止回阀焊缝安全评定研究.pdf

文章编号 1002258552010 0120024203 作者简介刘绍锋1959 - ,男,辽宁营口人,教授级高级工程师,从事阀门设计与技术管理工作。 止回阀焊缝安全评定研究 刘绍锋 1,石桂荣1,邓 斌1,祝 捷2 11沈阳盛世高中压阀门有限公司,辽宁 沈阳110142;21中国人民解放军驻沈阳军事代表局,辽宁 沈阳110142 摘要 分析了复杂载荷条件下止回阀焊缝的应力分布,研究了焊接模拟试件的拉伸性能、 冲击 韧性、 断裂韧性、 疲劳性能、 疲劳裂纹扩展速率和门槛值等性能,采用国际上应用的安全评定体系 BS7910对止回阀环焊缝中存在的未熔合缺陷进行了安全评定。 关键词 止回阀;焊缝;评定;检测 中图分类号TH134 文献标识码A uation research on weld safety for check valve L IU Shao2feng 1 , SH I Gui2rong 1 , D ENG B in 1 , ZHU Jie 2 1. Shenyang Shengshi High and M edium Pressure Valve Co. , L td, Shenyang110142, China; 2. P. L. A M ilitary Representative Bureau resided in Shenyang, Shenyang110142, China AbstractA nalyses w eld stress distribution of check valve under complicated load conditions; studies per ance such as tensile properties, i mpact ductility, fracture toughness, fatigue property, crack fa2 tigue propagation rate and threshold value, etc, for w eld si m ulated specim ens; adopts the safety ua2 tion system BS7910used in the w orld to implem ent safety qualification for the incomplete fusion de2 fects existed in the ring w elds of check valve. Key wordscheck valve; w elding; uation; check 1 概述 焊接安装在核岛一回路管道系统中的某止回阀 为永久部件,运行期间不进行更换和拆卸。止回阀 锻焊结构的焊缝在运行调试前检查发现了未熔合缺 陷。如果进行焊缝缺陷返修,技术难度大,费用高, 因此采用安全评定对缺陷进行评估,若未熔合缺陷 的存在不影响系统的正常运行,则可以不返修,这样 也可避免因设备返修延时造成损失。反之则必须进 行返修,可以防止设备盲目带问题运行。因此,对止 回阀结构焊缝中存在的缺陷进行安全评定具有十分 重要意义。 2 缺陷分析 采用超声波探伤和射线探伤相结合的方法,确 定了止回阀焊缝缺陷中危险性最大的两处缺陷为未 熔合图 1 。一处是长度为100mm的缺陷焊缝 1 ,另一处是长度为60mm的缺陷焊缝2 ,根据其 尺寸和空间位置均可简化为埋藏缺陷图 2 。缺陷 采用 a 缺陷深度的一半、 c 缺陷长度的一半、B 缺陷处结构的厚度、 p 埋藏缺陷距表面的最短距 离和W缺陷所在位置结构的宽度等参数进行表 征。焊缝1缺陷可表征为a 115mm,c 50mm的 埋藏缺陷,焊缝2缺陷可表征为a 115mm,c 30mm的埋藏缺陷。 图1 止回阀 42 阀 门 2010年第1期 a穿透缺陷必需的尺寸 2a、 B b埋藏缺陷必需的尺 寸 2c、p、2a、 B c表面缺陷必需的尺寸 2c、a、 B d焊址缺 陷必需的尺寸 2c、a、 B e孔中缺陷必需的尺寸 c、a、 B 图2 缺陷类型 3 失效模式 止回阀主要承受辐射、 腐蚀、 内压、 冲击和温度 等方面的静动载荷,可能的失效模式包括断裂和塑 性破坏、 疲劳、 蠕变、 蠕变疲劳、 泄漏、 辐射和腐蚀等。 由于评定的缺陷均是埋藏缺陷,不会因泄漏和腐蚀 引起失效。同时由于止回阀所受辐射剂量较小,不 足以引起性能恶化,不会因辐射引起失效。BS 7910 规定了考虑蠕变影响的最低温度,碳锰钢为330℃, 316型不锈钢为485℃,均高于止回阀的工作温度 250℃,可不考虑蠕变和蠕变疲劳引起的失效。因此 评定的失效模式为断裂和塑性破坏以及疲劳,需进 行疲劳、 断裂评定包括水平1的初级评定和水平2 的正常评定。 4 应力 采用有限元法计算了止回阀阀体焊缝在多种载 荷工况条件下的应力分布,并对多种载荷组合下焊 缝的应力分布进行了研究,确定了评定用的一次膜 应力Pm、 一次弯曲应力Pb以及相应的应力幅。 焊接残余应力对断裂评定有较大的影响,评定 时认为残余应力是均匀分布的。水平1评定时从偏 保守的角度选定焊接残余应力为材料的室温屈服极 限σy,水平2评定时按偏保守的原则估算焊接残余 应力为σy的计算值除以安全系数。 