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全焊接閥體管線球閥焊接接頭的安全評估

文檔作者：鄔佑靖徐澤亮文檔來源：上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月03日
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文章編號: 100225855 (2009) 0220017205
作者簡介:鄔佑靖(1937年- ) ,男,高級工程師,長期從事管線球閥的設(shè)計、制造和研究工作。
全焊接閥體管線球閥焊接接頭的安全評估
鄔佑靖,徐澤亮
(上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司,上海201206)
　　摘要　介紹了一種評價焊接接頭安全性的方法———裂紋尖端張開位移(CTOD )斷裂韌性試驗
方法,根據(jù)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(xué)依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞　全焊接閥體;管線球閥;焊接接頭免焊后熱處理;裂紋尖端張開位移(CTOD )
　　中圖分類號: TG44118　　　　文獻標(biāo)識碼:A
Assessing the safety of fully welded body pipeline ba ll va lve
WU You2jing, XU Ze2liang
(Shanghai N eles2Jam esbury V a lve Co. , L TD, Shangha i 201206, China)
Abstract:CTOD testing is app lied to assess safety of fully2w elded p ipeline ball va lve’s w e lds w ithout
PWHT ( Post2w e lded Heat Treatm ent) in this pape r. The CTOD values of the said w e lds a re m easured
according to BS7448, Fractu re m echanics toughness tes ts part 2, and the safety and accep tability of the
said w e lds are assessed based on their CTOD va lues, w hich comp lies w ith A PI 1104 A nnex A and
DNV 2OS 2401. It is a reliab le and scientif ic m ethodology for the des ign and m anufac ture of fu lly2w e lded
p ipeline ball va lve.
Key words: fully2w elded body; p ip eline ba ll va lve; w elds w ithou t pos t2w elded heat treatm ent
( PWHT) ; c rack tip open ing disp lacem ent (CTOD )
1　概述
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。該閥安裝在
野外,遠程操作,維護困難。閥門既承受管道內(nèi)部壓
力,又承受外部載荷,如地基沉降、泥石流、地震、管
道溫度應(yīng)力和地下水的電位腐蝕及應(yīng)力腐蝕等,工
況條件十分惡劣,要求具有30年以上的無維護使用
壽命。
2　閥體特點
全焊接閥體的焊接接頭一般均設(shè)計為窄間隙厚
壁埋弧焊。如Class 600 - 20 in1的球閥,焊接壁厚
為44mm。Class 900 - 48 in1球閥,焊接壁厚為140
mm。所以閥體焊接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(fù)加熱和冷卻的
過程,導(dǎo)致焊接接頭組織的不均勻性和劣質(zhì)化,產(chǎn)生
較高的殘余應(yīng)力,甚至產(chǎn)生焊接缺陷。焊接是閥體
組裝后的最后一道工序,體腔內(nèi)有非金屬密封材料
橡膠和四氟塑料,不能進行焊后熱處理。另外,在閥
體焊接接頭設(shè)計中,為對準(zhǔn)和定位,在焊縫根部存在
一條環(huán)形的裝配縫隙,這一縫隙在內(nèi)部壓力和外部
載荷作用下,將產(chǎn)生幾倍于正常工作應(yīng)力的應(yīng)力集
中,難于處理。因此,閥體焊接接頭的根部縫隙的應(yīng)
力集中、殘余應(yīng)力、組織劣質(zhì)化成為閥體結(jié)構(gòu)中的薄
弱環(huán)節(jié),成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)邊界完整性的一個隱患。
