一，導言

石油和天然氣輸送管道是能源供應線。生產(chǎn)線上的緊急切斷閥是一個全焊接的閥體管道球閥，其免維護使用壽命超過30年。但服務條件非常糟糕：從北極圈到赤道，從高原到海底，從沙漠到荒地;通過地震帶，沼澤，凍土，河流，湖泊和斜坡;有豎立，直接埋在地下在野外，沒有人在操作，維護很困難。它不僅能承受管道的內(nèi)部壓力，還能承受地基沉降，泥石流和地震等外部載荷，管道溫度應力以及地下水的潛在腐蝕和應力腐蝕。

所有焊接閥體的焊接接頭通常設計用于窄規(guī)格厚壁埋弧焊，如Class600,20in球閥，44mm焊接壁厚，C1ass900,48in球閥，焊接壁厚140mm。它是一種厚度大的管狀焊接接頭。厚壁多層焊接工藝是金屬材料反復加熱和冷卻的過程，導致焊接接頭結(jié)構(gòu)的不均勻和劣化，導致高的殘余應力和均勻的焊接缺陷。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合物。四氟乙烯塑料，不能進行焊后熱處理。

另外，在閥體焊接接頭的設計中，為了對準和定位，在焊縫根部有一個環(huán)形裝配間隙，在內(nèi)壓下會產(chǎn)生幾倍的正常工作應力集中。外部負荷。這也使工程師難以處理。

因此，閥體焊接接頭的根部間隙處的應力集中，殘余應力和結(jié)構(gòu)的不良組織成為閥體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，這是國內(nèi)外閥門行業(yè)關注的問題，但是沒有任何關于解決這個問題的報告。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)邊界完整性的隱患。

根據(jù)美國在20世紀90年代的統(tǒng)計，焊接接頭的損失造成經(jīng)濟損失達到國民經(jīng)濟的5％。在金屬材料焊接的大量失效中，分析結(jié)果表明，焊接接頭的大部分失效是由金屬材料的韌性不足引起的。在焊接過程中，接頭中的金屬材料迅速熔化并凝固，周圍的金屬結(jié)合力產(chǎn)生殘余應力，金屬材料反復經(jīng)歷熔化 - 凝固相變過程，形成粗大的柱狀晶粒。并且產(chǎn)生諸如沉淀，夾雜物，孔隙和微裂紋之類的缺陷，從而最初是材料性生活明顯減少。由于干事故的復雜性，很難預測結(jié)構(gòu)因某種原因而失效。然而，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燥材料的韌性不足和微小缺陷引起的疲勞裂紋造成的。由持續(xù)擴張引起。

由于焊后金屬材料的不均勻性，劣勢和缺陷，材料科學有三個基本假設;不滿足連續(xù)性假設，均勻性假設和各向同性假設，這需要應用斷裂力學理論。斷裂力學的任務是通過線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學方法解決構(gòu)件的裂紋問題。也就是說，裂紋尺寸，工作應力和材料抵抗裂紋的能力（即，裂紋尖端開口位移CTOD斷裂韌性值）是定量連接的，并且包含微裂紋和結(jié)構(gòu)的下部接頭的接頭是安全的壽命測試分析和評估。

斷裂力學學科的發(fā)展定義了一個“裂紋尖端開口位移”（CTOD），可以準確地評估焊接接頭的韌性。 1991年，英國焊接該研究所提出了標準BS7448 Part1，它給出了金屬材料的臨界CTOD，J積分和KIC的測試方法。 1997年，提出了標準的第二部分，BS7448第II部分，“確定焊接金屬材料KIC，臨界CTOD和J積分的方法”，其目的是在每個部分的性能不均勻性和殘余應力。焊接接頭。 BS7448第1部分有補充規(guī)定，這是目前國際公認的測定焊接接頭CTOD斷裂韌性值的測試標準。

隨后，在2000年，英國標準局公布了BS7910-1999“金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗收指南”，該指南使用基于斷裂力學原理的失效評估圖（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，美國石油協(xié)會在API 1104“管道焊接及相關設施”的標準中增加了附錄A，并提出了管道焊接接頭的CTOD值的驗收。 DNV-OS-401在挪威船級社在目的驗收評估中，還提出了CTOD值的評估驗收標準，以便可以對大型結(jié)構(gòu)件進行焊后熱處理以進行工程評估。 CTOD值實際上與焊接母材，焊絲，焊劑，焊接工藝，焊接方法，焊縫結(jié)構(gòu)尺寸和厚度等有關。它是材料抗裂性能的綜合參數(shù)和性能指標。

中國的大量焊接工人已應用CTOD斷裂韌性測試來評估焊接安全性。在海上石油平臺建設中，海洋石油工程有限公司應用CTOD斷裂韌性試驗來評價焊縫的低溫斷裂韌性。試驗結(jié)果表明，EH36鋼電極電弧焊和單絲埋弧焊無焊后熱處理雙絲埋弧焊三種焊接方法的焊接接頭和熱影響區(qū)，大多數(shù)試樣的斷裂韌性值在低溫下是合格的，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，整個測試工作得到了飛利浦石油公司的好評。美國和DNV挪威船級社。

根據(jù)歐洲共同體結(jié)構(gòu)完整性評估方法（SINAP）的要求，天津大學應用CTOD試驗方法評估了海底油氣管道的安全性，并在試驗結(jié)果的基礎上得出了積極的結(jié)論。

武漢理工大學和中國船級社通過CTOD值評估了兩種不同的非熱老化處理的最佳焊接工藝。

天津大學基于CTOD（核心中斷開放位移）測試試驗結(jié)果通過英國標準協(xié)會提出的BS7910標準和歐盟提出的EH36管線鋼焊接接頭焊趾表面裂紋的結(jié)構(gòu)完整性評估方法SINTAP進行評估。

清華大學對普通橋梁鋼Q370qE和Q345qD鋼進行了CTOD試驗，分別計算了脆性斷裂，韌脆性和韌性破壞中材料的CTOD值，作為修正常規(guī)沖擊韌性標準的依據(jù)。

清華大學的李立格和中國石油管道科學研究院的白世武，劉方能建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用于預測高強度管線鋼（X70）焊接接頭的裂紋尖端開口位移（CTOD），為焊接工藝參數(shù)。有效的手段。

以Class600,20in全焊接閥體球閥44mm厚圓柱閥體焊接接頭為例。根據(jù)API 1104附錄A和DNV-OS-401標準和CTOD的測試結(jié)果，評估了埋弧焊接頭。焊后熱處理的條件是充分的。