5 性能数据的选取 进行断裂和疲劳评定时,需要的性能数据包括 拉伸性能、 冲击韧性、 断裂韧性、 疲劳性能、 疲劳裂纹 扩展速率和门槛值等。采用水平1进行断裂评定 时,不用考虑局部安全系数,性能数据尽量选取偏小 值,存在多个性能数据时一般取最低值,以期得到偏 保守的结果。采用水平2进行断裂评定时,需要考 虑局部安全系数,断裂韧性和屈服强度应除以相应 的安全系数表 1 。 表1 水平2断裂评定时性能数据的选取 性能研究意义试验类型试验结果变异系数安全系数 选取原则 拉伸性能计算流变应力 25℃ 250℃ 011112 250℃ 拉伸数据平均值抗拉强度、 屈服强度除以 安全系数 冲击韧性 室温 计算Km at U形缺口 V形缺口 0105 0103 117V形缺口冲击低值除以安全系数 断裂韧性 计算Km at 得到δ m at J积分室温、250℃ CTOD 室温、250℃ 0104 013 117 10 由250℃JR阻力曲线下限值得到的Kmat除以安全系数 δ m at除以安全系数 疲劳裂纹 扩展速率 疲劳评定 载荷比为015室温、250℃ 载荷比为017室温、250℃ - - - - 实际结构承受的疲劳载荷应力比较大,选择载荷比 为017时的数据 门槛值疲劳评定 室温 250℃ - - - - 选择低值 注鉴于止回阀的工作性质,选择失效率p F110 - 5。 6 疲劳和断裂评定 疲劳评定按照BS7910第8款进行,计算公式 为 da dN AΔ K m ΔK Y Δ σπa YΔ σM fw M mΔPmMbΔPb 上述公式中参数Y、M、fw、Mm、Mb均可以 根据标准附录M的要求确定,ΔPm和 ΔPb为应力 幅,根据计算求出应力强度因子增量 ΔK,再根据 Paris公式得到初始深度和长度分别为a和c的埋 藏缺陷经过设计寿命期后的尺寸aN和cN。结果表 明,焊缝1缺陷经寿命期后疲劳裂纹扩展为aN 116mm,cN5214mm的埋藏缺陷,焊缝2缺陷经 522010年第1期 阀 门 寿命期后疲劳裂纹扩展为aN 116mm,cN 3018mm的埋藏缺陷。将这些数据用于断裂评定。 断裂评定分为水平1的初级评定和水平2的正 常评定。水平1级失效评定图图3由横坐标为 应力比值Sr,纵坐标为应力强度因子比值Kr或裂 纹张开位移比值 δ r, 以及评定曲线所围成矩形区 域组成。当评定点位于矩形区域内,即Kr或 δr 01707,Sr018时,则缺陷为安全或可接受的。若 评定点位于评定曲线上或矩形区域以外,则视为不 安全或不可接受。按照BS7910中712节的要求计 算Sr和Kr或 δr,结果表明无论是采用Cv、Jm at或 CTOD参数计算Kr或 δr,结构都是安全的。 图3 水平1评定的失效评定图 水平2评定建立在较为完善的数据基础上,得 出的结论精确性更高。评定按照BS7910中713节 的要求进行,为双判据。 LrLrm axσYσU / 2σY δ r或 Kr1 - 0114Lr 2 [ 013 017exp - 0165Lr6 ] 式中 σY 012的条件屈服强度, M Pa σu 抗拉强度, M Pa 评定用的缺陷尺寸为经疲劳扩展后的缺陷尺 寸,评定的工况为最危险瞬态工况,性能数据按表 1选取,根据相应的公式计算Lr、Kr或 δr。结果 表明,无论是采用Cv、Jm at或CTOD参数计算Kr 或 δ r , 只要Kr或 δr 019,Lr 1109,结构都 是安全的。 7 结语 通过按照设计工况估算设计寿命期间缺陷的疲 劳扩展状态,确定了焊缝1和焊缝2缺陷扩展后, 仍为埋藏缺陷。按照水平1和水平2的评定程序对 焊缝1和焊缝2缺陷进行断裂评定,结果表明,在 设计工况和设计寿命期间带缺陷止回阀焊缝是安全 的。鉴于止回阀的安全性十分重要,实际工况也存 在不确定性,建议在检修维护的适当时机,对已存 在的焊接缺陷进行无损检测,检查缺陷实际状况。 参考文献 〔1〕 BS7910 - 1999,金属结构中缺陷验收评定方法导则 〔S〕. 收稿日期2009107110 上接第21页 表3 不同精度等级的螺纹副在低温下的轴向间隙mm 精度等级8e9c厂内标准 常温下螺纹副轴向 总间隙 01049872 0108974 0106962 011392 0111652 012330 低温下径向、 轴向 收缩后螺纹副轴向 最小间隙 010696 - 01001542 - 0101275 011234 011165 - 01001542 - 0101275 012172 4 结语 DN40的低温阀用黄铜和不锈钢阀杆梯形螺纹 副,即使在- 196℃ 的最低温度工况下,螺纹间隙 的最大减小量是010158mm,精度等级9c的梯形 螺纹副在低温时的传动间隙比常温下精度等级8e 的传动间隙还要大01026mm,因此可以确认,标 准JB /T9081 - 1999所订的低温阀梯形螺纹公差等 级按梯形螺纹9级是合理的,无必要过分地加大螺 纹副的间隙。 参考文献 〔1〕 JB /T9081 - 1999,空气分离设备用低温截止阀和节流阀技 术条件. 收稿日期2009106103 62 阀 门 2010年第1期