全焊接阀体管线球阀焊接接头的安全评估.pdf

文章编号 100225855 2009 0220017205 作者简介 邬佑靖 1937年 男 高级工程师 长期从事管线球阀的设计 制造和研究工作 全焊接阀体管线球阀焊接接头的安全评估 邬佑靖 徐泽亮 上海耐莱斯 詹姆斯伯雷阀门有限公司 上海201206 摘要 介绍了一种评价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CTOD试验值 对埋弧焊焊接接头免焊后热处理的可能性进行安全评定 为大型全焊 接阀体管线球阀制造提供科学依据 关键词 全焊接阀体 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 TG44118 文献标识码 A Assessing the safety of fully welded body pipeline ball valve WU You2jing XU Ze2liang Shanghai N eles2Jam esbury Valve Co LTD Shanghai201206 China Abstract CTOD testing is applied to assess safety of fully2w elded pipeline ball valve s w elds w ithout PW HT Post2w elded Heat Treatm ent in this paper The CTOD values of the said w elds are m easured according to BS7448 Fracture m echanics toughness tests part2 and the safety and acceptability of the said w elds are assessed based on their CTOD values w hich complies w ith A PI1104A nnex A and DNV2OS2401 It is a reliable and scientific m ethodology for the design and m anufacture of fully2w elded pipeline ball valve Key words fully2w eldedbody pipelineball valve w elds w ithout post2w eldedheattreatm ent PW HT crack tip opening displacem ent CTOD 1 概述 石油 天然气输送管道是一条能源供给线 线上 的紧急切断阀为全焊接阀体管线球阀 该阀安装在 野外 远程操作 维护困难 阀门既承受管道内部压 力 又承受外部载荷 如地基沉降 泥石流 地震 管 道温度应力和地下水的电位腐蚀及应力腐蚀等 工 况条件十分恶劣 要求具有30年以上的无维护使用 寿命 2 阀体特点 全焊接阀体的焊接接头一般均设计为窄间隙厚 壁埋弧焊 如Class 600 20 in1的球阀 焊接壁厚 为44mm Class 900 48 in1球阀 焊接壁厚为140 mm 所以阀体焊接为超大厚度筒状焊接接头 厚 壁多层焊接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 甚至产生焊接缺陷 焊接是阀体 组装后的最后一道工序 体腔内有非金属密封材料 橡胶和四氟塑料 不能进行焊后热处理 另外 在阀 体焊接接头设计中 为对准和定位 在焊缝根部存在 一条环形的装配缝隙 这一缝隙在内部压力和外部 载荷作用下 将产生几倍于正常工作应力的应力集 中 难于处理 因此 阀体焊接接头的根部缝隙的应 力集中 残余应力 组织劣质化成为阀体结构中的薄 弱环节 成为产品结构边界完整性的一个隐患 3 分析 通过对大量的金属材料焊接结构失效事故进行 分析 其结果表明 大部分焊接接头失效是金属材料 韧性不足造成的 接头中金属材料在焊接过程中快 速熔融又快速凝固 受到周边金属约束力的作用产 生较大的残余应力 而金属材料又多次反复经历熔 71 2009年第2期 阀 门 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 融 凝固的相变过程 形成粗大的柱状晶粒 并产生 析出 夹杂 气孔和微裂纹等缺陷 使材料的韧性明 显降低 由于事故的复杂性 预言某一结构因某种 原因失效是困难的 但从统计学角度分析 大部分 焊接结构的破坏是由于材料的韧性不足 由微小的 缺陷引发疲劳裂纹 并不断扩展造成的 由于焊后金属材料的不均匀性 劣质化和缺陷 