上海滬工閥門(mén)廠（集團(tuán)）有限公司

一、前言

石油、天然氣輸送管道是一條能源供給線，線上的緊急切斷閥為全焊接閥體管線球閥，要求 30 年以上的無(wú)維護(hù)使用壽命。但服役條件卻十分惡劣：從北極圈到赤道，從高原到海底，從沙漠到荒原；其間穿過(guò)地震帶、沼澤地、凍土層、江河、湖泊和山坡；有架設(shè)的，有直埋地下的；在野外，無(wú)人操作，維護(hù)困難．既承受管道內(nèi)部壓力，又承受外部載荷，如地基沉降、泥石流和地震，管道溫度應(yīng)力以及地下水的電位腐蝕、應(yīng)力腐蝕。

全焊接閥體的焊接接頭一般均設(shè)計(jì)為窄間隙厚壁埋弧焊，例如 Class600，20in 的球閥，焊接壁厚為 44mm，C1ass900，48in 的球閥，焊接壁厚為 140mm。為超大厚度筒狀焊接接頭。厚壁多層焊接過(guò)程是金屬材料多次反復(fù)加熱和冷卻的過(guò)程，導(dǎo)致焊接接頭組織的不均勻性和劣質(zhì)化，產(chǎn)生較高的殘留應(yīng)力，甚至產(chǎn)生焊接缺陷。焊接又是該產(chǎn)品組裝后的最后一道工序，閥腔內(nèi)有非金屬密封材料橡膠和聚四氟乙烯塑料，不能進(jìn)行焊后熱處理。

另外，在閥體焊接接頭設(shè)計(jì)中，為對(duì)準(zhǔn)和定位，在焊縫根部存在一條環(huán)形的裝配隙縫，這一隙縫在內(nèi)部壓力和外部荷載作用下，將產(chǎn)生幾倍干正常工作應(yīng)力的應(yīng)力集中，同樣使工程師們難于處理。

因此，閥體焊接接頭的根部縫隙的應(yīng)力集中，殘留應(yīng)力，組織劣質(zhì)化成為閥體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，為國(guó)內(nèi)外閥門(mén)界關(guān)注，但又未見(jiàn)有任何解決這一問(wèn)題的相關(guān)報(bào)道，成為這個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)邊界完整性的一個(gè)隱患。

據(jù)美國(guó) 20 世紀(jì) 90 年代的統(tǒng)計(jì)，焊接接頭失效而引起經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的 5%。在大量的對(duì)金屬材料焊接結(jié)構(gòu)失效事故中，其分析結(jié)果表明，大部分焊接接頭失效是金屬材料韌性不足造成的。接頭中金屬材料在焊接過(guò)程中快速熔化又快速凝固，受到周邊金屬約束力的作用產(chǎn)生較大的殘留應(yīng)力，而金屬材料又多次反復(fù)經(jīng)歷熔化—凝固的相變過(guò)程，形成粗大的柱狀晶粒，并產(chǎn)生析出、夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷，使材料的初性明顯降低。由干事故的復(fù)雜性，預(yù)言某一結(jié)構(gòu)因某種原因失效是困難的，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度言，大部分焊接結(jié)構(gòu)的破壞是由干材料的韌性不足，由微小的缺陷引發(fā)疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展造成的。

由于焊后金屬材料的不均勻性，劣質(zhì)化和缺陷，材料學(xué)中的三個(gè)基本假設(shè)；連續(xù)性假設(shè)、均勻性假設(shè)和各向同性假設(shè)已不滿足，這就需要應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論。斷裂力學(xué)的任務(wù)就是從構(gòu)件中存在宏觀的微裂紋的事實(shí)出發(fā)，用線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的分析方法來(lái)解決構(gòu)件的裂紋問(wèn)題。即把構(gòu)件中裂紋大小、工作應(yīng)力和材料抵抗裂紋的能力（即裂紋尖端張開(kāi)位移 CTOD 斷裂韌度值）定量地聯(lián)系起來(lái)，對(duì)含有微裂紋的構(gòu)件和組織劣質(zhì)化的接頭，進(jìn)行安全性和壽命試驗(yàn)分析與評(píng)估。

斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，已定義一種“裂紋尖端張開(kāi)位移值”(Crack Tip opening Displacement，CTOD)，它能準(zhǔn)確地評(píng)估焊接接頭的韌性。1991 年，英國(guó)焊接研究所提出標(biāo)準(zhǔn) BS7448 Part1，給出了金屬材料的臨界 CTOD、J 積分和 KIC 的試驗(yàn)方法。1997 年，又提出該標(biāo)誰(shuí)的第二部分 BS7448 Part Ⅱ《確定焊縫金屬材料 K_IC，臨界 CTOD 和 J 積分的方法》，針對(duì)焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻性和存在殘留應(yīng)力等特征，對(duì) BS7448 Part1 進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定，這就是目前國(guó)際上被工程界普遍認(rèn)可的，測(cè)定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

隨后，2000 年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)表 BS7910-1999《金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法導(dǎo)則》，它采用基于斷裂力學(xué)原理的失效評(píng)定圖（FAD）來(lái)進(jìn)行評(píng)定金屬結(jié)構(gòu)中的缺陷。美國(guó)石油學(xué)會(huì)根據(jù) BS7448 Part Ⅱ 的試驗(yàn)方法，在 API 1104《管道焊接與相關(guān)設(shè)施》的標(biāo)誰(shuí)中增加了附錄 A，提出管道焊接接頭 CTOD 值的驗(yàn)收標(biāo)誰(shuí)。挪威船級(jí)社 DNV-OS-401 在工程項(xiàng)目的驗(yàn)收評(píng)估中亦對(duì) CTOD 值提出一個(gè)評(píng)估驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，以便對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊后免熱處理進(jìn)行工程評(píng)估。CTOD 值實(shí)際上是與焊接母材、焊絲、焊劑、焊接工藝、焊接方法、焊縫結(jié)構(gòu)尺寸和厚度等因素有關(guān)，是一個(gè)材料抵抗裂紋能力的綜合參數(shù)和性能指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)已有大量焊接工作者應(yīng)用 CTOD 斷裂韌度試驗(yàn)評(píng)定焊縫安全性。海洋石油工程股份有限公司在海洋石油平臺(tái)建造中，應(yīng)用 CTOD 斷裂韌度試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊縫的低溫?cái)嗔秧g度，試驗(yàn)結(jié)果表明，未經(jīng)焊后熱處理的 EH36 鋼焊條電弧焊、單絲埋弧焊和雙絲埋弧焊的三種焊接工藝焊接接頭和熱影響區(qū)，低溫下絕大部分試樣的斷裂韌度值是合格的，評(píng)價(jià)焊接接頭可以在不進(jìn)行焊后熱處理的情況下使用，縮短海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的制造周期，降低制造成本，整個(gè)試驗(yàn)工作得到美國(guó) Philips 石油公司和 DNV 挪威船級(jí)社的好評(píng)。

天津大學(xué)按照歐洲共同體結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)定方法(SINAP）的要求，應(yīng)用 CTOD 試驗(yàn)方法，對(duì)海底油氣管道安全性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做出肯定結(jié)論。

武漢理工大學(xué)和中國(guó)船級(jí)社通過(guò) CTOD 值，評(píng)定從二種不同的無(wú)熱時(shí)效處理的焊接工藝中確定出最佳焊接工藝。

天津大學(xué)根據(jù) CTOD（裂紋間斷張開(kāi)位移）試驗(yàn)結(jié)果，先后采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的 BS7910 標(biāo)準(zhǔn)和歐共體提出的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法 SINTAP，針對(duì) EH36 管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進(jìn)行評(píng)定。

清華大學(xué)對(duì)常用橋梁鋼 Q370qE 和 Q345qD 鋼進(jìn)行 CTOD 試驗(yàn)，分別計(jì)算材料在脆斷、韌脆破壞和韌性破壞時(shí)的 CTOD 值，作為修訂常規(guī)沖擊韌度標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

清華大學(xué)童莉葛和中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院白世武、劉方能，建立預(yù)測(cè)高強(qiáng)度管線鋼（X70）焊接接頭性能參數(shù)裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供有效手段。

以 Class600，20in 全焊接閥體管線球閥 44mm 厚圓筒狀閥體焊接接頭為例，根據(jù) API 1104 附錄 A 和 DNV-OS-401 的標(biāo)淮和 CTOD 的試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)定該埋弧焊焊接接頭具備可免焊后熱處理的條件是充分的。

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