石油和天然氣管道是一條能源供應(yīng)線。生產(chǎn)線上的緊急切斷閥是一種全焊接閥體球閥,需要30年以上的免維護(hù)使用壽命。但是,從北極圈到赤道,從高原到海底,從沙漠到荒地,以及通過(guò)地震帶,沼澤地,凍土層,河流,湖泊和山坡的服務(wù)條件非常糟糕:安裝,地下埋葬在野外,沒(méi)有人操作和維護(hù)很困難。管道內(nèi)部壓力和外部荷載,如地面沉降,泥石流和地震,管道溫度應(yīng)力,地下水潛在腐蝕和應(yīng)力腐蝕。
全焊接球閥閥體的焊接接頭通常設(shè)計(jì)用于窄間隙厚壁埋弧焊,如Class 600,20英寸球閥,焊接壁厚44 mm,C1ass900,48英寸球閥和焊接壁厚度為140毫米。用于大厚度管狀焊接接頭。厚壁多層焊接過(guò)程是金屬材料反復(fù)加熱和冷卻的過(guò)程,導(dǎo)致焊接接頭結(jié)構(gòu)的不均勻和質(zhì)量下降,導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力和甚至焊接缺陷。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乙烯。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,焊縫根部有一個(gè)環(huán)形裝配間隙用于對(duì)齊和定位。這種差距造成的應(yīng)力集中是內(nèi)部壓力和外部載荷下正常干燥工作應(yīng)力的幾倍。也使工程師難以處理。
因此,閥體焊接接頭的應(yīng)力集中,殘余應(yīng)力和根部間隙組織不良成為閥體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),引起國(guó)內(nèi)外閥門(mén)界的關(guān)注,但尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道發(fā)現(xiàn)解決這個(gè)問(wèn)題。該產(chǎn)品存在結(jié)構(gòu)完整性的隱患。
據(jù)美國(guó)在20世紀(jì)90年代的統(tǒng)計(jì),焊接接頭的失敗導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的5%。在金屬材料焊接結(jié)構(gòu)的大量故障中,分析結(jié)果表明焊接接頭的大部分故障是由于金屬材料的韌性不足造成的。接合處的金屬材料在焊接過(guò)程中迅速熔化并迅速凝固,由于周?chē)饘俚慕Y(jié)合力而產(chǎn)生殘余金屬應(yīng)力。金屬材料反復(fù)經(jīng)歷熔化 - 凝固相變過(guò)程以形成大的柱狀晶粒。 ,并產(chǎn)生沉淀,夾雜物,孔隙和微裂紋等缺陷,使材料早期形成明顯減少。 由于干事故的復(fù)雜性,由于某種原因很難預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的失效,但從統(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材料的韌性不足以及疲勞 微小缺陷造成的裂紋。 不斷擴(kuò)大造成的。
由于焊接后金屬材料的不均勻性,劣勢(shì)和缺陷,材料科學(xué)的三個(gè)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)不再滿足,這就需要應(yīng)用斷裂力學(xué)理論。斷裂力學(xué)的任務(wù)是利用線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的方法來(lái)解決構(gòu)件的裂紋問(wèn)題,從構(gòu)件中存在宏觀微裂紋的事實(shí)出發(fā)。也就是說(shuō),裂紋尺寸,工作應(yīng)力以及材料抵抗裂紋的能力(即裂紋張開(kāi)位移CTOD斷裂韌性值)在組件中定量相關(guān),并且安全性和壽命測(cè)試分析和評(píng)估。
斷裂力學(xué)的發(fā)展定義了“裂紋尖端開(kāi)口位移(CTOD)”,可準(zhǔn)確評(píng)估焊接接頭的韌性。 1991年,英國(guó)焊接研究所提出了標(biāo)準(zhǔn)BS7448 Part1,該標(biāo)準(zhǔn)為金屬材料提供了關(guān)鍵的CTOD,J積分和KIC測(cè)試方法。在1997年,BS7448第二部分的第二部分被提出用于焊接金屬材料的KIC,用于臨界CTOD和J積分的方法,補(bǔ)充BS7448 Part1關(guān)于焊接接頭性能的不均勻性以及殘余應(yīng)力存在的特性,目前工程界已在國(guó)際上認(rèn)可該特性。 ,用于確定焊接接頭CTOD斷裂韌性值的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。
隨后,2000年,英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布了BS7910-1999“金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收評(píng)估指南”。它使用基于斷裂力學(xué)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)石油學(xué)會(huì)在API 1104“管道焊接及相關(guān)設(shè)施”標(biāo)簽中增加了附錄A,并提出了管道焊接接頭的CTOD值。 DNV-OS-401還在項(xiàng)目驗(yàn)收評(píng)估中提交了CTOD值的評(píng)估和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),以便對(duì)焊后熱處理的大型結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行工程評(píng)估。 CTOD值實(shí)際上與母材,焊絲,助焊劑,焊接工藝,焊接方法,焊接結(jié)構(gòu)尺寸等的焊接有關(guān)厚度和其他因素與材料的抗開(kāi)裂綜合參數(shù)和性能指標(biāo)有關(guān)。
中國(guó)的大量焊接工人已經(jīng)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采用CTOD斷裂韌性試驗(yàn)評(píng)估了焊縫的低溫?cái)嗔秧g性。試驗(yàn)結(jié)果表明,EH36鋼電極弧焊,單絲埋弧焊和雙絲SAW三種焊接工藝中,大多數(shù)試樣在低溫下的斷裂韌性值均可接受,焊接接頭和熱影響區(qū)均為合格。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。飛利浦石油公司和DNV DNV對(duì)整個(gè)測(cè)試工作給予了高度評(píng)價(jià)。
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測(cè)試方法評(píng)估海底油氣管道的安全性,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出了肯定的結(jié)論。
武漢理工大學(xué)和中國(guó)船級(jí)社通過(guò) CTOD 值,評(píng)定從二種不同的無(wú)熱時(shí)效處理的焊接工藝中確定出最佳焊接工藝。
天津大學(xué)根據(jù) CTOD(裂紋間斷張開(kāi)位移)試驗(yàn)結(jié)果,先后采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的 BS7910 標(biāo)準(zhǔn)和歐共體提出的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法 SINTAP,針對(duì) EH36 管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進(jìn)行評(píng)定。
清華大學(xué)對(duì)常用橋梁鋼 Q370qE 和 Q345qD 鋼進(jìn)行 CTOD 試驗(yàn),分別計(jì)算材料在脆斷、韌脆破壞和韌性破壞時(shí)的 CTOD 值,作為修訂常規(guī)沖擊韌度標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。
清華大學(xué)童莉葛和中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院白世武、劉方能,建立預(yù)測(cè)高強(qiáng)度管線鋼(X70)焊接接頭性能參數(shù)裂紋尖端張開(kāi)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。
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(jù) API 1104 附錄 A 和 DNV-OS-401 的標(biāo)淮和 CTOD 的試驗(yàn)結(jié)果,評(píng)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。