材料学中的3个基本假设 连续性假设 均匀性假设 和各向同性假设已不能满足要求 这就需要应用断 裂力学的理论 断裂力学的任务就是从构件中存在 宏观的微裂纹的事实出发 用线弹性断裂力学和弹 塑性断裂力学的分析方法解决构件的裂纹问题 即 把构件中裂纹尺寸 工作应力和材料抵抗裂纹的能 力 即裂纹尖端张开位移Crack Tip Opening Dis2 placement CTOD断裂韧性值 定量地联系起来 对 含有微裂纹的构件和组织劣质化的接头 其安全性 和寿命进行试验分析与评估 此方法能准确地评估 焊接接头的韧性 4 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BS 7448 Part I 规定了金属材料的临界CTOD J积分 和KI C的试验方法 1997年 又提出该标准的第二 部分BS 7448 Part II 1 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BS 7910 1999 2 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 美国石油学会根据BS 7448 Part II的 试验方法 在API1104 3 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 挪威船级社 DNV OS 401 4 在工程项目的验收评估中亦对 CTOD值提出一个评估验收标准 以便对大型结构 件进行焊后免热处理进行工程评估 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 5 应用研究 国内产品也应用CTOD断裂韧性试验评定焊缝 安全性 如 在海洋石油平台建造中 应用CTOD断 裂韧度试验评价焊缝的低温断裂韧性 5 在海底 油气管道建造中 应用CTOD试验方法对安全性进 行评估 6 在2种不同的无热时效处理的焊接工艺 中 应用CTOD试验方法确定出最佳焊接工艺 7 根据CTOD试验结果 对EH36管线钢焊接接头焊 趾处的表 面 裂 纹 进 行 评 定 8 对 常 用 桥 梁 钢 Q370qE和Q345qD进行CTOD试验 分别计算材料 在脆断 韧脆破坏和韧性破坏时的CTOD值 作为修 订常规冲击韧性标准的依据 9 建立预测高强度 管线钢 X70 焊接接头性能参数裂纹尖端张开位移 CTOD 的BP神经网络模型 为焊接工艺参数优化 提供有效手段 10 笔者以Class 600 20in1全焊接阀体管线球阀 44mm厚圆筒状阀体焊接接头为例 应用有限元方 法分析计算了焊缝根部环形装配缝隙的应力集中 对焊接过程阀体焊缝中焊接残余应力进行了三维热 弹塑性数值模拟 由于结构上的原因 阀体不能进 行热处理来降低焊接残余应力 提高焊接接头的韧 性 因此 参照英国BS 7448 Part 的CTOD断裂韧 性试验方法 测定焊接接头断裂韧性CTOD试验值 来综合评定焊接接头的 止裂 性能是必要的 再根 据API1104附录A和DNV OS 401的CTOD的 试验结果 评定该埋弧焊焊接接头具备可免焊后热 处理的条件是充分的 6 影响阀体焊缝安全性的因素 611 焊缝根部应力集中 从图1中可以看到 由于全焊接球阀阀体装配 对准和定位要求 在焊缝根部存在一条环形装配缝 隙 这将导致在阀体焊缝根部出现较大的应力集中 通过有限元分析计算 20 in1 600Lb球阀阀体 在 10MPa工作压力下 可以明显地观察到在焊缝根部 出现较大应力集中 其根部Von misese应力达到 275MPa 已 超 过A105材 料 的 屈 服 强 度 S 250MPa 达到正常工作应力3倍左右 图1 阀体焊缝结构与焊缝根部应力集中 612 焊缝残余应力分析 焊接残余应力是由于在施焊时 焊件上产生不 81 阀 门 2009年第2期 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 均匀的温度场 焊缝及其附近区域温度急剧升高 不 均匀的温度场产生的不均匀的膨胀 焊接残余应力 由此产生 而且全焊接阀体焊接接头为典型的厚壁 多层焊缝 焊接热影响区经历反复多次升温 冷却 造成该区域晶粒组织粗大 构成焊接接头韧性薄弱 区 根据阀体材料及焊接电流和焊接速度等焊接工 艺参数 可采用热弹塑性有限元法计算全焊接阀体 的焊接残余应力 焊接残余轴向应力 焊接残余环向 应力和焊接残余应力沿焊缝厚度方向上的分布 图 2 图 3 从图可知 阀体的最大焊接残余应力达到 407MPa 远远超过A105材料的屈服强度 S 250MPa 最大焊接残余轴向应力及周向应力均在 阀体厚壁圆筒焊缝中心位置的外表面 残余应力为 拉应力 而内表面为压应力 