一，导言

石油和天然气输送管道是能源供应线。生产线上的紧急切断阀是一个全焊接的阀体管道球阀，其免维护使用寿命超过30年。但服务条件非常糟糕：从北极圈到赤道，从高原到海底，从沙漠到荒地;通过地震带，沼泽，冻土，河流，湖泊和斜坡;有竖立，直接埋在地下在野外，没有人在操作，维护很困难。它不仅能承受管道的内部压力，还能承受地基沉降，泥石流和地震等外部载荷，管道温度应力以及地下水的潜在腐蚀和应力腐蚀。

所有焊接阀体的焊接接头通常设计用于窄规格厚壁埋弧焊，如Class600,20in球阀，44mm焊接壁厚，C1ass900,48in球阀，焊接壁厚140mm。它是一种厚度大的管状焊接接头。厚壁多层焊接工艺是金属材料反复加热和冷却的过程，导致焊接接头结构的不均匀和劣化，导致高的残余应力和均匀的焊接缺陷。焊接是产品组装后的最后一道工序。阀腔内有非金属密封材料橡胶和聚合物。四氟乙烯塑料，不能进行焊后热处理。

另外，在阀体焊接接头的设计中，为了对准和定位，在焊缝根部有一个环形装配间隙，在内压下会产生几倍的正常工作应力集中。外部负荷。这也使工程师难以处理。

因此，阀体焊接接头的根部间隙处的应力集中，残余应力和结构的不良组织成为阀体结构中的薄弱环节，这是国内外阀门行业关注的问题，但是没有任何关于解决这个问题的报告。本产品结构边界完整性的隐患。

根据美国在20世纪90年代的统计，焊接接头的损失造成经济损失达到国民经济的5％。在金属材料焊接的大量失效中，分析结果表明，焊接接头的大部分失效是由金属材料的韧性不足引起的。在焊接过程中，接头中的金属材料迅速熔化并凝固，周围的金属结合力产生残余应力，金属材料反复经历熔化 - 凝固相变过程，形成粗大的柱状晶粒。并且产生诸如沉淀，夹杂物，孔隙和微裂纹之类的缺陷，从而最初是材料性生活明显减少。由于干事故的复杂性，很难预测结构因某种原因而失效。然而，从统计的角度来看，焊接结构的大部分损坏是由于干燥材料的韧性不足和微小缺陷引起的疲劳裂纹造成的。由持续扩张引起。

由于焊后金属材料的不均匀性，劣势和缺陷，材料科学有三个基本假设;不满足连续性假设，均匀性假设和各向同性假设，这需要应用断裂力学理论。断裂力学的任务是通过线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学方法解决构件的裂纹问题。也就是说，裂纹尺寸，工作应力和材料抵抗裂纹的能力（即，裂纹尖端开口位移CTOD断裂韧性值）是定量连接的，并且包含微裂纹和结构的下部接头的接头是安全的寿命测试分析和评估。

断裂力学学科的发展定义了一个“裂纹尖端开口位移”（CTOD），可以准确地评估焊接接头的韧性。 1991年，英国焊接该研究所提出了标准BS7448 Part1，它给出了金属材料的临界CTOD，J积分和KIC的测试方法。 1997年，提出了标准的第二部分，BS7448第II部分，“确定焊接金属材料KIC，临界CTOD和J积分的方法”，其目的是在每个部分的性能不均匀性和残余应力。焊接接头。 BS7448第1部分有补充规定，这是目前国际公认的测定焊接接头CTOD断裂韧性值的测试标准。

随后，在2000年，英国标准局公布了BS7910-1999“金属结构缺陷验收指南”，该指南使用基于断裂力学原理的失效评估图（FAD）来评估金属结构中的缺陷。根据BS7448第二部分的试验方法，美国石油协会在API 1104“管道焊接及相关设施”的标准中增加了附录A，并提出了管道焊接接头的CTOD值的验收。 DNV-OS-401在挪威船级社在目的验收评估中，还提出了CTOD值的评估验收标准，以便可以对大型结构件进行焊后热处理以进行工程评估。 CTOD值实际上与焊接母材，焊丝，焊剂，焊接工艺，焊接方法，焊缝结构尺寸和厚度等有关。它是材料抗裂性能的综合参数和性能指标。

中国的大量焊接工人已应用CTOD断裂韧性测试来评估焊接安全性。在海上石油平台建设中，海洋石油工程有限公司应用CTOD断裂韧性试验来评价焊缝的低温断裂韧性。试验结果表明，EH36钢电极电弧焊和单丝埋弧焊无焊后热处理双丝埋弧焊三种焊接方法的焊接接头和热影响区，大多数试样的断裂韧性值在低温下是合格的，焊接接头的评估可以在没有焊后热处理的情况下使用，缩短海洋平台结构的制造周期降低了制造成本，整个测试工作得到了飞利浦石油公司的好评。美国和DNV挪威船级社。

根据欧洲共同体结构完整性评估方法（SINAP）的要求，天津大学应用CTOD试验方法评估了海底油气管道的安全性，并在试验结果的基础上得出了积极的结论。

武汉理工大学和中国船级社通过CTOD值评估了两种不同的非热老化处理的最佳焊接工艺。

天津大学基于CTOD（核心中断开放位移）测试试验结果通过英国标准协会提出的BS7910标准和欧盟提出的EH36管线钢焊接接头焊趾表面裂纹的结构完整性评估方法SINTAP进行评估。

清华大学对普通桥梁钢Q370qE和Q345qD钢进行了CTOD试验，分别计算了脆性断裂，韧脆性和韧性破坏中材料的CTOD值，作为修正常规冲击韧性标准的依据。

清华大学的李立格和中国石油管道科学研究院的白世武，刘方能建立了BP神经网络模型，用于预测高强度管线钢（X70）焊接接头的裂纹尖端开口位移（CTOD），为焊接工艺参数。有效的手段。

以Class600,20in全焊接阀体球阀44mm厚圆柱阀体焊接接头为例。根据API 1104附录A和DNV-OS-401标准和CTOD的测试结果，评估了埋弧焊接头。焊后热处理的条件是充分的。