全焊接球閥采用免焊后熱處理技術（A－PWHT）設計閥體焊縫必須能承受內外載荷作用而不發生破壞，因此整體焊接閥體研制的關鍵在于大口徑環向焊縫的焊接工藝可行性和承壓焊縫安全評定。研制技術路線為窄間隙焊縫工藝制定→非熱時效方式消除應力→焊縫韌性評定→焊接殘余應力測定→承壓焊縫安全評定→工業化試驗。

整體焊接閥體最大焊縫厚度超過130mm，根據ASMEBPVC和API6D規定，該焊縫必須進行熱處理以消除焊接應力。但整體焊接閥體因內部橡膠及塑料等密封材料的限制，不能進行焊后熱處理，因此必須采用非熱時效的應力消除方式和有效的評定準則保證焊縫的可靠性和安全性。

全焊接球閥焊縫缺陷評定準則

由于焊縫存在缺陷，彈性力學的連續性、均勻性和各向同性的理論已經不適用于焊縫的評定。因此采用斷裂力學理論評定焊縫性能，在缺陷存在的情況下，只要材料有足夠的韌性，焊縫有足夠的止裂性，則仍然能保證材料在工作期間有足夠的強度和塑性而不發生破壞

外載作用下，裂紋尖端材料發生塑性變形，當裂紋尖端張開位移（CTOD）δ大于臨界值δc時，裂紋開始開裂，尖端裂紋安全評定準則為δ≤δc。

當σ≤σy時，

當σ＞σy時，δ=2πaε。

臨界張開位移

臨界裂紋

式中 a———裂紋尺寸，mm

ac———臨界裂紋尺寸，mm

δ———張開位移，mm

δc———臨界張開位移，mm

σ———應力，MPa

σy———屈服應力，MPa

ε———應變

εy———屈服應變

E———彈性模量，MPa

整體焊接閥體焊縫裂紋主要有張開型、滑開型和撕開型3種。張開型裂紋（圖4）在垂直于裂紋面力F作用下，裂紋尖端張開擴張，容易產生低應力斷裂。采用斷裂力學評估裂紋強度時，主要考慮張開型裂紋失效影響。

整體焊接閥體焊縫區未經焊后熱處理，因此存在較大的焊接殘余應力，假設焊接殘余應力超過材料的屈服強度σy，則焊縫區域總應變εt為

εt=εw+εP

當εw=εy，εP=0.63εy時，εt=1.63εy。設計時取εt=2εy，則最大允許裂紋臨界值amax為

amax=0.09（δc/εy）

式中εw———焊接應力產生的應變

εP———設計載荷產生的應變

全焊接球閥焊縫韌性評估

采用BS7448－2標準測定焊縫CTOD值，根據API1104和DNV－OS－C401標準評價焊縫材質韌性。從整體焊接閥體焊縫區全厚度方向截取標準式樣，厚度B，寬度W=36，長度L=4W+20。預制裂紋長度a≈（0.04～0.05）W（圖5、圖6）。從檢測的閥體焊縫和焊縫熱影響區（HAZ）的δc值（表1）分析，焊縫和HAZ的δc值大于標準規定。在不進行熱處理的情況下，根據窄間隙焊接工藝設計的焊縫滿足標準規定，具有足夠的韌性。

全焊接球閥CTOD加載測試

豪克能技術消除焊接殘余應力

豪克能技術是采用頻率達到20kHz以上具有大能量的振動設備，沖擊金屬物體表面，能使焊縫金屬殘余應力獲得釋放，改變焊縫的應力分布。大口徑整體焊接閥體的窄間隙焊縫厚度超過130mm，焊接過程中由于焊縫的熱脹冷縮，在軸向和環向存在較大的焊接應力。由于采用小電流、多道焊工藝，厚度方向受約束較小、熱量易于釋放，應力相對較小。采用豪克能應力消除設備垂直沖擊環向焊縫表面，通過盲孔法測定焊接殘余應力表明，豪克能技術可以消除掉80%以上的焊接殘余應力（表2）。

表2 豪克能處理前后平均應力對比。

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