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摘要： 为了科学有效地评估全焊接管线球阀的安全性，同时为免除焊接接头焊后热处理提供依据，介绍了一种评价全焊接管线球阀焊接接头安全性的方法：裂纹尖端张开位移（CTOD）断裂韧性试验方法。根据试验得到的CTOD值及球阀的相关参数，并采用API Std 1104-2008标准附录A和BS7910所介绍的“焊接结构中缺陷的可接受性评定方法”，对焊接接头的安全性进行评估，得出评估曲线及评估点，直观展示评估结果。评估结果对焊接接头免除焊后热处理的可能性提供依据。
关键词： 全焊接管线球阀；焊接接头免焊后热处理；裂纹尖端张开位移（CTOD）
中图分类号： TG441.8
Abstract： CTOD testing is applied to assess safety of fully-welded pipeline ball valve’s welds in this paper，in order to assess safety of fully-welded pipeline ball valve’s welds scientifically and effectively， as well as applying evidence to avoid PWHT （post-welded heat treatment） for welded joints. The safety and acceptability of the welds are assessed based on their CTOD values and some parameters. At the same time， “Acceptable assessing method of welding structure defects” introduced by Appendix A， API Std 1104-2008 and BS7910 is adopted. Assessing curve and assessing point are shown intuitively. It is a reliable and scientific methodology for the design and manufacture of fully-welded pipeline ball valve without PWHT.
Key words： fully-welded pipeline ball valve； welds without post-welded heat treatment （PWHT）； crack tip opening displacement （CTOD）
0 前言
能源输送管线作为我国石油、天然气等能源运输的主要途径，它的安全性至关重要，管线上的紧急切断阀同样是十分重要的环节。紧急切断阀多为全焊接阀体管线球阀，该阀既要承受内部压力，又要承受外部载荷，而泥石流、地震以及各种腐蚀情况时有发生，因此该阀的工作环境十分恶劣。工程上要求球阀具有30年以上的无维护使用寿命，安全评估就显得越发重要了[1]。
本文中评估所用的管线球阀是湛江南海西部石油合众近海建设有限公司某工程中铺设的油气管线中十分关键的环节，球阀壁厚103 mm，压力等级为Class 900。该球阀所承受的内压外载情况恶劣，安全问题非常重要，因此安全评估尤为必要。
1阀体特点
全焊接阀体的焊接一般应用窄间隙厚壁埋弧焊，厚壁埋弧焊在焊接过程中要多层焊接，该过程是金属材料多次反复加热和冷却的过程，导致焊接接头组织的不均匀性和劣质化，产生较高的残余应力，甚至焊接缺陷。另外，在工作压力下，由于焊缝根部的环形装配缝隙，将导致焊缝根部产生远高于工作应力的应力集中。厚壁焊缝的焊接残余应力已达到阀体材料屈服强度，危及阀体结构安全。
因此，根据标准要求通过焊后热处理，可细化焊缝及热影响区晶粒，降低焊接残余应力值，提高焊接结构断裂韧性。但由于全焊接阀体球阀尺寸通常较大，且体腔内有非金属密封材料橡胶和四氟塑料，不宜高温处理，不能进行焊后热处理，所以需要研究免除焊后热处理的可能性[2]。
通过对大量金属材料焊接结构失效事故进行分析，发现大部分的失效是金属材料韧性不足造成的。当然，由于事故的复杂性，预言某种结构因某种原因失效是困难的，但从统计学角度分析，大部分的破坏是由于材料的韧性不足，有微小缺陷引发疲劳裂纹，并持续扩展造成的。
通过对标准的解读，可以认为，只要遵循断裂力学的设计理念，BS7448[3]的试验规范，DNV-OS-401[4]的评价标准，提出一个适用于全焊接阀体管线球阀焊接接头免除焊后热处理的有效解决方案，即使壁厚大于标准规定的38 mm，接头依然可以免除热处理。
2相关标准