最大焊接残余轴向 周 向计算应力可达到A105材料的抗拉强度 b 480MPa 11 a 有限元模型 b 焊接残余应力 图2 阀体有限元模型与焊接残余应力计算结果 a 阀体轴向残余应力计算和测量值的比较 b 阀体周向残余应力计算和测量值的比较 c 阀体厚度方向的残余应力分布曲线 图3 焊接残余应力沿不同方向的仿真分布结果与测试结果 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3倍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抗拉强 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 阀体球阀结构的特殊性 全焊接阀体不能进行焊后 热处理 需要研究有效的非热时效方法 12 和焊接 接头免焊后热处理可能性的试验方法与科学依据 7 焊接要求 全焊接阀体材料通常采用AST M A105 20in1 600Lb球阀焊缝厚度设计为44mm 相关标准有不同 的要求 1 API6D 13 焊后热处理根据材料标准要求 14 所有经过补 焊的锻件都必须进行焊后热处理 焊后热处理温度 在1 100 593 与相变温度之间 根据最大截面 厚度 其保温时间为30min in1 或替代以退火 正火 和回火处理 或淬火和回火处理 2 AS ME V III 1 15 对于P No 1 2材 料 厚 度 超 过1 1 2in1 38mm 必须进行焊后热处理 根据对标准的分析 当阀体焊缝采用P No 1 2系列材料 厚度超过 1 1 2in1 38mm 时 必须对焊缝进行焊后热处理 但是球阀通常选用橡胶或四氟塑料作为密封材料 全焊接阀体球阀不能进行焊后热处理 全焊接阀体 管线球阀的薄弱环节在于 由于结构特征导致的焊 缝根部应力集中 以及球阀密封材料的限制 全焊接 阀体球阀不能进行焊后热处理 不符合API 6D和 AS ME V III的要求 阀体焊接接头成为球阀的最大 安全隐患 通过对API和AS ME标准解读 可以认为 虽然 标准规定厚度大于38mm焊缝必须进行焊后热处 理 但只要设计时应用先进的理论 断裂力学 更 为精确的试验规范 BS 7448 Part II 和评价标准 API1104附录A DNV OS 401 BS 7910 提出 一个全新的工程解决方案 应用于独特场合 全焊 接阀体管线球阀焊接接头免焊后热处理 这仍然 符合规范和标准的基本精神 91 2009年第2期 阀 门 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 8 CTOD试验 811 试验方法 根据BS 7448 Part 试验标准 并参照API1104 及DNV OS 401相关要求 以CTOD断裂韧性值 来评价全焊接阀体焊接接头免焊后热处理的安全 性 试样厚度B 18mm 宽度W 36mm 长度L 4 36 20mm 裂纹长度a 0 104 01 55 W 用疲 劳试验机预制裂纹 在美国500kN级MTS试验机上 采用原装配套的CTOD试验硬件系统和控制程序进 行试验 采用 0 001 m 高精度数字读数显微镜测 定裂纹的扩展量 按标准确认的多试样法求得临界 开裂的缺口张开位移量 c 或 0105 812 试验结果 CTOD试验系统及完成加载试验后得到焊缝 CTOD试样 图4 表 1 试验所获得的焊缝区有效 试样8个 HAZ有效试样8个 达到CTOD多试样法 的要求 其中HAZ的启裂点CTOD值 c直接测量 获得 临界CTOD值 0105用多试样CTOD试验回归 线与裂纹扩展量0105mm垂直线的交点确定 突进 点的CTOD值 m由试验直接测量获得 焊缝的启 裂点CTOD值 c和临界CTOD值 0105用多试样 CTOD试 验 回 归 线 与 裂 纹 扩 展 量0100mm及 0105mm垂直线的交点确定 突进点的CTOD值 m 由试验直接测量获得 表1 CTOD测试结果 c mm 0105 mm m mm 热影响区0 1970 240 53 焊缝0 1960 230 91 813 安全评价 参照DNV OS C401 挪威船级社 标准 CTOD值大于0115mm为合格 开发工艺接头的实 测 c皆大于0115mm 表明接头可以在不进行热时 效处理的情况下使用 参照API1104附录A 其给出了CTOD值分别 为01005in1 011225mm 和0101in1 01245mm 时 允许缺陷尺寸与许用应变的关系如图5所示 从图 中可知 CTOD值越大 焊缝断裂韧性越好 所允 许缺陷尺寸可增大 在图5中根据全焊接阀体焊接 接头最小CTOD值等于01197mm 010078in1 时 