摘要：介紹了一種評價全焊接閥體管線球閥焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭安全(quan)性(xing)的方(fang)法，根據(ju)(ju)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭斷裂韌(ren)度 CTOD 試驗值，對埋(mai)弧焊(han)(han)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭免焊(han)(han)后熱處理的可能性(xing)進行安全(quan)評定。為大型全(quan)焊(han)(han)接(jie)(jie)閥體管線球(qiu)閥制造提供(gong)科學依(yi)據(ju)(ju)。

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(guan)線球閥，要求 30 年(nian)以上的無維護使用壽命。但服役條件(jian)卻十分惡劣：從(cong)(cong)北極圈(quan)到(dao)赤道，從(cong)(cong)高原(yuan)到(dao)海底，從(cong)(cong)沙漠(mo)到(dao)荒(huang)原(yuan)；其間穿過地震帶、沼澤地、凍土層、江河、湖泊(bo)和山(shan)坡(po)；有架設的，有直埋(mai)地下(xia)(xia)的；在野外(wai)，無人(ren)操作，維護困難．既承受管(guan)道內部(bu)(bu)壓力(li)，又承受外(wai)部(bu)(bu)載荷(he)，如地基沉降、泥石流和地震，管(guan)道溫度應(ying)力(li)以及地下(xia)(xia)水的電位腐蝕(shi)、應(ying)力(li)腐蝕(shi)。

全焊接閥體的焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)一(yi)般(ban)均設計為窄間隙厚(hou)壁埋弧焊(han)(han)，例(li)如 Class600，20in 的球(qiu)閥(fa)，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)壁厚(hou)為 44mm，C1ass900，48in 的球(qiu)閥(fa)，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)壁厚(hou)為 140mm。為超大厚(hou)度(du)筒(tong)狀焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)。厚(hou)壁多層焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)過(guo)(guo)程是金屬材(cai)料(liao)(liao)多次反復(fu)加(jia)熱(re)和(he)冷卻的過(guo)(guo)程，導致焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)組織(zhi)的不均勻性和(he)劣質化，產(chan)生較高的殘(can)留應(ying)力，甚至產(chan)生焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)缺陷。焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)又是該產(chan)品組裝后的zui后一(yi)道工序，閥(fa)腔內有非金屬密封材(cai)料(liao)(liao)橡膠和(he)聚四氟乙烯塑料(liao)(liao)，不能進行焊(han)(han)后熱(re)處理。

另外，在閥體(ti)焊(han)接接頭設計中，為對準和定位，在焊(han)縫(feng)(feng)根部(bu)(bu)存在一條環(huan)形的(de)裝配隙(xi)縫(feng)(feng)，這(zhe)一隙(xi)縫(feng)(feng)在內部(bu)(bu)壓力和外部(bu)(bu)荷(he)載作用下，將產生幾倍干正(zheng)常工作應(ying)力的(de)應(ying)力集中，同樣使工程師們難(nan)于處理(li)。

因此，閥(fa)(fa)(fa)體焊接接頭的(de)(de)根部縫隙的(de)(de)應力(li)(li)集中(zhong)，殘留(liu)應力(li)(li)，組(zu)織劣質化成為閥(fa)(fa)(fa)體結(jie)構中(zhong)的(de)(de)薄(bo)弱環節，為國內外(wai)閥(fa)(fa)(fa)門界(jie)關注，但又(you)未(wei)見有任何解決這(zhe)一(yi)(yi)問(wen)題的(de)(de)相關報道，成為這(zhe)個(ge)產(chan)品結(jie)構邊(bian)界(jie)完整性的(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)隱患。