国外一些相关标准对焊接接头的测试给出了明确的规定。1991年，英国焊接研究所提出标准BS7448PartI，规定了金属材料的临界CTOD、J积分和KIC的试验方法。1997年，又提出该标准的第二部分BS7448PartII，针对焊接接头中各区域性能不均匀性和存在残余应力等特征进行了补充规定，这就是目前国际上被工程界普遍认可的，测定焊接接头CTOD断裂韧性值的试验标准。2000年英国标准局发表了BS7910—1999，该标准采用基于断裂力学原理的失效评定图（FAD）来评定金属结构中的缺陷[5]。美国石油学会根据BS7448PartII的试验方法，在API1104的标准中增加了附录A，提出管道焊接接头CTOD值的验收标准[6]。CTOD值实际上是与焊接母材、焊丝、焊剂、焊接工艺、焊接方法、焊缝结构尺寸和厚度等因素有关，是一个材料抵抗裂纹能力的综合参数和性能指标。 3安全评价方法介绍
本文依据API Std 1104—2008“管道及有关设施的焊接”标准附录A和BS7910“焊接结构中缺陷的可接受性评定方法”，安全评价共分为3个等级，随评价等级的提高，评价结果的保守度降低，当然，所需要的关于结构和材料的相应数据的完备性和准确性也随之增加。
本文采用二级评价方法。二级评价方法以断裂力学为基础，主要采用失效评定曲线FAD图（Failure Assessment Diagram）方法进行分析，所秉承的评价思路为将结构的抗裂能力和在实际承载条件下裂纹的启裂能力加以比较。
该方法需要确定3个关键参量，如图1所示：①失效评定曲线FAC（Failure Assessment Curve）；②应力比（载荷比）Lr；③韧性比Kr。
其中FAD图的横坐标是从力学性能的角度来进行度量——它表征了结构趋向于塑性失效破坏的程度，而FAD图的纵坐标则是从断裂韧性的角度来进行度量——它表征了裂纹在实际负载作用趋向于失稳扩展的程度。
通过对含缺陷结构实际承受的载荷，以及缺陷所在位置处材料的性能等进行分析，通过计算，得出评价点的横坐标和纵坐标，从而确定评价点在FAD图的位置，通过比较评价点与评定曲线的位置确定缺陷是否可以接受。当评价点位于评定曲线与坐标轴所包围的区域时，缺陷是可以接受的，如果评价点落在评定曲线上或评定曲线以外的区域，则缺陷不可以接受。
4应用评估
本文以压力等级为Class 900的103 mm厚球形阀体焊接接头为例，通过测定焊接接头断裂韧性CTOD试验值，依据API Std 1104—2008标准，对带环焊缝球阀进行安全性评价分析，判断该结构的安全性。按照ASME VIII-1附录12[7]，以无损检测的验收要求允许的最大缺陷，裂缝深度a为6 mm，长度2c为19 mm，作为本分析的初始裂缝。经有限元分析，球阀轴颈处局部一次薄膜应力σa=130 MPa。其他数据如表1所示。
4.1球阀焊接接头断裂韧度
4.1.1试验方法
焊接接头断裂韧度根据CTOD试验实测来确定。试验过程严格遵守BS7448标准，试样厚度B=60 mm，宽度W=120 mm，长度L=4×140+20=580 mm，试样为贯穿厚度试样。确定缺口位置，参照英国BS7448标准标记切割加工线，并且要求保证切割线所在平面与试样切割面的垂直角度为90°±5° 。焊缝试件划在焊缝金属区的正中间位置（WC L） ；对HAZ试件，由于采用V形坡口、多层焊接，加上实际接头熔合线的不规则性，要保证疲劳裂纹尖端距熔合线的距离不超过05 mm非常困难。经分析，最优的方案是过B/2线与熔合线交点划线。
预制疲劳裂纹之前采用局部压缩方法减少焊缝中心处残余应力，保证裂纹前缘形状合理。之后采用300 kN高频疲劳试验机在室温（25 ℃）下预制疲劳裂纹，保证裂纹总长度在（0.45～0.7）W的有效范围内。
CTOD试验是在2 000 kN万能材料试验机上进行的，将试样在低温箱中保温，试验温度为-40 ℃，保温时间30 min，到时间后开始试验。在进行了试样有效性判断后，得到CTOD值如表2所示。
4.1.2试验结果
焊缝和热影响区的断裂韧度CTOD（δ）试验结果如表2所示。
参照DNV-OS-C401标准，CTOD值大于0.15 mm为合格，表1中CTOD结果均大于0.15 mm，符合标准。焊接接头断裂韧度最小值为0.161 0 mm，位于热影响区部位。因此在本文中，出于安全因素考虑，选取该最小CTOD值作为评价分析中断裂韧度值的依据[8，9]。
4.2残余应力
焊接残余应力是由于在焊接时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近区域的温度急剧升高，不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，导致残余应力的出现。
