上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司

（注：接上一篇《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）》）

三、CTOD（Crack Tip opening Displacement）試驗

如前所述，全焊接閥體管線(xiàn)球閥閥體焊接接頭是閥門(mén)壓力邊界完整的最大隱患，然而評價(jià)焊接接頭韌性的傳統試驗方法夏比（Charpy）沖擊試驗實(shí)際上是個(gè)衡量焊接接頭抗沖擊能力的指標，它不能全面反映焊接接頭的真實(shí)韌性，也不能解釋焊接接頭的失效機制，更不能反映焊接殘留應力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響。因此，用夏比沖擊韌度值來(lái)評價(jià)焊接接頭的韌性，有明顯的局限性。

隨著(zhù)英國焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2，《斷裂韌度試驗·第 2 部分：金屬材料焊接的 K_IC 值、臨界 CTOD 值和臨界 J 值的測定方法》，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，這是目前國際上被工程界認可的測定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗標準。例如 API 1104 附錄 A，DNV-OS-401，BS7910 都是根據 BS7448 Part2 斷裂韌度 CTOD 值的測試規范來(lái)評定焊接結構的完整性。

1. 試驗方法

圖 2 CTOO 測試試驗

在此根據 BS7448 Part2 試驗標準，并參照 API 1104 及 DNV-OS-401 相關(guān)規范要求，以 CTOD 斷裂韌度值來(lái)評價(jià)全焊接閥體焊接接頭免焊后熱處理的安全性。如圖 2 所示根據 BS7448 Part2，試樣取厚度 B=18，寬度 W=36，長(cháng)度 L=4×36＋20，裂紋長(cháng)度 a≈(0.04~0.55)W 。用疲勞試驗機預制裂紋．在美國 500KN 級 MTS 試驗機上采用原裝配套的 CTOD 試驗硬件系統和控制程序進(jìn)行試驗，采用 6 位（0.00001mm）高精度數字讀數顯微鏡測定裂紋的擴展量。按標準確認的最佳方法——多試樣法求得臨界開(kāi)裂的缺口張開(kāi)位移量 δ_c（或 δ0.05）。

2. 試驗結果

CTOD 試驗系統及完成加載試驗后得焊縫 CTOD 試樣。試驗中出現 pop-in（并進(jìn)/突進(jìn)）的 HAZ 試樣，試驗所獲得的焊縫區有效試樣 8 個(gè)，HAZ 有效試樣 8 個(gè)，達到 CTOD 多試樣法的要求。

其中 HAZ 的起裂點(diǎn) CTOD 值占 δ_c 直接測量獲得，臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗回歸線(xiàn)與裂紋擴展量 0.05mm 垂直線(xiàn)的交點(diǎn)確定，突進(jìn)點(diǎn)的 CTOD 值石 δ_m 由試驗直接測覺(jué)獲得。焊縫的起裂點(diǎn) CTOD 值 δ_c 和臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗回歸線(xiàn)與裂紋擴展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直線(xiàn)的交點(diǎn)確定，突進(jìn)點(diǎn)的 CTOD 值 δ_m 由試驗直接測量獲得。焊縫與 HAZ 的 CTOD 計算結果見(jiàn)《表 1》。

3. 安全評價(jià)

參照 DNV-OS-C401（挪威船級社）標準，CTOD 值大于 0.15mm 為合格。開(kāi)發(fā)工藝接頭的實(shí)測 δ_c 皆大于 0.15mm，表明接頭可以在不進(jìn)行熱時(shí)效處理的情況下使用。

圖 3 不同 CTOD 值的允許缺陷尺寸與最大許用應變的關(guān)系

參照 API 1104《管道與相關(guān)設施的焊接》標準附錄 A，其給出 TCTOD 值分別為 0.005in（0.1225mm）和 0.01in（0.245mm）時(shí)允許缺陷尺寸與許用應變的關(guān)系圖，如圖 3 所示。從圖中可知，CTOD 值越大，焊縫斷裂韌度越好，所允許缺陷尺寸可增大。根據全焊接閥體焊接接頭最小 CTOD 值等于 0.197mm（0.0078in）時(shí)最大許用軸向應變與允許缺陷尺寸之間的曲線(xiàn)。

20in 600Lb 全焊接閥體球閥按額定工作壓強的 1.5 倍計算，最大主應力為 15MPa，通過(guò)有限元計算可得最大軸向應變?yōu)?728με（即 0.000728ε），如按 API 1104 附錄 A 所給出的最小可接受 CTOD=0.005in（0.1225mm）考慮，最大缺陷尺寸限為 0.3in，相當于 7.6mm。實(shí)測 CTOD=0.008in（0.196mm）其對應的缺陷允許尺寸為 0.45in（11.4mm），按 JB4730-94 1 級壓力容器要求執行，允許缺陷尺寸為低于 0.15in（3.765mm），因此實(shí)際接頭仍具有相當高的安全裕度。

全焊接閥體焊縫無(wú)損探傷按 JB4730-1994 的 1 級壓力容器要求執行，其要求焊縫缺陷尺寸小于 0.15in（3.675mm）。因此，當全焊接閥體焊接接頭滿(mǎn)足 CTOD 斷裂韌度值大于 0.005in（0.1225mm），焊縫無(wú)損探傷滿(mǎn)足 JB4730-94 的 1 級壓力容器要求，即可認定免焊后熱處理工藝是安全可靠的。

四、結論

1）焊接接頭根部結構上裝配隙縫存在應力集中，進(jìn)行 CTOD 試驗，考察接頭的斷裂韌度是必要的。

2）試驗結果表明焊縫，熱影響區的最小 CTOD 值為 0.196mm，大于 API 1104 附錄 A 0.125mm 和 DNV-OS-C401 0.15mm 的要求，焊縫本身經(jīng)無(wú)損探傷滿(mǎn)足 JB4730-94 的 1 級壓力容器要求，因此可以認定焊接接頭具有足夠的斷裂韌度值，作為免焊后熱處理的依據是充分的。

（全文完）