3　分析
通過對大量的金屬材料焊接結(jié)構(gòu)失效事故進行
分析,其結(jié)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
速熔融又快速凝固,受到周邊金屬約束力的作用產(chǎn)
生較大的殘余應(yīng)力,而金屬材料又多次反復(fù)經(jīng)歷熔
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融- 凝固的相變過程,形成粗大的柱狀晶粒,并產(chǎn)生
析出、夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷,使材料的韌性明
顯降低。由于事故的復(fù)雜性,預(yù)言某一結(jié)構(gòu)因某種
原因失效是困難的。但從統(tǒng)計學(xué)角度分析,大部分
焊接結(jié)構(gòu)的破壞是由于材料的韌性不足,由微小的
缺陷引發(fā)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(zhì)化和缺陷,
材料學(xué)中的3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)已不能滿足要求,這就需要應(yīng)用斷
裂力學(xué)的理論。斷裂力學(xué)的任務(wù)就是從構(gòu)件中存在
宏觀的微裂紋的事實出發(fā),用線彈性斷裂力學(xué)和彈
塑性斷裂力學(xué)的分析方法解決構(gòu)件的裂紋問題。即
把構(gòu)件中裂紋尺寸、工作應(yīng)力和材料抵抗裂紋的能
力(即裂紋尖端張開位移Crack Tip Opening Dis2
p lacement - CTOD斷裂韌性值)定量地聯(lián)系起來,對
含有微裂紋的構(gòu)件和組織劣質(zhì)化的接頭,其安全性
和壽命進行試驗分析與評估。此方法能準(zhǔn)確地評估
焊接接頭的韌性。
4　相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
國外一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭的測試給出了明
確的規(guī)定。1991 年,英國焊接研究所提出標(biāo)準(zhǔn)BS
7448 Part I,規(guī)定了金屬材料的臨界CTOD、J 積分
和KIC的試驗方法。1997年,又提出該標(biāo)準(zhǔn)的第二
部分BS 7448 Part II〔1〕,針對焊接接頭中各區(qū)域性能
不均勻性和存在殘余應(yīng)力等特征進行了補充規(guī)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斷裂韌性值的試驗標(biāo)準(zhǔn)。2000 年英國
標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)表了BS 7910 - 1999〔2〕,該標(biāo)準(zhǔn)采用基于
斷裂力學(xué)原理的失效評定圖( FAD)來評定金屬結(jié)
構(gòu)中的缺陷。美國石油學(xué)會根據(jù)BS 7448 Part II的
試驗方法,在AP I 1104〔3〕的標(biāo)準(zhǔn)中增加了附錄A,提
出管道焊接接頭CTOD值的驗收標(biāo)準(zhǔn)。挪威船級社
DNV - OS - 401〔4〕在工程項目的驗收評估中亦對
CTOD值提出一個評估驗收標(biāo)準(zhǔn),以便對大型結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)尺寸和厚度等因素有關(guān),是一個材料抵抗
裂紋能力的綜合參數(shù)和性能指標(biāo)。
5　應(yīng)用研究
國內(nèi)產(chǎn)品也應(yīng)用CTOD斷裂韌性試驗評定焊縫
安全性。如,在海洋石油平臺建造中,應(yīng)用CTOD斷
裂韌度試驗評價焊縫的低溫斷裂韌性〔5〕。在海底
油氣管道建造中,應(yīng)用CTOD試驗方法對安全性進
行評估〔6〕。在2種不同的無熱時效處理的焊接工藝
中,應(yīng)用CTOD 試驗方法確定出最佳焊接工藝〔7〕。
根據(jù)CTOD試驗結(jié)果,對EH36 管線鋼焊接接頭焊
趾處的表面裂紋進行評定〔8〕。對常用橋梁鋼
Q370qE和Q345qD進行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)沖擊韌性標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)〔9〕。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〔10〕。
筆者以Class 600 - 20 in1全焊接閥體管線球閥
44mm厚圓筒狀閥體焊接接頭為例,應(yīng)用有限元方
法分析計算了焊縫根部環(huán)形裝配縫隙的應(yīng)力集中。
