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。該閥安裝在野外，遠(yuǎn)程操作，維護(hù)困難。閥門既承受管道內(nèi)部壓力，又承受外部載荷，如地基沉降、泥石流、地震、管道溫度應(yīng)力和地下水的電位腐蝕及應(yīng)力腐蝕等，工況條件十分惡劣，要求具有30年以上的無維護(hù)使用壽命。

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。如Class600-20in的球閥，焊接壁厚為44mm。Class900-48in球閥，焊接壁厚為140 mm。所以閥體焊接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)生高的殘余應(yīng)力，甚至產(chǎn)生焊接缺陷。焊接是閥體組裝后的最后一道工序，體腔內(nèi)有非金屬密封材料橡膠和四氟塑料，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)形的裝配縫隙，這一縫隙在內(nèi)部壓力和外部載荷作用下，將產(chǎn)生幾倍于正常工作應(yīng)力的應(yīng)力集中，難于處理。因此，閥體焊接接頭的根部縫隙的應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、組織劣質(zhì)化成為閥體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)邊界完整性的一個(gè)隱患。

通過對大量的金屬材料焊接結(jié)構(gòu)失效事故進(jìn)行分析，其結(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融又快速凝固，受到周邊金屬約束力的作用產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而金屬材料又多次反復(fù)經(jīng)歷熔融-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，使材料的韌性明顯降低。由于事故的復(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)角度分析，大部分焊接結(jié)構(gòu)的破壞是由于材料的韌性不足，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3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)已不能滿足要求，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)的分析方法解決構(gòu)件的裂紋問題。即把構(gòu)件中裂紋尺寸、工作應(yīng)力和材料抵抗裂紋的能力（即裂紋尖端張開位移Crack Tip Opening Displacement-CTOD斷裂韌性值）定量地聯(lián)系起來，對含有微裂紋的構(gòu)件和組織劣質(zhì)化的接頭，其安全性和壽命進(jìn)行試驗(yàn)分析與評估。此方法能準(zhǔn)確地評估焊接接頭的韌性。

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