) Rxn = ln
tn Rn + te
Rn
R xs ———用于力计算的中阀体半径，m m
( ) Rxs = ln
teff Re + teff
Re