最大许用轴向应变与允许缺陷尺寸之间的曲线 20in1 600L b全焊接阀体球阀按额定工作压 强的115倍计算 最大主应力为15M Pa 通过有限 元计 算 可 得 最 大 轴 向 应 变 为728 即 01000728 如按A PI1104附录A所给出的最小 可接受CTOD 01005in1 01127 mm 考虑 最大 缺陷尺寸限为013in1 716mm 实测CTOD 01008in1 01196mm 其对应的缺陷允许尺寸为 0145in1 1114mm 按JB4730 94I级压力容器 要 求 执 行 允 许 缺 陷 尺 寸 为 低 于0115in1 31765mm 因此实际接头仍具有相当高的安全裕 度 全焊接阀体焊缝无损探伤按JB4730 94的 级压力容器要求执行 其要求焊缝缺陷尺寸小于 0115in1 31675 mm 因此 当全焊接阀体焊接接 头 满 足CTOD断 裂 韧 性 值 大 于01005in1 01127mm 焊缝无损探伤满足JB4730 94的1 级压力容器要求 即可认定免焊后热处理工艺是安 全可靠的 9 结语 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01196mm 大 于A PI1104附 录A 01125mm和DNV OS C401 0115mm的要求 02 阀 门 2009年第2期 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 焊缝经无损探伤满足JB4730 94的1级压力容器 要求 因此可以认定焊接接头具有足够的断裂韧性 值 作为免焊后热处理的依据是充分的 参考文献 1 BS7448 1997 Fracture mechanics toughness tests Part2 M ethod for determ ination of KIC critical CTOD and critical J value of welds in metallic material S 2 BS7910 1999 金属结构中缺陷验收评定方法导则 S 3 API1104 1996 W elding of Pipeline and Related Facilities S 4 DNV OS 401 2001 Fabrication and testing of offshore structure S 5 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 6 邓彩艳 张玉凤 霍立兴 冲击吸收功在海底油气管道安全 评定中的应用 J 中国机械工程 2005 16 3 4 7 7 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 8 夏静 霍立兴 白秉仁 等 焊缝非匹配海底管线缺陷在不 同标准下的安全评定研究 J 压力容器 2005 7 4 7 9 张玉玲 王冒明 吴新如 等 铁路桥梁钢及焊缝的CTOD 性能 J 清华大学学报 自然科学版 2005 45 5 585 588 10 童莉葛 白世武 刘方明 基于BP人工神经网络的高强度 管线钢焊接接头性能参数CTOD预测系统 J 焊接学报 2007 28 8 96 98 11 Jijin Xu L igong Chen Chunzhen N i A study on the me2 chanical stress relieving and safety assessment w ithout post weld heat treatment M M aterials Science and Engineering A 2007 443 107 113 12 邬佑靖 全焊接阀体管线球阀非热时效处理 J world valve2006 8 37 41 13 API6D 1992 Specification for pipeline valves Gate Plug Ball and Check valves S 14 ASTM A105 1992 Standard specification for carbon steel forgings for piping components S 15 ASM E V III 1998 boiler and pressure vessel codes S 收稿日期 2008109122 书讯 11 英汉阀门工程词汇 本书由北京科学技术出版社1989年出版发行 本书广泛收集了 阀门 管道工程中有关标准 材料 设计 制造工艺 检测 质量管理和应用等方面的专业词汇及 有关方面缩略语 编辑中特别注重某些词汇在阀门工程中的专用词意和特定用法 同时注意了与阀 门工程关联词汇的收