對焊接過程閥體焊縫中焊接殘余應(yīng)力進行了三維熱
彈塑性數(shù)值模擬。由于結(jié)構(gòu)上的原因,閥體不能進
行熱處理來降低焊接殘余應(yīng)力,提高焊接接頭的韌
性。因此,參照英國BS 7448 PartⅡ的CTOD斷裂韌
性試驗方法,測定焊接接頭斷裂韌性CTOD試驗值,
來綜合評定焊接接頭的“止裂”性能是必要的,再根
據(jù)AP I 1104 附錄A和DNV - OS - 401的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。
6　影響閥體焊縫安全性的因素
611　焊縫根部應(yīng)力集中
從圖1中可以看到,由于全焊接球閥閥體裝配
對準(zhǔn)和定位要求,在焊縫根部存在一條環(huán)形裝配縫
隙,這將導(dǎo)致在閥體焊縫根部出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。
通過有限元分析計算, 20 in1 - 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(xiàn)較大應(yīng)力集中,其根部Von misese 應(yīng)力達到
275MPa, 已超過A105 材料的屈服強度σS =
250MPa,達到正常工作應(yīng)力3倍左右。
圖1　閥體焊縫結(jié)構(gòu)與焊縫根部應(yīng)力集中
612　焊縫殘余應(yīng)力分析
焊接殘余應(yīng)力是由于在施焊時,焊件上產(chǎn)生不
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均勻的溫度場,焊縫及其附近區(qū)域溫度急劇升高,不
均勻的溫度場產(chǎn)生的不均勻的膨脹,焊接殘余應(yīng)力
由此產(chǎn)生。而且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(qū)經(jīng)歷反復(fù)多次升溫- 冷卻,
造成該區(qū)域晶粒組織粗大,構(gòu)成焊接接頭韌性薄弱
區(qū)。
根據(jù)閥體材料及焊接電流和焊接速度等焊接工
藝參數(shù),可采用熱彈塑性有限元法計算全焊接閥體
的焊接殘余應(yīng)力、焊接殘余軸向應(yīng)力、焊接殘余環(huán)向
應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力沿焊縫厚度方向上的分布(圖
2、圖3) 。從圖可知,閥體的最大焊接殘余應(yīng)力達到
407MPa,遠遠超過A105 材料的屈服強度σS =
250MPa。最大焊接殘余軸向應(yīng)力及周向應(yīng)力均在
閥體厚壁圓筒焊縫中心位置的外表面,殘余應(yīng)力為
拉應(yīng)力,而內(nèi)表面為壓應(yīng)力。最大焊接殘余軸向、周
向計算應(yīng)力可達到A105 材料的抗拉強度σb =
480MPa〔11〕。
( a)有限元模型　( b)焊接殘余應(yīng)力
圖2　閥體有限元模型與焊接殘余應(yīng)力計算結(jié)果
( a)閥體軸向殘余應(yīng)力計算和測量值的比較　( b)閥體周向殘余應(yīng)力計算和測量值的比較　( c)閥體厚度方向的殘余應(yīng)力分布曲線
圖3　焊接殘余應(yīng)力沿不同方向的仿真分布結(jié)果與測試結(jié)果
　　在工作壓力下,由于焊縫根部的環(huán)形裝配縫隙,
將導(dǎo)致焊縫根部產(chǎn)生3倍于工作應(yīng)力的應(yīng)力集中。
厚壁焊縫的焊接殘余應(yīng)力已達到閥體材料抗拉強
度,危及閥體結(jié)構(gòu)安全。因此,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求通過焊
后熱處理,可細化焊縫及熱影響區(qū)晶粒,降低焊接殘
余應(yīng)力值,提高焊接結(jié)構(gòu)斷裂韌性。但由于全焊接
閥體球閥結(jié)構(gòu)的特殊性,全焊接閥體不能進行焊后
熱處理。需要研究有效的非熱時效方法〔12〕和焊接
接頭免焊后熱處理可能性的試驗方法與科學(xué)依據(jù)。
7　焊接要求
全焊接閥體材料通常采用ASTM A105, 20 in1 -
600Lb球閥焊縫厚度設(shè)計為44mm,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有不同
的要求。
(1)AP I 6D〔13〕
焊后熱處理根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)要求〔14〕所有經(jīng)過補
焊的鍛件都必須進行焊后熱處理,焊后熱處理溫度
在1 100 ) (593℃)與相變溫度之間,根據(jù)最大截面
厚度,其保溫時間為30min / in1,或替代以退火、正火
和回火處理,或淬火和回火處理。
(2)ASME V III - 1〔15〕
對于P - No. 1. 2 材料, 厚度超過11 /2 in1
