上海滬工閥門廠（集團）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 年以上的無維護使用壽命。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；其間穿過地震帶、沼澤地、凍土層、江河、湖泊和山坡；有架設的，有直埋地下的；在野外，無人操作，維護困難．既承受管道內部壓力，又承受外部載荷，如地基沉降、泥石流和地震，管道溫度應力以及地下水的電位腐蝕、應力腐蝕。

全焊接閥體的焊接接頭一般均設計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。厚壁多層焊接過程是金屬材料多次反復加熱和冷卻的過程，導致焊接接頭組織的不均勻性和劣質化，產生較高的殘留應力，甚至產生焊接缺陷。焊接又是該產品組裝后的最后一道工序，閥腔內有非金屬密封材料橡膠和聚四氟乙烯塑料，不能進行焊后熱處理。

另外，在閥體焊接接頭設計中，為對準和定位，在焊縫根部存在一條環(huán)形的裝配隙縫，這一隙縫在內部壓力和外部荷載作用下，將產生幾倍干正常工作應力的應力集中，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力集中，殘留應力，組織劣質化成為閥體結構中的薄弱環(huán)節(jié)，為國內外閥門界關注，但又未見有任何解決這一問題的相關報道，成為這個產品結構邊界完整性的一個隱患。

據(jù)美國 20 世紀 90 年代的統(tǒng)計，焊接接頭失效而引起經濟損失達到國民經濟的 5%。在大量的對金屬材料焊接結構失效事故中，其分析結果表明，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程中快速熔化又快速凝固，受到周邊金屬約束力的作用產生較大的殘留應力，而金屬材料又多次反復經歷熔化—凝固的相變過程，形成粗大的柱狀晶粒，并產生析出、夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷，使材料的初性明顯降低。由干事故的復雜性，預言某一結構因某種原因失效是困難的，但從統(tǒng)計學角度言，大部分焊接結構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，并不斷擴展造成的。

由于焊后金屬材料的不均勻性，劣質化和缺陷，材料學中的三個基本假設；連續(xù)性假設、均勻性假設和各向同性假設已不滿足，這就需要應用斷裂力學的理論。斷裂力學的任務就是從構件中存在宏觀的微裂紋的事實出發(fā)，用線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學的分析方法來解決構件的裂紋問題。即把構件中裂紋大小、工作應力和材料抵抗裂紋的能力（即裂紋尖端張開位移 CTOD 斷裂韌度值）定量地聯(lián)系起來，對含有微裂紋的構件和組織劣質化的接頭，進行安全性和壽命試驗分析與評估。

斷裂力學學科的發(fā)展，已定義一種“裂紋尖端張開位移值”(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 CTOD 和 J 積分的方法》，針對焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻性和存在殘留應力等特征，對 BS7448 Part1 進行了補充規(guī)定，這就是目前國際上被工程界普遍認可的，測定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗標準。

隨后，2000 年英國標準局發(fā)表 BS7910-1999《金屬結構中缺陷驗收評定方法導則》，它采用基于斷裂力學原理的失效評定圖（FAD）來進行評定金屬結構中的缺陷。美國石油學會根據(jù) BS7448 Part Ⅱ 的試驗方法，在 API 1104《管道焊接與相關設施》的標誰中增加了附錄 A，提出管道焊接接頭 CTOD 值的驗收標誰。挪威船級社 DNV-OS-401 在工程項目的驗收評估中亦對 CTOD 值提出一個評估驗收標準，以便對大型結構件進行焊后免熱處理進行工程評估。CTOD 值實際上是與焊接母材、焊絲、焊劑、焊接工藝、焊接方法、焊縫結構尺寸和厚度等因素有關，是一個材料抵抗裂紋能力的綜合參數(shù)和性能指標。

國內已有大量焊接工作者應用 CTOD 斷裂韌度試驗評定焊縫安全性。海洋石油工程股份有限公司在海洋石油平臺建造中，應用 CTOD 斷裂韌度試驗評價焊縫的低溫斷裂韌度，試驗結果表明，未經焊后熱處理的 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，評價焊接接頭可以在不進行焊后熱處理的情況下使用，縮短海洋平臺結構的制造周期，降低制造成本，整個試驗工作得到美國 Philips 石油公司和 DNV 挪威船級社的好評。

天津大學按照歐洲共同體結構完整性的評定方法(SINAP）的要求，應用 CTOD 試驗方法，對海底油氣管道安全性進行評估，根據(jù)試驗結果做出肯定結論。

武漢理工大學和中國船級社通過 CTOD 值，評定從二種不同的無熱時效處理的焊接工藝中確定出最佳焊接工藝。

天津大學根據(jù) CTOD（裂紋間斷張開位移）試驗結果，先后采用英國標準協(xié)會提出的 BS7910 標準和歐共體提出的結構完整性評定方法 SINTAP，針對 EH36 管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進行評定。

清華大學對常用橋梁鋼 Q370qE 和 Q345qD 鋼進行 CTOD 試驗，分別計算材料在脆斷、韌脆破壞和韌性破壞時的 CTOD 值，作為修訂常規(guī)沖擊韌度標準的依據(jù)。

清華大學童莉葛和中國石油天然氣管道科學研究院白世武、劉方能，建立預測高強度管線鋼（X70）焊接接頭性能參數(shù)裂紋尖端張開位移（CTOD）的 BP 神經網(wǎng)絡模型，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 的標淮和 CTOD 的試驗結果，評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。

（全文未完，請看下一篇《全焊接閥體管線球閥焊接接頭安全評估（影響閥體焊縫安全性的因素）》）