全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估(前言)

摘要：介绍了一种评价全焊接阀体管线球阀焊接接头安全性的方法，根据焊接接头断裂韧度 CTOD 试验值，对埋弧焊焊接接头免焊后热处理的可能性进行安全评定。为大型全焊接阀体管线球阀制造提供科学依据。

一、前言

石油、天然气输送管道是一条能源供给线，线上的紧急切断阀为全焊接阀体管线球阀，要求 30 年以上的无维护使用寿命。但服役条件却十分恶劣：从北极圈到赤道，从高原到海底，从沙漠到荒原；其间穿过地震带、沼泽地、冻土层、江河、湖泊和山坡；有架设的，有直埋地下的；在野外，无人操作，维护困难．既承受管道内部压力，又承受外部载荷，如地基沉降、泥石流和地震，管道温度应力以及地下水的电位腐蚀、应力腐蚀。

全焊接阀体的焊接接头一般均设计为窄间隙厚壁埋弧焊，例如 Class600，20in 的球阀，焊接壁厚为 44mm，C1ass900，48in 的球阀，焊接壁厚为 140mm。为超大厚度筒状焊接接头。厚壁多层焊接过程是金属材料多次反复加热和冷却的过程，导致焊接接头组织的不均匀性和劣质化，产生较高的残留应力，甚至产生焊接缺陷。焊接又是该产品组装后的最后一道工序，阀腔内有非金属密封材料橡胶和聚四氟乙烯塑料，不能进行焊后热处理。

另外，在阀体焊接接头设计中，为对准和定位，在焊缝根部存在一条环形的装配隙缝，这一隙缝在内部压力和外部荷载作用下，将产生几倍干正常工作应力的应力集中，同样使工程师们难于处理。

因此，阀体焊接接头的根部缝隙的应力集中，残留应力，组织劣质化成为阀体结构中的薄弱环节，为国内外阀门界关注，但又未见有任何解决这一问题的相关报道，成为这个产品结构边界完整性的一个隐患。

据美国 20 世纪 90 年代的统计，焊接接头失效而引起经济损失达到国民经济的 5%。在大量的对金属材料焊接结构失效事故中，其分析结果表明，大部分焊接接头失效是金属材料韧性不足造成的。接头中金属材料在焊接过程中快速熔化又快速凝固，受到周边金属约束力的作用产生较大的残留应力，而金属材料又多次反复经历熔化—凝固的相变过程，形成粗大的柱状晶粒，并产生析出、夹杂、气孔和微裂纹等缺陷，使材料的初性明显降低。由干事故的复杂性，预言某一结构因某种原因失效是困难的，但从统计学角度言，大部分焊接结构的破坏是由干材料的韧性不足，由微小的缺陷引发疲劳裂纹，并不断扩展造成的。

由于焊后金属材料的不均匀性，劣质化和缺陷，材料学中的三个基本假设；连续性假设、均匀性假设和各向同性假设已不满足，这就需要应用断裂力学的理论。断裂力学的任务就是从构件中存在宏观的微裂纹的事实出发，用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学的分析方法来解决构件的裂纹问题。即把构件中裂纹大小、工作应力和材料抵抗裂纹的能力(即裂纹尖端张开位移 CTOD 断裂韧度值)定量地联系起来，对含有微裂纹的构件和组织劣质化的接头，进行安全性和寿命试验分析与评估。

断裂力学学科的发展，已定义一种“裂纹尖端张开位移值”(Crack Tip opening Displacement，CTOD)，它能准确地评估焊接接头的韧性。1991 年，英国焊接研究所提出标准 BS7448 Part1，给出了金属材料的临界 CTOD、J 积分和 KIC 的试验方法。1997 年，又提出该标谁的第二部分 BS7448 Part Ⅱ《确定焊缝金属材料 K_IC，临界 CTOD 和 J 积分的方法》，针对焊接接头中各区域性能不均匀性和存在残留应力等特征，对 BS7448 Part1 进行了补充规定，这就是目前国际上被工程界普遍认可的，测定焊接接头 CTOD 断裂韧度值的试验标准。

随后，2000 年英国标准局发表 BS7910-1999《金属结构中缺陷验收评定方法导则》，它采用基于断裂力学原理的失效评定图(FAD)来进行评定金属结构中的缺陷。美国石油学会根据 BS7448 Part Ⅱ 的试验方法，在 API 1104《管道焊接与相关设施》的标谁中增加了附录 A，提出管道焊接接头 CTOD 值的验收标谁。挪威船级社 DNV-OS-401 在工程项目的验收评估中亦对 CTOD 值提出一个评估验收标准，以便对大型结构件进行焊后免热处理进行工程评估。CTOD 值实际上是与焊接母材、焊丝、焊剂、焊接工艺、焊接方法、焊缝结构尺寸和厚度等因素有关，是一个材料抵抗裂纹能力的综合参数和性能指标。

国内已有大量焊接工作者应用 CTOD 断裂韧度试验评定焊缝安全性。海洋石油工程股份有限公司在海洋石油平台建造中，应用 CTOD 断裂韧度试验评价焊缝的低温断裂韧度，试验结果表明，未经焊后热处理的 EH36 钢焊条电弧焊、单丝埋弧焊和双丝埋弧焊的三种焊接工艺焊接接头和热影响区，低温下绝大部分试样的断裂韧度值是合格的，评价焊接接头可以在不进行焊后热处理的情况下使用，缩短海洋平台结构的制造周期，降低制造成本，整个试验工作得到美国 Philips 石油公司和 DNV 挪威船级社的好评。

天津大学按照欧洲共同体结构完整性的评定方法(SINAP)的要求，应用 CTOD 试验方法，对海底油气管道安全性进行评估，根据试验结果做出肯定结论。

武汉理工大学和中国船级社通过 CTOD 值，评定从二种不同的无热时效处理的焊接工艺中确定出最佳焊接工艺。

天津大学根据 CTOD(裂纹间断张开位移)试验结果，先后采用英国标准协会提出的 BS7910 标准和欧共体提出的结构完整性评定方法 SINTAP，针对 EH36 管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行评定。

清华大学对常用桥梁钢 Q370qE 和 Q345qD 钢进行 CTOD 试验，分别计算材料在脆断、韧脆破坏和韧性破坏时的 CTOD 值，作为修订常规冲击韧度标准的依据。

清华大学童莉葛和中国石油天然气管道科学研究院白世武、刘方能，建立预测高强度管线钢(X70)焊接接头性能参数裂纹尖端张开位移(CTOD)的 BP 神经网络模型，为焊接工艺参数优化提供有效手段。

以 Class600，20in 全焊接阀体管线球阀 44mm 厚圆筒状阀体焊接接头为例，根据 API 1104 附录 A 和 DNV-OS-401 的标淮和 CTOD 的试验结果，评定该埋弧焊焊接接头具备可免焊后热处理的条件是充分的.

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