全焊接球阀焊接工艺及评定

石油和天然气管道是一条能源供应线。生产线上的紧急切断阀是一种全焊接阀体球阀，需要30年以上的免维护使用寿命。但是，从北极圈到赤道，从高原到海底，从沙漠到荒地，以及通过地震带，沼泽地，冻土层，河流，湖泊和山坡的服务条件非常糟糕：安装，地下埋葬在野外，没有人操作和维护很困难。管道内部压力和外部荷载，如地面沉降，泥石流和地震，管道温度应力，地下水潜在腐蚀和应力腐蚀。

全焊接球阀阀体的焊接接头通常设计用于窄间隙厚壁埋弧焊，如Class 600,20英寸球阀，焊接壁厚44 mm，C1ass900,48英寸球阀和焊接壁厚度为140毫米。用于大厚度管状焊接接头。厚壁多层焊接过程是金属材料反复加热和冷却的过程，导致焊接接头结构的不均匀和质量下降，导致较高的残余应力和甚至焊接缺陷。焊接是产品组装后的最后一道工序。阀腔内有非金属密封材料橡胶和聚乙烯。四氟乙烯塑料不能进行焊后热处理。

另外，在阀体焊接接头的设计中，焊缝根部有一个环形装配间隙用于对齐和定位。这种差距造成的应力集中是内部压力和外部载荷下正常干燥工作应力的几倍。也使工程师难以处理。

因此，阀体焊接接头的应力集中，残余应力和根部间隙组织不良成为阀体结构的薄弱环节，引起国内外阀门界的关注，但尚未见相关报道发现解决这个问题。该产品存在结构完整性的隐患。

据美国在20世纪90年代的统计，焊接接头的失败导致经济损失达到国民经济的5％。在金属材料焊接结构的大量故障中，分析结果表明焊接接头的大部分故障是由于金属材料的韧性不足造成的。接合处的金属材料在焊接过程中迅速熔化并迅速凝固，由于周围金属的结合力而产生残余金属应力。金属材料反复经历熔化 - 凝固相变过程以形成大的柱状晶粒。 ，并产生沉淀，夹杂物，孔隙和微裂纹等缺陷，使材料早期形成明显减少。 由于干事故的复杂性，由于某种原因很难预测结构的失效，但从统计的角度来看，焊接结构的大部分损坏是由于干材料的韧性不足以及疲劳 微小缺陷造成的裂纹。 不断扩大造成的。

由于焊接后金属材料的不均匀性，劣势和缺陷，材料科学的三个基本假设;连续性假设，均匀性假设和各向同性假设不再满足，这就需要应用断裂力学理论。断裂力学的任务是利用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学的方法来解决构件的裂纹问题，从构件中存在宏观微裂纹的事实出发。也就是说，裂纹尺寸，工作应力以及材料抵抗裂纹的能力（即裂纹张开位移CTOD断裂韧性值）在组件中定量相关，并且安全性和寿命测试分析和评估。

断裂力学的发展定义了“裂纹尖端开口位移（CTOD）”，可准确评估焊接接头的韧性。 1991年，英国焊接研究所提出了标准BS7448 Part1，该标准为金属材料提供了关键的CTOD，J积分和KIC测试方法。在1997年，BS7448第二部分的第二部分被提出用于焊接金属材料的KIC，用于临界CTOD和J积分的方法，补充BS7448 Part1关于焊接接头性能的不均匀性以及残余应力存在的特性，目前工程界已在国际上认可该特性。 ，用于确定焊接接头CTOD断裂韧性值的测试标准。

随后，2000年，英国标准局发布了BS7910-1999“金属结构缺陷验收评估指南”。它使用基于断裂力学的失效评估图（FAD）来评估金属结构中的缺陷。根据BS7448第二部分的试验方法，美国石油学会在API 1104“管道焊接及相关设施”标签中增加了附录A，并提出了管道焊接接头的CTOD值。 DNV-OS-401还在项目验收评估中提交了CTOD值的评估和验收标准，以便对焊后热处理的大型结构部件进行工程评估。 CTOD值实际上与母材，焊丝，助焊剂，焊接工艺，焊接方法，焊接结构尺寸等的焊接有关厚度和其他因素与材料的抗开裂综合参数和性能指标有关。

中国的大量焊接工人已经应用CTOD断裂韧性测试来评估焊接安全性。在海上石油平台建设中，海洋石油工程有限公司采用CTOD断裂韧性试验评估了焊缝的低温断裂韧性。试验结果表明，EH36钢电极弧焊，单丝埋弧焊和双丝SAW三种焊接工艺中，大多数试样在低温下的断裂韧性值均可接受，焊接接头和热影响区均为合格。焊接接头的评估可以在没有焊后热处理的情况下使用，缩短海洋平台结构的制造周期降低了制造成本。飞利浦石油公司和DNV DNV对整个测试工作给予了高度评价。

根据欧洲共同体结构完整性评估方法（SINAP）的要求，天津大学应用CTOD测试方法评估海底油气管道的安全性，并根据测试结果得出了肯定的结论。

武汉理工大学和中国船级社通过 CTOD 值，评定从二种不同的无热时效处理的焊接工艺中确定出最佳焊接工艺。

天津大学根据 CTOD（裂纹间断张开位移）试验结果，先后采用英国标准协会提出的 BS7910 标准和欧共体提出的结构完整性评定方法 SINTAP，针对 EH36 管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行评定。

清华大学对常用桥梁钢 Q370qE 和 Q345qD 钢进行 CTOD 试验，分别计算材料在脆断、韧脆破坏和韧性破坏时的 CTOD 值，作为修订常规冲击韧度标准的依据。

清华大学童莉葛和中国石油天然气管道科学研究院白世武、刘方能，建立预测高强度管线钢（X70）焊接接头性能参数裂纹尖端张开位移（CTOD）的 BP 神经网络模型，为焊接工艺参数优化提供有效手段。

以 Class600，20in 全焊接阀体管线球阀 44mm 厚圆筒状阀体焊接接头为例，根据 API 1104 附录 A 和 DNV-OS-401 的标淮和 CTOD 的试验结果，评定该埋弧焊焊接接头具备可免焊后热处理的条件是充分的。

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