全焊接管線球閥焊接接頭與閥體焊縫安全評估

介紹了一種評價全焊接管線球閥閥體焊接接頭安全性的方法，根據焊接接頭斷裂韌度 CTOD 試驗值，對埋弧焊焊接接頭免焊后熱處理的可能性進行安全評定。為大型全焊接閥體管線球閥制造提供科學依據。

一、全焊接管線球閥焊接前言

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節，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。

據美國 20 世紀 90 年代的統計，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，使球閥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，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 KIC，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 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，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。

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 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。
 

二、影響閥體焊縫安全性的因素

1. 焊縫根部應力集中

由于全焊接球閥閥體裝配對準和定位要求，在焊縫根部存在一條環形裝配隙縫，這將導致在閥體焊縫根部出現較大的應力集中。通過有限元分析計算，20in，600Lb 球閥閥體，在 10MPa 工作壓力下，可以明顯地觀察到在焊縫根部出現較大應力集中，其根部 Von misese 應力達到 275MPa，已超過 A105 材料的屈服強度，達到正常工作應力 3 倍左右。

2. 焊縫殘留應力分析

如前所述，焊接殘留應力是由于在施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場，焊縫及其附近區域溫度急劇升高，不均勻的溫度場產生的不均勻的膨脹，焊接殘留應力由此產生。而月．全焊接閥體焊接接頭為典型的厚壁多層焊縫，焊接熱影響區經歷反復多次升溫—冷卻，造成該區域晶粒組織粗大，構成焊接接頭韌性薄弱區。

根據閥體材料及焊接電流、焊接速度等焊接工藝參數，可采用熱彈塑性有限元法計算全焊接閥體的焊接殘留應力分布。由計算可知，閥體的最大焊接殘留應力達到 407MPa，遠遠超過 A105 材料的屈服強度。最大軸向應力及周向應力均在閥體厚壁圓筒焊縫中心位置的外表面，殘留應力為拉應力，而內表面為壓應力。

綜上所述，在工作壓力下，由于焊縫根部的環形裝配隙縫，將導致焊縫根部產生 3 倍于工作應力的應力集中；厚壁焊縫的焊接殘留應力已達到閥體材料抗拉強度，危及閥體結構安全。因此，根據標誰要求通過焊后熱處理，可細化焊縫及熱影響區晶粒，降低焊接殘留應力值，提高焊接結構斷裂韌度。但由于全焊接閥體球閥結構的特殊性，全焊接閥體不能進行焊后熱處理。

因此，需要研究有效的非熱時效方法和焊接接頭免焊后熱處理可能性的試驗方法與科學依據

三、CTOD（Crack Tip opening Displacement）試驗

如前所述，全焊接閥體管線球閥閥體焊接接頭是閥門壓力邊界完整的最大隱患，然而評價焊接接頭韌性的傳統試驗方法夏比（Charpy）沖擊試驗實際上是個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評價焊接接頭的韌性，有明顯的局限性。

隨著英國焊接研究所在 1997 年提出的 BS7448 Part2，《斷裂韌度試驗·第 2 部分：金屬材料焊接的 KIC 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 值的測試規范來評定焊接結構的完整性。

1. 試驗方法

在此根據 BS7448 Part2 試驗標準，并參照 API 1104 及 DNV-OS-401 相關規范要求，以 CTOD 斷裂韌度值來評價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，長度 L=4×36＋20，裂紋長度 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裂的缺口張開位移量 δc（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/突進）的 HAZ 試樣，試驗所獲得的焊縫區有效試樣 8 個，HAZ 有效試樣 8 個，達到 CTOD 多試樣法的要求。

其中 HAZ 的起裂點 CTOD 值占 δc 直接測量獲得，臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗回歸線與裂紋擴展量 0.05mm 垂直線的交點確定，突進點的 CTOD 值石 δm 由試驗直接測覺獲得。焊縫的起裂點 CTOD 值 δc 和臨界 CTOD 值 δ=0.05 用多試樣 CTOD 試驗回歸線與裂紋擴展量 0.00mm 及 0.05mm 垂直線的交點確定，突進點的 CTOD 值 δm 由試驗直接測量獲得。焊縫與 HAZ 的 CTOD 計算結果見《表 1》。

《表 1》 CTOD 測試結果

3. 安全評價

參照 DNV-OS-C401（挪威船級社）標準，CTOD 值大于 0.15mm 為合格。開發工藝接頭的實測 δc 皆大于 0.15mm，表明接頭可以在不進行熱時效處理的情況下使用。

參照 API 1104《管道與相關設施的焊接》標準附錄 A，其給出 TCTOD 值分別為 0.005in（0.1225mm）和 0.01in（0.245mm）時允許缺陷尺寸與許用應變的關系圖，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）時最大許用軸向應變與允許缺陷尺寸之間的曲線。

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，通過有限元計算可得最大軸向應變為 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），因此實際接頭仍具有相當高的安全裕度。

全焊接閥體焊縫無損探傷按 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足 CTOD 斷裂韌度值大于 0.005in（0.1225mm），焊縫無損探傷滿足 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、全焊接管線球閥焊接接頭與閥體焊縫安全評定結論

1）焊接接頭根部結構上裝配隙縫存在應力集中，進行 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，焊縫本身經無損探傷滿足 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。