高壓大口徑全焊接閥體管線球閥國(guó)產(chǎn)化歷程
一、歷程
2000年之前，我國(guó)擁有2萬(wàn)km長(zhǎng)輸管線，只占全世界260萬(wàn)km管線的0.8%。全焊接閥體管線球閥無(wú)一例外地采用美國(guó)Cameron公司產(chǎn)品。 2000年之后，在國(guó)家關(guān)于開(kāi)發(fā)西部，使用綠色能源的政策指導(dǎo)下，起動(dòng)西氣東輸一線工程，從新疆輪南至上海，全長(zhǎng)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(gòu)國(guó)外產(chǎn)品，分體式鍛鋼閥體管線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(guó)家發(fā)改委提出《全焊接閥體管線球閥》國(guó)產(chǎn)化計(jì)劃。四川自貢高壓閥門(mén)股份有限公司取得國(guó)家財(cái)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球閥技術(shù)資料、工藝和裝備，2003年試制成功第一臺(tái)全焊接閥體管線球閥。上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司在國(guó)家財(cái)政支助下，聯(lián)合高校，發(fā)揮地區(qū)優(yōu)勢(shì)，自主開(kāi)發(fā)研制全焊接閥體管線球閥，于2005年試制成功筒狀和球狀的閥體全焊接管線球閥，并擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以提供Class600，DN800(NPS32)以下管線球閥，且在澀寧蘭復(fù)線上服役。
2008年西氣東輸二線工程的起動(dòng)，從新疆到上海再到廣州，全長(zhǎng)8800km，選用管線直徑DN1200(NPS48)，輸送壓力12MPa，這樣就需要Class900，DN1200(NPS48)全焊接閥體管線球閥。這種高壓大口徑全焊接管線球閥，2007年在全世界服役的僅13臺(tái)。二線工程的主干線上，40″Class600以上的緊急切斷閥亦全部從國(guó)外進(jìn)口。32″以下在國(guó)內(nèi)采購(gòu)。同時(shí)，在國(guó)家能源局的主持下，2009年4月在沈陽(yáng)召開(kāi)“天然氣長(zhǎng)輸管線關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化”工作會(huì)議，張國(guó)寶主任和中石油廖永遠(yuǎn)副總經(jīng)理參加會(huì)議，指示大口徑高壓全焊接管線球閥國(guó)產(chǎn)化，應(yīng)予立項(xiàng)，這對(duì)降低西氣東輸工程造價(jià)，保證國(guó)家能源供應(yīng)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(tái)國(guó)賓館召開(kāi)天然氣長(zhǎng)輸管道關(guān)鍵設(shè)備國(guó)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(tái)Class600，Class900磅級(jí)，口徑DN1000，DN1200大口徑高壓全焊接閥體管線球閥的技術(shù)開(kāi)發(fā)合同。在6個(gè)月的生產(chǎn)周期內(nèi)完成了試制任務(wù)，并于2011年通過(guò)工業(yè)性運(yùn)行試驗(yàn)，產(chǎn)品已在西氣東輸三線服役。
十年磨一劍，我國(guó)已完成高壓大口徑全焊接閥體管線球閥的國(guó)產(chǎn)化工作，可以為國(guó)內(nèi)外提供壓力等級(jí)從Class150，25001b級(jí)(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球閥。并與2012年4月承接西氣東輸三線Class900，48″全焊接閥體管線球閥32臺(tái)，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球閥
二、創(chuàng)新
和管道工業(yè)一樣，2000年我國(guó)全焊接閥體管線球閥落后于國(guó)外近半個(gè)世紀(jì)。然而，我國(guó)開(kāi)發(fā)這一全焊接產(chǎn)品是在21世紀(jì)，可以充分運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)與現(xiàn)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(yīng)用反求工程，消化吸收國(guó)外各個(gè)閥門(mén)公司之所長(zhǎng)，綜合為我所用;另一方面運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)值分析方法來(lái)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和焊接工藝上的技術(shù)問(wèn)題，運(yùn)用現(xiàn)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(shí)產(chǎn)權(quán)，取得國(guó)際領(lǐng)先地位。
1.閥體強(qiáng)度的應(yīng)力分析
早于2004年，采用ASMEⅧ鍋爐壓力容器第二分冊(cè)分析法，通過(guò)有限元分析，計(jì)算在外載荷與內(nèi)壓復(fù)合作用下閥體的應(yīng)力強(qiáng)度。提出筒式閥體在閥頸處存在應(yīng)力集中，建議采用焊接閥頸結(jié)構(gòu)。這一分析和建議已被國(guó)內(nèi)外主要閥門(mén)公司認(rèn)可和采用。
2.低殘余應(yīng)力焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化
全焊接閥體管線球閥的關(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(duì)焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)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(shù)值分析方法對(duì)焊接過(guò)程溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，采用“固有應(yīng)變法”對(duì)閥體焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制(見(jiàn)圖2)，并與實(shí)際測(cè)定的溫度場(chǎng)，殘余應(yīng)力和變形值相比較，從而優(yōu)化焊接工藝參數(shù)在較低的殘余應(yīng)力水平上，為焊后免熱處理提供條件。