(38mm)必須進行焊后熱處理。根據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)的分析,
當(dāng)閥體焊縫采用P - No. 1. 2 系列材料,厚度超過
11 /2 in1 ( 38mm)時,必須對焊縫進行焊后熱處理。
但是球閥通常選用橡膠或四氟塑料作為密封材料,
全焊接閥體球閥不能進行焊后熱處理。全焊接閥體
管線球閥的薄弱環(huán)節(jié)在于,由于結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的焊
縫根部應(yīng)力集中,以及球閥密封材料的限制,全焊接
閥體球閥不能進行焊后熱處理,不符合AP I 6D 和
ASME V III的要求,閥體焊接接頭成為球閥的最大
安全隱患。
通過對API和ASME標(biāo)準(zhǔn)解讀,可以認為,雖然
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定厚度大于38mm 焊縫必須進行焊后熱處
理,但只要設(shè)計時應(yīng)用先進的理論(斷裂力學(xué)) ,更
為精確的試驗規(guī)范(BS 7448 Part II) 和評價標(biāo)準(zhǔn)
(AP I 1104附錄A,DNV - OS - 401,BS 7910) ,提出
一個全新的工程解決方案,應(yīng)用于獨特場合(全焊
接閥體管線球閥焊接接頭免焊后熱處理) ,這仍然
符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基本精神。
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8　CTOD試驗
811　試驗方法
根據(jù)BS 7448 PartⅡ試驗標(biāo)準(zhǔn),并參照AP I 1104
及DNV - OS - 401相關(guān)要求,以CTOD斷裂韌性值
來評價全焊接閥體焊接接頭免焊后熱處理的安全
性。試樣厚度B = 18mm,寬度W = 36mm,長度L = 4
×36 + 20mm,裂紋長度a≈ (0104～0155)W。用疲
勞試驗機預(yù)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(tǒng)和控制程序進
行試驗,采用(0. 001μm)高精度數(shù)字讀數(shù)顯微鏡測
定裂紋的擴展量。按標(biāo)準(zhǔn)確認的多試樣法求得臨界
開裂的缺口張開位移量δc (或δ0105 ) 。
812　試驗結(jié)果
CTOD試驗系統(tǒng)及完成加載試驗后得到焊縫
CTOD試樣(圖4、表1) 。試驗所獲得的焊縫區(qū)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的啟裂點CTOD值δc 直接測量
獲得,臨界CTOD值δ0105用多試樣CTOD試驗回歸
線與裂紋擴展量0105mm垂直線的交點確定,突進
點的CTOD值δm 由試驗直接測量獲得。焊縫的啟
裂點CTOD 值δc 和臨界CTOD 值δ0105 用多試樣
CTOD 試驗回歸線與裂紋擴展量0100mm 及
0105mm垂直線的交點確定,突進點的CTOD值δm
由試驗直接測量獲得。
表1　CTOD 測試結(jié)果
δc
/mm δ0105 /mm δm /mm
熱影響區(qū)0. 197 0. 24 0. 53
焊縫0. 196 0. 23 0. 91
813　安全評價
參照DNV - OS - C401 (挪威船級社) 標(biāo)準(zhǔn),
CTOD 值大于0115mm 為合格。開發(fā)工藝接頭的實
測δc 皆大于0115mm, 表明接頭可以在不進行熱時
效處理的情況下使用。
參照A PI 1104附錄A, 其給出了CTOD 值分別
為01005in1 ( 011225mm ) 和0101in1 ( 01245mm ) 時
允許缺陷尺寸與許用應(yīng)變的關(guān)系如圖5所示。從圖
中可知, CTOD 值越大, 焊縫斷裂韌性越好, 所允
許缺陷尺寸可增大。在圖5中根據(jù)全焊接閥體焊接
接頭最小CTOD 值等于01197mm ( 010078 in1) 時
最大許用軸向應(yīng)變與允許缺陷尺寸之間的曲線。
20 in1 - 600L b全焊接閥體球閥按額定工作壓
強的115倍計算, 最大主應(yīng)力為15M Pa, 通過有限
元計算可得最大軸向應(yīng)變?yōu)?28με ( 即
01000728ε) , 如按A PI 1104 附錄A 所給出的最小
可接受CTOD = 01005 in1 ( 01127mm ) 考慮, 最大
缺陷尺寸限為013 in1 ( 716mm ) 。實測CTOD =
01008 in1 ( 01196mm ) , 其對應(yīng)的缺陷允許尺寸為
0145 in1 (1114mm ) , 按JB 4730 - 94 I級壓力容器
要求執(zhí)行, 允許缺陷尺寸為低于0115 in1
(31765mm ) , 因此實際接頭仍具有相當(dāng)高的安全裕
度。
全焊接閥體焊縫無損探傷按JB 4730 - 94的Ⅰ