根据阀体材料及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数，采用热弹塑性有限元法计算全焊接阀体的焊接残余应力，得到阀体最大焊接残余应力达到405 MPa，远大于材料的屈服强度275 MPa。
4.3安全评价分析与计算
其中，δmat即为试验测得的CTOD值，需要说明的是，断裂韧度值的选取考虑1.5倍的安全系数，即δmat=0.161 0 mm/1.5 =0.107 3 mm。1.5的安全系数是根据DNV推荐考虑裂纹尖端的拘束。
由图3可以看出，评定点（0.474，0.745）位于失效评定曲线与坐标轴包围的区域内，因此可以认定此时该球阀是安全的，即可认定免除焊后热处理工艺是安全可靠的。
5结论
（1）焊接接头根部结构上装配缝隙存在应力集中，进行CTOD试验，检验接头的断裂韧性是必要的。
（2）试验结果表明，焊缝热影响区的最小CTOD值为0.161 0 mm，大于API1104附录A的0.125 mm和DNV-OS-C401的0.15 mm的要求，经安全评估分析，ASME VIII-1附录12中对无损检测的验收要求允许的最大缺陷在此CTOD值下是安全的，免除焊后热处理的依据是充分的。
参考文献
[1]邬佑靖，徐泽亮. 全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估[J].通用机械，2010（2）：98-99.
[2]邬佑靖.管线球阀的技术现状及发展方向[J]阀门，2007（6）：22-23
[3]BS7448—1997.Fracture mechanics toughness tests. Part2. Method for determination of KIC， critical CTOD and critical J value of welds in metallic material[S].
[4]DNV-OS-401—2001. Fabrication and testing of offshore
structure[S].
[5]BS7910—1999. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].
[6]API1104—1996. Welding of pipeline and related facilities[S].
[7]ASME VIII—2010. Boiler and pressure vessel codes[S].
[8]曹军，李小巍，温志刚.CTOD断裂韧度试验在海洋平台建造中的应用[J].中国海上油气，2004，16（2）：129-131.
[9]苗张木，蒋军，彭永春.用裂纹尖端张开位移法评价焊接接头韧性[J].焊管，2003（11）：17-19.
收稿日期： 2014-06-10
吴星东简介： 1968年出生，工程师；从事海洋工程结构和工艺管线的焊接及腐蚀研究工作；wuxingdong@cnooc.com.cn。
关键词： 全焊接管线球阀；焊接接头免焊后热处理；裂纹尖端张开位移（CTOD）
中图分类号： TG441.8
Abstract： CTOD testing is applied to assess safety of fully-welded pipeline ball valve’s welds in this paper，in order to assess safety of fully-welded pipeline ball valve’s welds scientifically and effectively， as well as applying evidence to avoid PWHT （post-welded heat treatment） for welded joints. The safety and acceptability of the welds are assessed based on their CTOD values and some parameters. At the same time， “Acceptable assessing method of welding structure defects” introduced by Appendix A， API Std 1104-2008 and BS7910 is adopted. Assessing curve and assessing point are shown intuitively. It is a reliable and scientific methodology for the design and manufacture of fully-welded pipeline ball valve without PWHT.