圖2 應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定
3.焊縫免焊后熱處理(PWHT)的安全評(píng)估
根據(jù)API6D與ASME標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)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(guó)外的閥門(mén)公司無(wú)一對(duì)此做出科學(xué)的解析和安全評(píng)估。國(guó)內(nèi)首先應(yīng)用斷裂學(xué)理論，按照英國(guó)BS7448第二部分《斷裂韌性試驗(yàn)》的方法，采用美國(guó)API1104附錄A《管道焊接與相關(guān)設(shè)施》的評(píng)定與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)全焊接閥體焊縫試樣做全厚度斷裂性CTOD試驗(yàn)以及殘余應(yīng)力測(cè)定，根據(jù)結(jié)果做出免焊后熱處理的安全評(píng)估。圖3為在液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，CTOD試驗(yàn)過(guò)程，試驗(yàn)溫度-46℃，二次加載直至試驗(yàn)失穩(wěn)。
圖3 CTOD試驗(yàn)預(yù)制疲勞裂紋試驗(yàn)過(guò)程
4.過(guò)渡段材料的優(yōu)化
運(yùn)用篩選工程，對(duì)國(guó)外閥門(mén)公司采用A694《高壓傳送設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中的F60、F52作為過(guò)渡段材料提出質(zhì)疑。這一標(biāo)準(zhǔn)既不是閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)B16.34的引用標(biāo)準(zhǔn)，又不是管道標(biāo)準(zhǔn)B31.8的引用標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)支持，是選用錯(cuò)誤。這一結(jié)論已被美國(guó)工程師協(xié)會(huì)ASMEB16.34專業(yè)委員會(huì)和美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)ASTMA694專業(yè)委員會(huì)的答復(fù)中被確認(rèn)，從而使我國(guó)長(zhǎng)輸管線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球閥的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程，亦是傳統(tǒng)制造業(yè)改造成現(xiàn)代先進(jìn)閥門(mén)制造業(yè)的過(guò)程，現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)是一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)群體，是指將原材料和其他生產(chǎn)要素，經(jīng)濟(jì)地、合理地轉(zhuǎn)化為高附加值、高技術(shù)產(chǎn)品的一個(gè)基地。擁有現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)代先進(jìn)制造裝備和制造工藝以及系統(tǒng)化的現(xiàn)代化管理技術(shù)。在高壓大口徑全焊接閥體管線球閥的國(guó)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(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，如應(yīng)用反求工程技術(shù)，解決閥體材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能;運(yùn)用篩選工程技術(shù)提出用A350LF6材料替代國(guó)外傳統(tǒng)的A694F60材料作為閥體過(guò)渡段用材;運(yùn)用數(shù)值分析方法，指出傳統(tǒng)閥體設(shè)計(jì)中應(yīng)力集中，采用焊接閥頸優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)用數(shù)值分析方法，精確地預(yù)測(cè)閥體的焊接變形，優(yōu)化焊接殘余應(yīng)力的焊接工藝參數(shù);運(yùn)用彈塑性斷裂力原理論解決焊縫免焊后熱處理的安全評(píng)估和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn);運(yùn)用數(shù)值分析法對(duì)閥體在外載荷和內(nèi)壓復(fù)合作用下的應(yīng)力強(qiáng)調(diào)分析和抗震計(jì)算。
在裝備上，擁有從意大利進(jìn)口的車磨一體化的大型球體數(shù)控車球磨磨球機(jī)(見(jiàn)圖4)，擁有大型數(shù)控立車和大型臥式鏜銑加工中心，以及全國(guó)首臺(tái)3200t液壓試驗(yàn)設(shè)備、自動(dòng)埋弧焊機(jī)(見(jiàn)圖5)、美國(guó)進(jìn)口三坐標(biāo)測(cè)試儀，大扭矩測(cè)試傳感器及火燒試驗(yàn)等現(xiàn)代化先進(jìn)的閥門(mén)制造裝備和試驗(yàn)設(shè)備。
圖4 大型球體數(shù)控車球磨磨球機(jī)
圖5 自動(dòng)埋弧焊機(jī)
上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門(mén)有限公司在國(guó)家發(fā)改委和能源局的直接領(lǐng)導(dǎo)下，取得高壓大口徑全焊接閥體管線球閥批量生產(chǎn)成功，并在通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，上海電氣集團(tuán)將投資擴(kuò)建7000m2大口徑管線球閥的裝配、焊接、試驗(yàn)生產(chǎn)線，添置超大型4500t液壓試驗(yàn)設(shè)備和3.15m大型數(shù)控立車，形成年產(chǎn)40″～60″管線球閥150臺(tái)，36″以下管線球閥1500臺(tái)的能力，建成一個(gè)現(xiàn)代化先進(jìn)的閥門(mén)制造企業(yè)，為我國(guó)管道工業(yè)作出貢獻(xiàn)。