級壓力容器要求執(zhí)行, 其要求焊縫缺陷尺寸小于
0115 in1 ( 31675mm ) 。因此, 當(dāng)全焊接閥體焊接接
頭滿足CTOD 斷裂韌性值大于01005 in1
(01127mm ) , 焊縫無損探傷滿足JB 4730 - 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。
9　結(jié)語
(1) 焊接接頭根部結(jié)構(gòu)上裝配縫隙存在應(yīng)力
集中, 進行CTOD 試驗, 檢驗接頭的斷裂韌性是
必要的。
(2) 試驗結(jié)果表明焊縫熱影響區(qū)的最小
CTOD 值為01196mm, 大于A PI 1104 附錄A
01125mm 和DNV - OS - C401 0115mm 的要求,
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焊縫經(jīng)無損探傷滿足JB 4730 - 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性
值, 作為免焊后熱處理的依據(jù)是充分的。
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(收稿日期: 2008109122)
書訊
11《英漢閥門工程詞匯》———本書由北京科學(xué)技術(shù)出版社1989年出版發(fā)行。本書廣泛收集了
閥門、管道工程中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、材料、設(shè)計、制造工藝、檢測、質(zhì)量管理和應(yīng)用等方面的專業(yè)詞匯及
有關(guān)方面縮略語。編輯中特別注重某些詞匯在閥門工程中的專用詞意和特定用法, 同時注意了與閥
門工程關(guān)聯(lián)詞匯的收集范圍, 因而使本詞匯具有閥門工程的特點。全書共收詞兩萬余條, 內(nèi)容充
實, 譯詞準(zhǔn)確、可靠, 可供從事閥門設(shè)計、生產(chǎn)、研究和使用的科技人員、其他行業(yè)有關(guān)人員和大
專院校師生使用。書號ISBN 7 - 5304 - 0495 - 4 /Z1232, 定價20100元/冊。
21《閥門手冊(第二版) 》———本書由中國石化出版社2005 年出版發(fā)行, [美] Ph ilip
L 1Skousen著, 孫家孔譯。本書全面系統(tǒng)地介紹了閥門的基礎(chǔ)知識、閥門種類和閥門應(yīng)用等方面內(nèi)
容。具體內(nèi)容包括: 閥門介紹、閥門選用準(zhǔn)則、手動閥門、控制閥、手動控制器和執(zhí)行機構(gòu)、靈活
閥門及定位器、確定閥門尺寸、確定執(zhí)行機構(gòu)尺寸和常見閥門問題等。本書可作為閥門使用維修人
員以及設(shè)備管理和工程技術(shù)人員的工具書, 也可作為閥門設(shè)計人員和從事壓力容器、管道設(shè)計人員
的參考書。書號ISBN 7 - 80164 - 896 - X, 定價55100元/冊。
31《實用閥門設(shè)計手冊(第2版) 》———本書是2002版《實用閥門設(shè)計手冊》的修訂版。在
技術(shù)內(nèi)容上更加充實和實用。本書共10章, 主要介紹了閥門的分類、名詞術(shù)語、型號編制、壓力
損失及主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)要素、配合精度和表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)、材料及選用、設(shè)計計算和設(shè)計數(shù)據(jù)、零
部件及選用原則、驅(qū)動裝置、檢驗和試驗方法等。書中圖、表、公式、數(shù)據(jù)資料齊全, 包括我國現(xiàn)
行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、國際通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)計方法, 查找方便。本書可供從事閥門設(shè)計、安
裝調(diào)試、使用與維修工作的技術(shù)人員參考, 也可供相關(guān)專業(yè)院校師生參考。本書由陸培文主編, 機
械工業(yè)出版社出版。書號: ISBN 978 - 7 - 111 - 21599 - 8, 定價188100元/冊。
每冊加收書價10%的郵寄包裝費, 需要者, 請與沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)開發(fā)大路15號沈陽閥門
研究所科技開發(fā)信息中心的尹玉杰聯(lián)系, 郵編: 110142, 電話: 024 - 25653780。
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2009年第 2期

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