一、歷程

　　2000年之前，我國擁有2萬km長輸管線，只占全世界260萬km管線的0.8%。全焊接閥體管線球閥無一例外地采用美國Cameron公司產(chǎn)品。 2000年之后，在國家關(guān)于開發(fā)西部，使用綠色能源的政策指導(dǎo)下，起動西氣東輸一線工程，從新疆輪南至上海，全長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球閥則由上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司供貨。與此同時，國家發(fā)改委提出《全焊接閥體管線球閥》國產(chǎn)化計劃。四川自貢高壓閥門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年試制成功第一臺全焊接閥體管線球閥。上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司在國家財政支助下，聯(lián)合高校，發(fā)揮地區(qū)優(yōu)勢，自主開發(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，從新疆到上海再到廣州，全長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。二線工程的主干線上，40″Class600以上的緊急切斷閥亦全部從國外進口。32″以下在國內(nèi)采購。同時，在國家能源局的主持下，2009年4月在沈陽召開“天然氣長輸管線關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化”工作會議，張國寶主任和中石油廖永遠副總經(jīng)理參加會議，指示大口徑高壓全焊接管線球閥國產(chǎn)化，應(yīng)予立項，這對降低西氣東輸工程造價，保證國家能源供應(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日在北京釣魚臺國賓館召開天然氣長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化啟動及簽約儀式。中石油與上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司簽訂10臺Class600，Class900磅級，口徑DN1000，DN1200大口徑高壓全焊接閥體管線球閥的技術(shù)開發(fā)合同。在6個月的生產(chǎn)周期內(nèi)完成了試制任務(wù)，并于2011年通過工業(yè)性運行試驗，產(chǎn)品已在西氣東輸三線服役。

　　十年磨一劍，我國已完成高壓大口徑全焊接閥體管線球閥的國產(chǎn)化工作，可以為國內(nèi)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球閥。圖1為上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司生產(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，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年我國全焊接閥體管線球閥落后于國外近半個世紀。然而，我國開發(fā)這一全焊接產(chǎn)品是在21世紀，可以充分運用現(xiàn)代化設(shè)計技術(shù)與現(xiàn)代制造技術(shù)，起步晚但起點高。整個開發(fā)過程一方面應(yīng)用反求工程，消化吸收國外各個閥門公司之所長，綜合為我所用;另一方面運用現(xiàn)代數(shù)值分析方法來解決產(chǎn)品設(shè)計和焊接工藝上的技術(shù)問題，運用現(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。因此，在研制開發(fā)過程中，有很多方面擁有自行的知識產(chǎn)權(quán)，取得國際領(lǐng)先地位。

　　1.閥體強度的應(yīng)力分析

　　早于2004年，采用ASMEⅧ鍋爐壓力容器第二分冊分析法，通過有限元分析，計算在外載荷與內(nèi)壓復(fù)合作用下閥體的應(yīng)力強度。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內(nèi)外主要閥門公司認可和采用。

　　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，其難點是焊接最后一道工序不能進行熱處理。因此，對焊接過程的溫度場、應(yīng)力場和焊接變形進行預(yù)測和控制，上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司與上海交通大學(xué)合作，首先用數(shù)值分析方法對焊接過程溫度場，應(yīng)力場進行預(yù)測和控制，采用“固有應(yīng)變法”對閥體焊接變形進行預(yù)測和控制(見圖2)，并與實際測定的溫度場，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)力場的測定

　　3.焊縫免焊后熱處理(PWHT)的安全評估

　　根據(jù)API6D與ASME標準的相關(guān)規(guī)定，大于38mm以上厚度的焊縫必須進行熱處理，而產(chǎn)品中有橡膠彈性體，不能進行熱處理，國外的閥門公司無一對此做出科學(xué)的解析和安全評估。國內(nèi)首先應(yīng)用斷裂學(xué)理論，按照英國BS7448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(shè)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(yīng)力測定，根據(jù)結(jié)果做出免焊后熱處理的安全評估。圖3為在液壓萬能試驗機上，CTOD試驗過程，試驗溫度-46℃，二次加載直至試驗失穩(wěn)。

圖3 CTOD試驗預(yù)制疲勞裂紋試驗過程

　　4.過渡段材料的優(yōu)化

　　運用篩選工程，對國外閥門公司采用A694《高壓傳送設(shè)施法蘭管件、閥門材料和零件用鍛造碳鋼和合金鋼材料》標準中的F60、F52作為過渡段材料提出質(zhì)疑。這一標準既不是閥門標準B16.34的引用標準，又不是管道標準B31.8的引用標準，沒有標準支持，是選用錯誤。這一結(jié)論已被美國工程師協(xié)會ASMEB16.34專業(yè)委員會和美國試驗和材料協(xié)會ASTMA694專業(yè)委員會的答復(fù)中被確認，從而使我國長輸管線工程的安全性得到進一步保證。

三、崛起

　　高壓大口徑全焊接管線球閥的國產(chǎn)化過程，亦是傳統(tǒng)制造業(yè)改造成現(xiàn)代先進閥門制造業(yè)的過程，現(xiàn)代先進制造業(yè)是一個技術(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(zhuǎn)化為高附加值、高技術(shù)產(chǎn)品的一個基地。擁有現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，現(xiàn)代先進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產(chǎn)化過程中，上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司充分運用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，如應(yīng)用反求工程技術(shù)，解決閥體材料的化學(xué)成分和機械性能;運用篩選工程技術(shù)提出用A350LF6材料替代國外傳統(tǒng)的A694F60材料作為閥體過渡段用材;運用數(shù)值分析方法，指出傳統(tǒng)閥體設(shè)計中應(yīng)力集中，采用焊接閥頸優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計;運用數(shù)值分析方法，精確地預(yù)測閥體的焊接變形，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(shù)值分析法對閥體在外載荷和內(nèi)壓復(fù)合作用下的應(yīng)力強調(diào)分析和抗震計算。

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

圖4 大型球體數(shù)控車球磨磨球機

圖5 自動埋弧焊機

　　上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司在國家發(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，并在通過工業(yè)性試驗的基礎(chǔ)上，上海電氣集團將投資擴建7000m2大口徑管線球閥的裝配、焊接、試驗生產(chǎn)線，添置超大型4500t液壓試驗設(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，36″以下管線球閥1500臺的能力，建成一個現(xiàn)代化先進的閥門制造企業(yè)，為我國管道工業(yè)作出貢獻。