據(ju)美國(guo) 20 世(shi)紀 90 年(nian)代(dai)的(de)(de)(de)統(tong)計，焊接接頭(tou)失效而引起經(jing)濟(ji)損失達到國(guo)民經(jing)濟(ji)的(de)(de)(de) 5%。在大(da)量的(de)(de)(de)對金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)(liao)焊接結(jie)(jie)構(gou)失效事故(gu)(gu)中，其分析結(jie)(jie)果(guo)表明，大(da)部分焊接接頭(tou)失效是(shi)金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)(liao)韌(ren)性(xing)不足(zu)造成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。接頭(tou)中金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)(liao)在焊接過程中快(kuai)速熔化又(you)快(kuai)速凝固(gu)，受(shou)到周邊金(jin)屬(shu)約束(shu)力的(de)(de)(de)作用產(chan)生(sheng)較大(da)的(de)(de)(de)殘留應力，而金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)(liao)又(you)多(duo)次反復經(jing)歷熔化—凝固(gu)的(de)(de)(de)相變過程，形成(cheng)(cheng)粗大(da)的(de)(de)(de)柱狀晶粒，并產(chan)生(sheng)析出、夾(jia)雜(za)、氣孔和(he)微裂紋(wen)等(deng)缺(que)陷(xian)，使材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)初性(xing)明顯降(jiang)低。由(you)干事故(gu)(gu)的(de)(de)(de)復雜(za)性(xing)，預(yu)言某一結(jie)(jie)構(gou)因某種原因失效是(shi)困難(nan)的(de)(de)(de)，但從統(tong)計學角度言，大(da)部分焊接結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)破壞是(shi)由(you)干材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)不足(zu)，由(you)微小的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)引發疲勞裂紋(wen)，并不斷擴(kuo)展造成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。

由于焊后金屬材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)不均(jun)勻性，劣質(zhi)化和(he)缺陷，材(cai)(cai)(cai)料學(xue)中的(de)(de)三(san)個(ge)基(ji)本假(jia)(jia)設；連續性假(jia)(jia)設、均(jun)勻性假(jia)(jia)設和(he)各向同性假(jia)(jia)設已不滿足，這就(jiu)(jiu)需要應用(yong)斷裂(lie)(lie)力(li)學(xue)的(de)(de)理論。斷裂(lie)(lie)力(li)學(xue)的(de)(de)任(ren)務(wu)就(jiu)(jiu)是從構(gou)(gou)件中存(cun)在(zai)宏觀的(de)(de)微裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)事實(shi)出(chu)發，用(yong)線彈性斷裂(lie)(lie)力(li)學(xue)和(he)彈塑性斷裂(lie)(lie)力(li)學(xue)的(de)(de)分析方法來解(jie)決構(gou)(gou)件的(de)(de)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)問(wen)題。即(ji)把構(gou)(gou)件中裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)大小(xiao)、工作應力(li)和(he)材(cai)(cai)(cai)料抵抗裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)能力(li)(即(ji)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)張(zhang)開位(wei)移 CTOD 斷裂(lie)(lie)韌度值)定量地起來，對含有微裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)構(gou)(gou)件和(he)組(zu)織(zhi)劣質(zhi)化的(de)(de)接頭，進行安全性和(he)壽命試驗(yan)分析與評估。

斷裂力學學科的發展，已定義一種“裂紋張開位移值”(Crack Tip opening Displacement，CTOD)，它能準確地評估焊接接頭的韌性。1991 年，英國焊接研究所提出標準 BS7448 Part1，給出了金屬材料的臨界 CTOD、J 積分和 KIC 的試驗方法。1997 年，又提出該標誰的第二部分 BS7448 Part Ⅱ《確定焊縫金屬材料 K_IC，臨界(jie)(jie) CTOD 和(he) J 積(ji)分(fen)的(de)方法》，針對焊接接頭中各區域性能(neng)不均勻性和(he)存在殘留應力等特征(zheng)，對 BS7448 Part1 進行了補充規定(ding)，這就是目前上被(bei)工程界(jie)(jie)普(pu)遍認(ren)可(ke)的(de)，測定(ding)焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的(de)試驗標準(zhun)。

隨后，2000 年英國標(biao)(biao)準局發(fa)表(biao) BS7910-1999《金屬結(jie)構(gou)中缺(que)陷(xian)驗收(shou)評定方法(fa)(fa)導則》，它采(cai)用基于(yu)斷裂力(li)學(xue)原理的失(shi)效評定圖(FAD)來進行(xing)評定金屬結(jie)構(gou)中的缺(que)陷(xian)。美(mei)國石油(you)學(xue)會(hui)根據 BS7448 Part Ⅱ 的試驗方法(fa)(fa)，在 API 1104《管道(dao)(dao)焊接與(yu)相關(guan)設(she)施》的標(biao)(biao)誰中增加了附錄 A，提出(chu)管道(dao)(dao)焊接接頭(tou) CTOD 值(zhi)的驗收(shou)標(biao)(biao)誰。挪威船級社 DNV-OS-401 在工(gong)程(cheng)項目(mu)的驗收(shou)評估(gu)(gu)中亦對 CTOD 值(zhi)提出(chu)一個(ge)評估(gu)(gu)驗收(shou)標(biao)(biao)準，以便對大型結(jie)構(gou)件進行(xing)焊后免熱處(chu)理進行(xing)工(gong)程(cheng)評估(gu)(gu)。CTOD 值(zhi)實際(ji)上是(shi)與(yu)焊接母材(cai)(cai)、焊絲(si)、焊劑、焊接工(gong)藝、焊接方法(fa)(fa)、焊縫結(jie)構(gou)尺寸和厚度等(deng)因素有關(guan)，是(shi)一個(ge)材(cai)(cai)料抵抗裂紋能(neng)力(li)的綜(zong)合參數和性能(neng)指標(biao)(biao)。

