上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（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(xiàn)，線(xiàn)上的緊急切斷閥為全焊接閥體管線(xiàn)球閥，要求 30 年以上的無(wú)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(guò)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(wú)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(guò)程是金屬材料多次反復加熱和冷卻的過(guò)程，導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(chǎn)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(zhì)化成為閥體結構中的薄弱環(huán)節，為國內外閥門(mén)界關(guān)注，但又未見(jiàn)有任何解決這一問(wèn)題的相關(guān)報道，成為這個(gè)產(chǎn)品結構邊界完整性的一個(gè)隱患。

據美國 20 世紀 90 年代的統計，焊接接頭失效而引起經(jīng)濟損失達到國民經(jīng)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(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)生較大的殘留應力，而金屬材料又多次反復經(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。由干事故的復雜性，預言某一結構因某種原因失效是困難的，但從統計學(xué)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(zhì)化和缺陷，材料學(xué)中的三個(gè)基本假設；連續性假設、均勻性假設和各向同性假設已不滿(mǎn)足，這就需要應用斷裂力學(xué)的理論。斷裂力學(xué)的任務(wù)就是從構件中存在宏觀(guān)的微裂紋的事實(shí)出發(fā)，用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的分析方法來(lái)解決構件的裂紋問(wèn)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(kāi)位移 CTOD 斷裂韌度值）定量地聯(lián)系起來(lái)，對含有微裂紋的構件和組織劣質(zhì)化的接頭，進(jìn)行安全性和壽命試驗分析與評估。

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(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》，針對焊接接頭中各區域性能不均勻性和存在殘留應力等特征，對 BS7448 Part1 進(jìn)行了補充規定，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(xué)原理的失效評定圖（FAD）來(lái)進(jìn)行評定金屬結構中的缺陷。美國石油學(xué)會(huì )根據 BS7448 Part Ⅱ 的試驗方法，在 API 1104《管道焊接與相關(guān)設施》的標誰(shuí)中增加了附錄 A，提出管道焊接接頭 CTOD 值的驗收標誰(shuí)。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(gè)評估驗收標準，以便對大型結構件進(jìn)行焊后免熱處理進(jìn)行工程評估。CTOD 值實(shí)際上是與焊接母材、焊絲、焊劑、焊接工藝、焊接方法、焊縫結構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(jià)焊縫的低溫斷裂韌度，試驗結果表明，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，低溫下絕大部分試樣的斷裂韌度值是合格的，評價(jià)焊接接頭可以在不進(jìn)行焊后熱處理的情況下使用，縮短海洋平臺結構的制造周期，降低制造成本，整個(gè)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(xué)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(jìn)行評估，根據試驗結果做出肯定結論。

武漢理工大學(xué)和中國船級社通過(guò) CTOD 值，評定從二種不同的無(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 CTOD（裂紋間斷張開(kāi)位移）試驗結果，先后采用英國標準協(xié)會(huì )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(xiàn)鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進(jìn)行評定。

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

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

以 Class600，20in 全焊接閥體管線(xiàn)球閥 44mm 厚圓筒狀閥體焊接接頭為例，根據 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(xiàn)球閥焊接接頭安全評估（影響閥體焊縫安全性的因素）》）