石油和天然氣管道是一條能源供應(yīng)線。生產(chǎn)線上的緊急切斷閥是一種全焊接閥體球閥，需要30年以上的免維護(hù)使用壽命。但是，從北極圈到赤道，從高原到海底，從沙漠到荒地，以及通過地震帶，沼澤地，凍土層，河流，湖泊和山坡的服務(wù)條件非常糟糕：安裝，地下埋葬在野外，沒有人操作和維護(hù)很困難。管道內(nèi)部壓力和外部荷載，如地面沉降，泥石流和地震，管道溫度應(yīng)力，地下水潛在腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

全焊接球閥閥體的焊接接頭通常設(shè)計用于窄間隙厚壁埋弧焊，如Class 600,20英寸球閥，焊接壁厚44 mm，C1ass900,48英寸球閥和焊接壁厚度為140毫米。用于大厚度管狀焊接接頭。厚壁多層焊接過程是金屬材料反復(fù)加熱和冷卻的過程，導(dǎo)致焊接接頭結(jié)構(gòu)的不均勻和質(zhì)量下降，導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力和甚至焊接缺陷。焊接是產(chǎn)品組裝后的最后一道工序。閥腔內(nèi)有非金屬密封材料橡膠和聚乙烯。四氟乙烯塑料不能進(jìn)行焊后熱處理。

另外，在閥體焊接接頭的設(shè)計中，焊縫根部有一個環(huán)形裝配間隙用于對齊和定位。這種差距造成的應(yīng)力集中是內(nèi)部壓力和外部載荷下正常干燥工作應(yīng)力的幾倍。也使工程師難以處理。

因此，閥體焊接接頭的應(yīng)力集中，殘余應(yīng)力和根部間隙組織不良成為閥體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，引起國內(nèi)外閥門界的關(guān)注，但尚未見相關(guān)報道發(fā)現(xiàn)解決這個問題。該產(chǎn)品存在結(jié)構(gòu)完整性的隱患。

據(jù)美國在20世紀(jì)90年代的統(tǒng)計，焊接接頭的失敗導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到國民經(jīng)濟(jì)的5％。在金屬材料焊接結(jié)構(gòu)的大量故障中，分析結(jié)果表明焊接接頭的大部分故障是由于金屬材料的韌性不足造成的。接合處的金屬材料在焊接過程中迅速熔化并迅速凝固，由于周圍金屬的結(jié)合力而產(chǎn)生殘余金屬應(yīng)力。金屬材料反復(fù)經(jīng)歷熔化 - 凝固相變過程以形成大的柱狀晶粒。 ，并產(chǎn)生沉淀，夾雜物，孔隙和微裂紋等缺陷，使材料早期形成明顯減少。 由于干事故的復(fù)雜性，由于某種原因很難預(yù)測結(jié)構(gòu)的失效，但從統(tǒng)計的角度來看，焊接結(jié)構(gòu)的大部分損壞是由于干材料的韌性不足以及疲勞 微小缺陷造成的裂紋。 不斷擴(kuò)大造成的。

由于焊接后金屬材料的不均勻性，劣勢和缺陷，材料科學(xué)的三個基本假設(shè);連續(xù)性假設(shè)，均勻性假設(shè)和各向同性假設(shè)不再滿足，這就需要應(yīng)用斷裂力學(xué)理論。斷裂力學(xué)的任務(wù)是利用線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的方法來解決構(gòu)件的裂紋問題，從構(gòu)件中存在宏觀微裂紋的事實出發(fā)。也就是說，裂紋尺寸，工作應(yīng)力以及材料抵抗裂紋的能力（即裂紋張開位移CTOD斷裂韌性值）在組件中定量相關(guān)，并且安全性和壽命測試分析和評估。

斷裂力學(xué)的發(fā)展定義了“裂紋尖端開口位移（CTOD）”，可準(zhǔn)確評估焊接接頭的韌性。 1991年，英國焊接研究所提出了標(biāo)準(zhǔn)BS7448 Part1，該標(biāo)準(zhǔn)為金屬材料提供了關(guān)鍵的CTOD，J積分和KIC測試方法。在1997年，BS7448第二部分的第二部分被提出用于焊接金屬材料的KIC，用于臨界CTOD和J積分的方法，補充BS7448 Part1關(guān)于焊接接頭性能的不均勻性以及殘余應(yīng)力存在的特性，目前工程界已在國際上認(rèn)可該特性。 ，用于確定焊接接頭CTOD斷裂韌性值的測試標(biāo)準(zhǔn)。

隨后，2000年，英國標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布了BS7910-1999“金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗收評估指南”。它使用基于斷裂力學(xué)的失效評估圖（FAD）來評估金屬結(jié)構(gòu)中的缺陷。根據(jù)BS7448第二部分的試驗方法，美國石油學(xué)會在API 1104“管道焊接及相關(guān)設(shè)施”標(biāo)簽中增加了附錄A，并提出了管道焊接接頭的CTOD值。 DNV-OS-401還在項目驗收評估中提交了CTOD值的評估和驗收標(biāo)準(zhǔn)，以便對焊后熱處理的大型結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行工程評估。 CTOD值實際上與母材，焊絲，助焊劑，焊接工藝，焊接方法，焊接結(jié)構(gòu)尺寸等的焊接有關(guān)厚度和其他因素與材料的抗開裂綜合參數(shù)和性能指標(biāo)有關(guān)。

中國的大量焊接工人已經(jīng)應(yīng)用CTOD斷裂韌性測試來評估焊接安全性。在海上石油平臺建設(shè)中，海洋石油工程有限公司采用CTOD斷裂韌性試驗評估了焊縫的低溫斷裂韌性。試驗結(jié)果表明，EH36鋼電極弧焊，單絲埋弧焊和雙絲SAW三種焊接工藝中，大多數(shù)試樣在低溫下的斷裂韌性值均可接受，焊接接頭和熱影響區(qū)均為合格。焊接接頭的評估可以在沒有焊后熱處理的情況下使用，縮短海洋平臺結(jié)構(gòu)的制造周期降低了制造成本。飛利浦石油公司和DNV DNV對整個測試工作給予了高度評價。

根據(jù)歐洲共同體結(jié)構(gòu)完整性評估方法（SINAP）的要求，天津大學(xué)應(yīng)用CTOD測試方法評估海底油氣管道的安全性，并根據(jù)測試結(jié)果得出了肯定的結(jié)論。

武漢理工大學(xué)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(xué)根據(jù) CTOD（裂紋間斷張開位移）試驗結(jié)果，先后采用英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會提出的 BS7910 標(biāo)準(zhǔn)和歐共體提出的結(jié)構(gòu)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(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的 CTOD 值，作為修訂常規(guī)沖擊韌度標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

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(yù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)淮和 CTOD 的試驗結(jié)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。

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