高壓大口徑全焊接閥體管線(xiàn)球閥國產(chǎn)化歷程

一、歷程

　　2000年之前，我國擁有2萬(wàn)km長(cháng)輸管線(xiàn)，只占全世界260萬(wàn)km管線(xiàn)的0.8%。全焊接閥體管線(xiàn)球閥無(wú)一例外地采用美國Cameron公司產(chǎn)品。 2000年之后，在國家關(guān)于開(kāi)發(fā)西部，使用綠色能源的政策指導下，起動(dòng)西氣東輸一線(xiàn)工程，從新疆輪南至上海，全長(cháng)4200km，管徑42″(1″=25.4mm，下同)，輸送壓力10MPa。其中全焊接閥體緊急切斷閥全部采購國外產(chǎn)品，分體式鍛鋼閥體管線(xiàn)球閥則由上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司供貨。與此同時(shí)，國家發(fā)改委提出《全焊接閥體管線(xiàn)球閥》國產(chǎn)化計劃。四川自貢高壓閥門(mén)股份有限公司取得國家財政支助，從意大利新比隆(NewoPignone)公司引進(jìn)全套全焊接閥體管線(xiàn)球閥技術(shù)資料、工藝和裝備，2003年試制成功第一臺全焊接閥體管線(xiàn)球閥。上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司在國家財政支助下，聯(lián)合高校，發(fā)揮地區優(yōu)勢，自主開(kāi)發(fā)研制全焊接閥體管線(xiàn)球閥，于2005年試制成功筒狀和球狀的閥體全焊接管線(xiàn)球閥，并擁有自主的知識產(chǎn)權，可以提供Class600，DN800(NPS32)以下管線(xiàn)球閥，且在澀寧蘭復線(xiàn)上服役。

　　2008年西氣東輸二線(xiàn)工程的起動(dòng)，從新疆到上海再到廣州，全長(cháng)8800km，選用管線(xiàn)直徑DN1200(NPS48)，輸送壓力12MPa，這樣就需要Class900，DN1200(NPS48)全焊接閥體管線(xiàn)球閥。這種高壓大口徑全焊接管線(xiàn)球閥，2007年在全世界服役的僅13臺。二線(xiàn)工程的主干線(xiàn)上，40″Class600以上的緊急切斷閥亦全部從國外進(jìn)口。32″以下在國內采購。同時(shí)，在國家能源局的主持下，2009年4月在沈陽(yáng)召開(kāi)“天然氣長(cháng)輸管線(xiàn)關(guān)鍵設備國產(chǎn)化”工作會(huì )議，張國寶主任和中石油廖永遠副總經(jīng)理參加會(huì )議，指示大口徑高壓全焊接管線(xiàn)球閥國產(chǎn)化，應予立項，這對降低西氣東輸工程造價(jià)，保證國家能源供應的安全，振興裝備制造業(yè)具有重要意義。并于2009年11月23日在北京釣魚(yú)臺國賓館召開(kāi)天然氣長(cháng)輸管道關(guān)鍵設備國產(chǎn)化啟動(dòng)及簽約儀式。中石油與上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司簽訂10臺Class600，Class900磅級，口徑DN1000，DN1200大口徑高壓全焊接閥體管線(xiàn)球閥的技術(shù)開(kāi)發(fā)合同。在6個(gè)月的生產(chǎn)周期內完成了試制任務(wù)，并于2011年通過(guò)工業(yè)性運行試驗，產(chǎn)品已在西氣東輸三線(xiàn)服役。

　　十年磨一劍，我國已完成高壓大口徑全焊接閥體管線(xiàn)球閥的國產(chǎn)化工作，可以為國內外提供壓力等級從Class150，25001b級(11b=0.45kg)，通徑從2″～60″球狀或筒狀全焊接閥體或分體式閥體的管線(xiàn)球閥。圖1為上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司生產(chǎn)的Class900，48″高壓大口徑全焊接閥體管線(xiàn)球閥。并與2012年4月承接西氣東輸三線(xiàn)Class900，48″全焊接閥體管線(xiàn)球閥32臺，2012年年底完工正式交付使用。

圖1 Class 900.48''高壓大口徑全焊接閥體管線(xiàn)球閥

二、創(chuàng )新

　　和管道工業(yè)一樣，2000年我國全焊接閥體管線(xiàn)球閥落后于國外近半個(gè)世紀。然而，我國開(kāi)發(fā)這一全焊接產(chǎn)品是在21世紀，可以充分運用現代化設計技術(shù)與現代制造技術(shù)，起步晚但起點(diǎn)高。整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程一方面應用反求工程，消化吸收國外各個(gè)閥門(mén)公司之所長(cháng)，綜合為我所用;另一方面運用現代數值分析方法來(lái)解決產(chǎn)品設計和焊接工藝上的技術(shù)問(wèn)題，運用現代斷裂學(xué)理論解決大厚度窄間隙埋弧焊焊縫免焊后熱處理的技術(shù)難點(diǎn)。因此，在研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有很多方面擁有自行的知識產(chǎn)權，取得國際領(lǐng)先地位。

　　1.閥體強度的應力分析

　　早于2004年，采用ASMEⅧ鍋爐壓力容器第二分冊分析法，通過(guò)有限元分析，計算在外載荷與內壓復合作用下閥體的應力強度。提出筒式閥體在閥頸處存在應力集中，建議采用焊接閥頸結構。這一分析和建議已被國內外主要閥門(mén)公司認可和采用。