Key words： fully-welded pipeline ball valve； welds without post-welded heat treatment （PWHT）； crack tip opening displacement （CTOD）
0 前言
能源输送管线作为我国石油、天然气等能源运输的主要途径，它的安全性至关重要，管线上的紧急切断阀同样是十分重要的环节。紧急切断阀多为全焊接阀体管线球阀，该阀既要承受内部压力，又要承受外部载荷，而泥石流、地震以及各种腐蚀情况时有发生，因此该阀的工作环境十分恶劣。工程上要求球阀具有30年以上的无维护使用寿命，安全评估就显得越发重要了[1]。
本文中评估所用的管线球阀是湛江南海西部石油合众近海建设有限公司某工程中铺设的油气管线中十分关键的环节，球阀壁厚103 mm，压力等级为Class 900。该球阀所承受的内压外载情况恶劣，安全问题非常重要，因此安全评估尤为必要。
1阀体特点
全焊接阀体的焊接一般应用窄间隙厚壁埋弧焊，厚壁埋弧焊在焊接过程中要多层焊接，该过程是金属材料多次反复加热和冷却的过程，导致焊接接头组织的不均匀性和劣质化，产生较高的残余应力，甚至焊接缺陷。另外，在工作压力下，由于焊缝根部的环形装配缝隙，将导致焊缝根部产生远高于工作应力的应力集中。厚壁焊缝的焊接残余应力已达到阀体材料屈服强度，危及阀体结构安全。
因此，根据标准要求通过焊后热处理，可细化焊缝及热影响区晶粒，降低焊接残余应力值，提高焊接结构断裂韧性。但由于全焊接阀体球阀尺寸通常较大，且体腔内有非金属密封材料橡胶和四氟塑料，不宜高温处理，不能进行焊后热处理，所以需要研究免除焊后热处理的可能性[2]。
通过对大量金属材料焊接结构失效事故进行分析，发现大部分的失效是金属材料韧性不足造成的。当然，由于事故的复杂性，预言某种结构因某种原因失效是困难的，但从统计学角度分析，大部分的破坏是由于材料的韧性不足，有微小缺陷引发疲劳裂纹，并持续扩展造成的。
通过对标准的解读，可以认为，只要遵循断裂力学的设计理念，BS7448[3]的试验规范，DNV-OS-401[4]的评价标准，提出一个适用于全焊接阀体管线球阀焊接接头免除焊后热处理的有效解决方案，即使壁厚大于标准规定的38 mm，接头依然可以免除热处理。
2相关标准
国外一些相关标准对焊接接头的测试给出了明确的规定。1991年，英国焊接研究所提出标准BS7448PartI，规定了金属材料的临界CTOD、J积分和KIC的试验方法。1997年，又提出该标准的第二部分BS7448PartII，针对焊接接头中各区域性能不均匀性和存在残余应力等特征进行了补充规定，这就是目前国际上被工程界普遍认可的，测定焊接接头CTOD断裂韧性值的试验标准。2000年英国标准局发表了BS7910—1999，该标准采用基于断裂力学原理的失效评定图（FAD）来评定金属结构中的缺陷[5]。美国石油学会根据BS7448PartII的试验方法，在API1104的标准中增加了附录A，提出管道焊接接头CTOD值的验收标准[6]。CTOD值实际上是与焊接母材、焊丝、焊剂、焊接工艺、焊接方法、焊缝结构尺寸和厚度等因素有关，是一个材料抵抗裂纹能力的综合参数和性能指标。 3安全评价方法介绍
本文依据API Std 1104—2008“管道及有关设施的焊接”标准附录A和BS7910“焊接结构中缺陷的可接受性评定方法”，安全评价共分为3个等级，随评价等级的提高，评价结果的保守度降低，当然，所需要的关于结构和材料的相应数据的完备性和准确性也随之增加。
本文采用二级评价方法。二级评价方法以断裂力学为基础，主要采用失效评定曲线FAD图（Failure Assessment Diagram）方法进行分析，所秉承的评价思路为将结构的抗裂能力和在实际承载条件下裂纹的启裂能力加以比较。
该方法需要确定3个关键参量，如图1所示：①失效评定曲线FAC（Failure Assessment Curve）；②应力比（载荷比）Lr；③韧性比Kr。
其中FAD图的横坐标是从力学性能的角度来进行度量——它表征了结构趋向于塑性失效破坏的程度，而FAD图的纵坐标则是从断裂韧性的角度来进行度量——它表征了裂纹在实际负载作用趋向于失稳扩展的程度。
通过对含缺陷结构实际承受的载荷，以及缺陷所在位置处材料的性能等进行分析，通过计算，得出评价点的横坐标和纵坐标，从而确定评价点在FAD图的位置，通过比较评价点与评定曲线的位置确定缺陷是否可以接受。当评价点位于评定曲线与坐标轴所包围的区域时，缺陷是可以接受的，如果评价点落在评定曲线上或评定曲线以外的区域，则缺陷不可以接受。
4应用评估
本文以压力等级为Class 900的103 mm厚球形阀体焊接接头为例，通过测定焊接接头断裂韧性CTOD试验值，依据API Std 1104—2008标准，对带环焊缝球阀进行安全性评价分析，判断该结构的安全性。按照ASME VIII-1附录12[7]，以无损检测的验收要求允许的最大缺陷，裂缝深度a为6 mm，长度2c为19 mm，作为本分析的初始裂缝。经有限元分析，球阀轴颈处局部一次薄膜应力σa=130 MPa。其他数据如表1所示。