國內已有大量焊(han)(han)接工(gong)作者應用 CTOD 斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)度試驗評(ping)定焊(han)(han)縫安全性(xing)。海洋石(shi)油(you)工(gong)程股份有限公司在(zai)海洋石(shi)油(you)平臺建造中，應用 CTOD 斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)度試驗評(ping)價(jia)焊(han)(han)縫的(de)(de)低(di)溫斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)度，試驗結(jie)果表(biao)明，未(wei)經焊(han)(han)后熱(re)(re)處(chu)理的(de)(de) EH36 鋼(gang)焊(han)(han)條電(dian)弧(hu)焊(han)(han)、單絲(si)埋(mai)弧(hu)焊(han)(han)和(he)(he)雙絲(si)埋(mai)弧(hu)焊(han)(han)的(de)(de)三種焊(han)(han)接工(gong)藝焊(han)(han)接接頭和(he)(he)熱(re)(re)影(ying)響區，低(di)溫下(xia)絕大部分試樣的(de)(de)斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)度值是合(he)格的(de)(de)，評(ping)價(jia)焊(han)(han)接接頭可以(yi)在(zai)不進行焊(han)(han)后熱(re)(re)處(chu)理的(de)(de)情況(kuang)下(xia)使用，縮短海洋平臺結(jie)構的(de)(de)制(zhi)造周期，降低(di)制(zhi)造成本(ben)，整個試驗工(gong)作得到美(mei)國 Philips 石(shi)油(you)公司和(he)(he) DNV 挪威(wei)船級社的(de)(de)好評(ping)。

天津大(da)學(xue)按照歐洲共同體(ti)結(jie)構(gou)完整性的評(ping)定(ding)方(fang)法(SINAP)的要求(qiu)，應用 CTOD 試(shi)驗(yan)方(fang)法，對(dui)海(hai)底油氣管道安全性進行評(ping)估，根據試(shi)驗(yan)結(jie)果做(zuo)出肯定(ding)結(jie)論(lun)。

武漢理工大學和(he)中國(guo)船級社通過 CTOD 值，評(ping)定(ding)從二種不(bu)同的無熱時效處理的焊接(jie)工藝(yi)中確定(ding)出*焊接(jie)工藝(yi)。

天津大學根(gen)據 CTOD(裂(lie)紋(wen)間斷張開位移)試驗(yan)結(jie)果，先后采用英國標(biao)準協會提(ti)(ti)出的 BS7910 標(biao)準和(he)歐共(gong)體提(ti)(ti)出的結(jie)構完整性評(ping)(ping)定方法 SINTAP，針對 EH36 管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂(lie)紋(wen)進行評(ping)(ping)定。

清華大(da)學對常用橋(qiao)梁鋼 Q370qE 和 Q345qD 鋼進行(xing) CTOD 試(shi)驗，分別(bie)計算材料在(zai)脆斷、韌脆破(po)壞和韌性破(po)壞時的 CTOD 值(zhi)，作為修訂常規(gui)沖擊韌度標準的依據。

清華大學童莉葛和中國石油天然氣管道科(ke)學研究院白世武(wu)、劉方能，建立預測高強度管線鋼(X70)焊接接頭(tou)性能參(can)數裂紋張開位移(yi)(CTOD)的(de) BP 神經網絡(luo)模型(xing)，為焊接工藝(yi)參(can)數優化提(ti)供(gong)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(tou)為(wei)例，根(gen)據 API 1104 附錄 A 和 DNV-OS-401 的標淮和 CTOD 的試驗結果，評(ping)定(ding)該埋弧焊焊接接頭(tou)具備可(ke)免焊后熱處理的條件是充分的.