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一，導(dǎo)言

石油和天然氣輸送管道是能源供應(yīng)線。生產(chǎn)線上的緊急切斷閥是一個(gè)全焊接的閥體管道球閥，其免維護(hù)使用壽命超過(guò)30年。但服務(wù)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(guò)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(méi)有人在操作，維護(hù)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(yīng)力以及地下水的潛在腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

所有焊接閥體的焊接接頭通常設(shè)計(jì)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(fù)加熱和冷卻的過(guò)程，導(dǎo)致焊接接頭結(jié)構(gòu)的不均勻和劣化，導(dǎo)致高的殘余應(yīng)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(jìn)行焊后熱處理。

另外，在閥體焊接接頭的設(shè)計(jì)中，為了對(duì)準(zhǔn)和定位，在焊縫根部有一個(gè)環(huán)形裝配間隙，在內(nèi)壓下會(huì)產(chǎn)生幾倍的正常工作應(yīng)力集中。外部負(fù)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(yīng)力集中，殘余應(yīng)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(guó)內(nèi)外閥門(mén)行業(yè)關(guān)注的問(wèn)題，但是沒(méi)有任何關(guān)于解決這個(gè)問(wèn)題的報(bào)告。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)邊界完整性的隱患。

根據(jù)美國(guó)在20世紀(jì)90年代的統(tǒng)計(jì)，焊接接頭的損失造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guò)程中，接頭中的金屬材料迅速熔化并凝固，周?chē)慕饘俳Y(jié)合力產(chǎn)生殘余應(yīng)力，金屬材料反復(fù)經(jīng)歷熔化 - 凝固相變過(guò)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(lèi)的缺陷，從而最初是材料性生活明顯減少。由于干事故的復(fù)雜性，很難預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)因某種原因而失效。然而，從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)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(kuò)張引起。

由于焊后金屬材料的不均勻性，劣勢(shì)和缺陷，材料科學(xué)有三個(gè)基本假設(shè);不滿足連續(xù)性假設(shè)，均勻性假設(shè)和各向同性假設(shè)，這需要應(yīng)用斷裂力學(xué)理論。斷裂力學(xué)的任務(wù)是通過(guò)線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)方法解決構(gòu)件的裂紋問(wèn)題。也就是說(shuō)，裂紋尺寸，工作應(yīng)力和材料抵抗裂紋的能力（即，裂紋尖端開(kāi)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(cè)試分析和評(píng)估。

斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展定義了一個(gè)“裂紋尖端開(kāi)口位移”（CTOD），可以準(zhǔn)確地評(píng)估焊接接頭的韌性。 1991年，英國(guó)焊接該研究所提出了標(biāo)準(zhǔn)BS7448 Part1，它給出了金屬材料的臨界CTOD，J積分和KIC的測(cè)試方法。 1997年，提出了標(biāo)準(zhǔn)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(gè)部分的性能不均勻性和殘余應(yīng)力。焊接接頭。 BS7448第1部分有補(bǔ)充規(guī)定，這是目前國(guó)際公認(rèn)的測(cè)定焊接接頭CTOD斷裂韌性值的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

隨后，在2000年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局公布了BS7910-1999“金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收指南”，該指南使用基于斷裂力學(xué)原理的失效評(píng)估圖（FAD）來(lái)評(píng)估金屬結(jié)構(gòu)中的缺陷。根據(jù)BS7448第二部分的試驗(yàn)方法，美國(guó)石油協(xié)會(huì)在API 1104“管道焊接及相關(guān)設(shè)施”的標(biāo)準(zhǔn)中增加了附錄A，并提出了管道焊接接頭的CTOD值的驗(yàn)收。 DNV-OS-401在挪威船級(jí)社在目的驗(yàn)收評(píng)估中，還提出了CTOD值的評(píng)估驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，以便可以對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊后熱處理以進(jìn)行工程評(píng)估。 CTOD值實(shí)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(guān)。它是材料抗裂性能的綜合參數(shù)和性能指標(biāo)。

中國(guó)的大量焊接工人已應(yīng)用CTOD斷裂韌性測(cè)試來(lái)評(píng)估焊接安全性。在海上石油平臺(tái)建設(shè)中，海洋石油工程有限公司應(yīng)用CTOD斷裂韌性試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)焊縫的低溫?cái)嗔秧g性。試驗(yàn)結(jié)果表明，EH36鋼電極電弧焊和單絲埋弧焊無(wú)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(píng)估可以在沒(méi)有焊后熱處理的情況下使用，縮短海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的制造周期降低了制造成本，整個(gè)測(cè)試工作得到了飛利浦石油公司的好評(píng)。美國(guó)和DNV挪威船級(jí)社。

根據(jù)歐洲共同體結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估方法（SINAP）的要求，天津大學(xué)應(yīng)用CTOD試驗(yàn)方法評(píng)估了海底油氣管道的安全性，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上得出了積極的結(jié)論。

武漢理工大學(xué)和中國(guó)船級(jí)社通過(guò)CTOD值評(píng)估了兩種不同的非熱老化處理的最佳焊接工藝。

天津大學(xué)基于CTOD（核心中斷開(kāi)放位移）測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的BS7910標(biāo)準(zhǔn)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(píng)估方法SINTAP進(jìn)行評(píng)估。

清華大學(xué)對(duì)普通橋梁鋼Q370qE和Q345qD鋼進(jìn)行了CTOD試驗(yàn)，分別計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

清華大學(xué)的李立格和中國(guó)石油管道科學(xué)研究院的白世武，劉方能建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于預(yù)測(cè)高強(qiáng)度管線鋼（X70）焊接接頭的裂紋尖端開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)和CTOD的測(cè)試結(jié)果，評(píng)估了埋弧焊接頭。焊后熱處理的條件是充分的。