　　2.低殘余應力焊接工藝參數的優(yōu)化

　　全焊接閥體管線(xiàn)球閥的關(guān)鍵技術(shù)是焊接，其難點(diǎn)是焊接最后一道工序不能進(jìn)行熱處理。因此，對焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)和焊接變形進(jìn)行預測和控制，上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司與上海交通大學(xué)合作，首先用數值分析方法對焊接過(guò)程溫度場(chǎng)，應力場(chǎng)進(jìn)行預測和控制，采用“固有應變法”對閥體焊接變形進(jìn)行預測和控制(見(jiàn)圖2)，并與實(shí)際測定的溫度場(chǎng)，殘余應力和變形值相比較，從而優(yōu)化焊接工藝參數在較低的殘余應力水平上，為焊后免熱處理提供條件。

圖2 應力場(chǎng)的測定

　　3.焊縫免焊后熱處理(PWHT)的安全評估

　　根據API6D與ASME標準的相關(guān)規定，大于38mm以上厚度的焊縫必須進(jìn)行熱處理，而產(chǎn)品中有橡膠彈性體，不能進(jìn)行熱處理，國外的閥門(mén)公司無(wú)一對此做出科學(xué)的解析和安全評估。國內首先應用斷裂學(xué)理論，按照英國B(niǎo)S7448第二部分《斷裂韌性試驗》的方法，采用美國API1104附錄A《管道焊接與相關(guān)設施》的評定與驗收標準，對全焊接閥體焊縫試樣做全厚度斷裂性CTOD試驗以及殘余應力測定，根據結果做出免焊后熱處理的安全評估。圖3為在液壓萬(wàn)能試驗機上，CTOD試驗過(guò)程，試驗溫度-46℃，二次加載直至試驗失穩。

圖3 CTOD試驗預制疲勞裂紋試驗過(guò)程

　　4.過(guò)渡段材料的優(yōu)化

　　運用篩選工程，對國外閥門(mén)公司采用A694《高壓傳送設施法蘭管件、閥門(mén)材料和零件用鍛造碳鋼和合金鋼材料》標準中的F60、F52作為過(guò)渡段材料提出質(zhì)疑。這一標準既不是閥門(mén)標準B16.34的引用標準，又不是管道標準B31.8的引用標準，沒(méi)有標準支持，是選用錯誤。這一結論已被美國工程師協(xié)會(huì )ASMEB16.34專(zhuān)業(yè)委員會(huì )和美國試驗和材料協(xié)會(huì )ASTMA694專(zhuān)業(yè)委員會(huì )的答復中被確認，從而使我國長(cháng)輸管線(xiàn)工程的安全性得到進(jìn)一步保證。

三、崛起

　　高壓大口徑全焊接管線(xiàn)球閥的國產(chǎn)化過(guò)程，亦是傳統制造業(yè)改造成現代先進(jìn)閥門(mén)制造業(yè)的過(guò)程，現代先進(jìn)制造業(yè)是一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟群體，是指將原材料和其他生產(chǎn)要素，經(jīng)濟地、合理地轉化為高附加值、高技術(shù)產(chǎn)品的一個(gè)基地。擁有現代設計技術(shù)，現代先進(jìn)制造裝備和制造工藝以及系統化的現代化管理技術(shù)。在高壓大口徑全焊接閥體管線(xiàn)球閥的國產(chǎn)化過(guò)程中，上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司充分運用現代設計技術(shù)，如應用反求工程技術(shù)，解決閥體材料的化學(xué)成分和機械性能;運用篩選工程技術(shù)提出用A350LF6材料替代國外傳統的A694F60材料作為閥體過(guò)渡段用材;運用數值分析方法，指出傳統閥體設計中應力集中，采用焊接閥頸優(yōu)化閥體結構設計;運用數值分析方法，精確地預測閥體的焊接變形，優(yōu)化焊接殘余應力的焊接工藝參數;運用彈塑性斷裂力原理論解決焊縫免焊后熱處理的安全評估和驗收標準;運用數值分析法對閥體在外載荷和內壓復合作用下的應力強調分析和抗震計算。

　　在裝備上，擁有從意大利進(jìn)口的車(chē)磨一體化的大型球體數控車(chē)球磨磨球機(見(jiàn)圖4)，擁有大型數控立車(chē)和大型臥式鏜銑加工中心，以及全國首臺3200t液壓試驗設備、自動(dòng)埋弧焊機(見(jiàn)圖5)、美國進(jìn)口三坐標測試儀，大扭矩測試傳感器及火燒試驗等現代化先進(jìn)的閥門(mén)制造裝備和試驗設備。

圖4 大型球體數控車(chē)球磨磨球機

圖5 自動(dòng)埋弧焊機

　　上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司在國家發(fā)改委和能源局的直接領(lǐng)導下，取得高壓大口徑全焊接閥體管線(xiàn)球閥批量生產(chǎn)成功，并在通過(guò)工業(yè)性試驗的基礎上，上海電氣集團將投資擴建7000m2大口徑管線(xiàn)球閥的裝配、焊接、試驗生產(chǎn)線(xiàn)，添置超大型4500t液壓試驗設備和3.15m大型數控立車(chē)，形成年產(chǎn)40″～60″管線(xiàn)球閥150臺，36″以下管線(xiàn)球閥1500臺的能力，建成一個(gè)現代化先進(jìn)的閥門(mén)制造企業(yè)，為我國管道工業(yè)作出貢獻。