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永嘉鴻宇閥門有限公司
主營產(chǎn)品： 液動均壓放散閥,電動兩路分料閥門,電動眼鏡閥盲板閥 |
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2014-5-13 閱讀(4030)
摘要：介紹了一種評價全焊接閥體管線球閥焊接接頭安全性的方法，根據(jù)焊接接頭斷裂韌度 CTOD 試驗(yàn)值,，對埋弧焊焊接接頭免焊后熱處理的可能性進(jìn)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),。
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，要求 30 年以上的無維護(hù)使用壽命,。但服役條件卻十分惡劣：從北極圈到赤道,，從高原到海底，從沙漠到荒原,；其間穿過地震帶,、沼澤地、凍土層,、江河,、湖泊和山坡；有架設(shè)的,，有直埋地下的,；在野外，無人操作,，維護(hù)困難．既承受管道內(nèi)部壓力,，又承受外部載荷，如地基沉降,、泥石流和地震,，管道溫度應(yīng)力以及地下水的電位腐蝕、應(yīng)力腐蝕,。
全焊接閥體的焊接接頭一般均設(shè)計(jì)為窄間隙厚壁埋弧焊,，例如 Class600，20in 的球閥,，焊接壁厚為 44mm,，C1ass900，48in 的球閥,，焊接壁厚為 140mm。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)生較高的殘留應(yīng)力,，甚至產(chǎn)生焊接缺陷,。焊接又是該產(chǎn)品組裝后的zui后一道工序，閥腔內(nèi)有非金屬密封材料橡膠和聚四氟乙烯塑料,，不能進(jìn)行焊后熱處理,。
另外，在閥體焊接接頭設(shè)計(jì)中，為對準(zhǔn)和定位,，在焊縫根部存在一條環(huán)形的裝配隙縫,，這一隙縫在內(nèi)部壓力和外部荷載作用下，將產(chǎn)生幾倍干正常工作應(yīng)力的應(yīng)力集中,，同樣使工程師們難于處理,。
因此，閥體焊接接頭的根部縫隙的應(yīng)力集中,，殘留應(yīng)力,，組織劣質(zhì)化成為閥體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，為國內(nèi)外閥門界關(guān)注,，但又未見有任何解決這一問題的相關(guān)報道,，成為這個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)邊界完整性的一個隱患。
據(jù)美國 20 世紀(jì) 90 年代的統(tǒng)計(jì),，焊接接頭失效而引起經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到國民經(jīng)濟(jì)的 5%,。在大量的對金屬材料焊接結(jié)構(gòu)失效事故中，其分析結(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化又快速凝固，受到周邊金屬約束力的作用產(chǎn)生較大的殘留應(yīng)力,，而金屬材料又多次反復(fù)經(jīng)歷熔化—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，使材料的初性明顯降低,。由干事故的復(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(jì)學(xué)角度言,，大部分焊接結(jié)構(gòu)的破壞是由干材料的韌性不足,，由微小的缺陷引發(fā)疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)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)中的三個基本假設(shè),；連續(xù)性假設(shè),、均勻性假設(shè)和各向同性假設(shè)已不滿足，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(shí)出發(fā),，用線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的分析方法來解決構(gòu)件的裂紋問題,。即把構(gòu)件中裂紋大小、工作應(yīng)力和材料抵抗裂紋的能力(即裂紋張開位移 CTOD 斷裂韌度值)定量地起來,，對含有微裂紋的構(gòu)件和組織劣質(zhì)化的接頭,，進(jìn)行安全性和壽命試驗(yàn)分析與評估。
斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展,，已定義一種“裂紋張開位移值”(Crack Tip opening Displacement,，CTOD)，它能準(zhǔn)確地評估焊接接頭的韌性,。1991 年,，英國焊接研究所提出標(biāo)準(zhǔn) BS7448 Part1，給出了金屬材料的臨界 CTOD,、J 積分和 KIC 的試驗(yàn)方法,。1997 年，又提出該標(biāo)誰的第二部分 BS7448 Part Ⅱ《確定焊縫金屬材料 KIC,，臨界 CTOD 和 J 積分的方法》,，針對焊接接頭中各區(qū)域性能不均勻性和存在殘留應(yīng)力等特征，對 BS7448 Part1 進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定,，這就是目前上被工程界普遍認(rèn)可的,，測定焊接接頭 CTOD 斷裂韌度值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
隨后,，2000 年英國標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)表 BS7910-1999《金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗(yàn)收評定方法導(dǎo)則》,，它采用基于斷裂力學(xué)原理的失效評定圖(FAD)來進(jìn)行評定金屬結(jié)構(gòu)中的缺陷。美國石油學(xué)會根據(jù) BS7448 Part Ⅱ 的試驗(yàn)方法,，在 API 1104《管道焊接與相關(guān)設(shè)施》的標(biāo)誰中增加了附錄 A,，提出管道焊接接頭 CTOD 值的驗(yàn)收標(biāo)誰。挪威船級社 DNV-OS-401 在工程項(xiàng)目的驗(yàn)收評估中亦對 CTOD 值提出一個評估驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),，以便對大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊后免熱處理進(jìn)行工程評估,。CTOD 值實(shí)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)。
國內(nèi)已有大量焊接工作者應(yīng)用 CTOD 斷裂韌度試驗(yàn)評定焊縫安全性,。海洋石油工程股份有限公司在海洋石油平臺建造中，應(yīng)用 CTOD 斷裂韌度試驗(yàn)評價焊縫的低溫?cái)嗔秧g度,，試驗(yàn)結(jié)果表明,，未經(jīng)焊后熱處理的 EH36 鋼焊條電弧焊,、單絲埋弧焊和雙絲埋弧焊的三種焊接工藝焊接接頭和熱影響區(qū)，低溫下絕大部分試樣的斷裂韌度值是合格的,，評價焊接接頭可以在不進(jìn)行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，降低制造成本,，整個試驗(yàn)工作得到美國 Philips 石油公司和 DNV 挪威船級社的好評,。
天津大學(xué)按照歐洲共同體結(jié)構(gòu)完整性的評定方法(SINAP)的要求，應(yīng)用 CTOD 試驗(yàn)方法,，對海底油氣管道安全性進(jìn)行評估,，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做出肯定結(jié)論。
武漢理工大學(xué)和中國船級社通過 CTOD 值,，評定從二種不同的無熱時效處理的焊接工藝中確定出*焊接工藝,。
天津大學(xué)根據(jù) CTOD(裂紋間斷張開位移)試驗(yàn)結(jié)果，先后采用英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會提出的 BS7910 標(biāo)準(zhǔn)和歐共體提出的結(jié)構(gòu)完整性評定方法 SINTAP,，針對 EH36 管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進(jìn)行評定,。
清華大學(xué)對常用橋梁鋼 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)童莉葛和中國石油天然氣管道科學(xué)研究院白世武,、劉方能,，建立預(yù)測高強(qiáng)度管線鋼(X70)焊接接頭性能參數(shù)裂紋張開位移(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,。
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.