4.1球阀焊接接头断裂韧度
4.1.1试验方法
焊接接头断裂韧度根据CTOD试验实测来确定。试验过程严格遵守BS7448标准，试样厚度B=60 mm，宽度W=120 mm，长度L=4×140+20=580 mm，试样为贯穿厚度试样。确定缺口位置，参照英国BS7448标准标记切割加工线，并且要求保证切割线所在平面与试样切割面的垂直角度为90°±5° 。焊缝试件划在焊缝金属区的正中间位置（WC L） ；对HAZ试件，由于采用V形坡口、多层焊接，加上实际接头熔合线的不规则性，要保证疲劳裂纹尖端距熔合线的距离不超过05 mm非常困难。经分析，最优的方案是过B/2线与熔合线交点划线。
预制疲劳裂纹之前采用局部压缩方法减少焊缝中心处残余应力，保证裂纹前缘形状合理。之后采用300 kN高频疲劳试验机在室温（25 ℃）下预制疲劳裂纹，保证裂纹总长度在（0.45～0.7）W的有效范围内。
CTOD试验是在2 000 kN万能材料试验机上进行的，将试样在低温箱中保温，试验温度为-40 ℃，保温时间30 min，到时间后开始试验。在进行了试样有效性判断后，得到CTOD值如表2所示。
4.1.2试验结果
焊缝和热影响区的断裂韧度CTOD（δ）试验结果如表2所示。
参照DNV-OS-C401标准，CTOD值大于0.15 mm为合格，表1中CTOD结果均大于0.15 mm，符合标准。焊接接头断裂韧度最小值为0.161 0 mm，位于热影响区部位。因此在本文中，出于安全因素考虑，选取该最小CTOD值作为评价分析中断裂韧度值的依据[8，9]。
4.2残余应力
焊接残余应力是由于在焊接时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近区域的温度急剧升高，不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，导致残余应力的出现。
根据阀体材料及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数，采用热弹塑性有限元法计算全焊接阀体的焊接残余应力，得到阀体最大焊接残余应力达到405 MPa，远大于材料的屈服强度275 MPa。
4.3安全评价分析与计算
其中，δmat即为试验测得的CTOD值，需要说明的是，断裂韧度值的选取考虑1.5倍的安全系数，即δmat=0.161 0 mm/1.5 =0.107 3 mm。1.5的安全系数是根据DNV推荐考虑裂纹尖端的拘束。
由图3可以看出，评定点（0.474，0.745）位于失效评定曲线与坐标轴包围的区域内，因此可以认定此时该球阀是安全的，即可认定免除焊后热处理工艺是安全可靠的。
5结论
（1）焊接接头根部结构上装配缝隙存在应力集中，进行CTOD试验，检验接头的断裂韧性是必要的。
（2）试验结果表明，焊缝热影响区的最小CTOD值为0.161 0 mm，大于API1104附录A的0.125 mm和DNV-OS-C401的0.15 mm的要求，经安全评估分析，ASME VIII-1附录12中对无损检测的验收要求允许的最大缺陷在此CTOD值下是安全的，免除焊后热处理的依据是充分的。
参考文献
[1]邬佑靖，徐泽亮. 全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估[J].通用机械，2010（2）：98-99.
[2]邬佑靖.管线球阀的技术现状及发展方向[J]阀门，2007（6）：22-23
[3]BS7448—1997.Fracture mechanics toughness tests. Part2. Method for determination of KIC， critical CTOD and critical J value of welds in metallic material[S].
[4]DNV-OS-401—2001. Fabrication and testing of offshore
structure[S].
[5]BS7910—1999. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].
[6]API1104—1996. Welding of pipeline and related facilities[S].
[7]ASME VIII—2010. Boiler and pressure vessel codes[S].
[8]曹军，李小巍，温志刚.CTOD断裂韧度试验在海洋平台建造中的应用[J].中国海上油气，2004，16（2）：129-131.
[9]苗张木，蒋军，彭永春.用裂纹尖端张开位移法评价焊接接头韧性[J].焊管，2003（11）：17-19.
收稿日期： 2014-06-10
吴星东简介： 1968年出生，工程师；从事海洋工程结构和工艺管线的焊接及腐蚀研究工作；wuxingdong@cnooc.com.cn。