熊 奇，孫小磊，景 迪，張吉合

(天津藍(lán)海檢測(cè)工程技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 青島 266520)

基于API1104標(biāo)準(zhǔn)ECA方法的質(zhì)量控制體系

熊 奇，孫小磊，景 迪，張吉合

(天津藍(lán)海檢測(cè)工程技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 青島 266520)

介紹了管線環(huán)焊縫驗(yàn)收中不同于常用經(jīng)驗(yàn)判據(jù)的另一種標(biāo)準(zhǔn)——工程臨界評(píng)估方法(ECA)。根據(jù)API1104附錄A，介紹了ECA方法的概念、限制條件與適用范圍，對(duì)比了ECA方法和經(jīng)驗(yàn)判據(jù)的區(qū)別。闡述了建立基于ECA方法的質(zhì)量控制體系的流程，對(duì)比了該體系相對(duì)于基于經(jīng)驗(yàn)判據(jù)的質(zhì)量控制體系所提出的附加要求，最后通過(guò)圖示概括了基于ECA方法的質(zhì)量控制體系。

API1104；ECA方法；質(zhì)量控制

0 前言

API1104的第九部分給出了管線及相關(guān)設(shè)施的焊縫接收標(biāo)準(zhǔn)，其判據(jù)基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，主要根據(jù)缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行驗(yàn)收。API1104附錄A則介紹了管線環(huán)焊縫缺陷的另一種接收標(biāo)準(zhǔn)——工程臨界評(píng)估方法，即ECA(Engineering Critical Assessment)方法。ECA方法運(yùn)用材料斷裂力學(xué)理論和材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在確保管線性能要求的前提下，對(duì)焊縫缺陷長(zhǎng)度、高度的最大允許值進(jìn)行定量推導(dǎo)。與經(jīng)驗(yàn)判據(jù)相比，ECA方法往往可以得到尺度更大的缺陷長(zhǎng)度接收判據(jù)，因而在提高工程可靠性、降低工程成本方面具有重要意義。

1 ECA方法的概念與適用范圍

1.1 ECA方法的概念

ECA方法是一種根據(jù)理論分析與計(jì)算，判斷缺陷和不連續(xù)的影響，從而評(píng)估整體焊縫可靠性的焊縫接受標(biāo)準(zhǔn)。API1104提供了三種ECA計(jì)算方法來(lái)確定焊縫的面缺陷接收判據(jù)。根據(jù)所考慮力學(xué)參數(shù)的復(fù)雜程度，分為方法1、方法2、方法3三種。其中方法1和方法2分別有一套固定的計(jì)算流程，方法3則需要具有斷裂力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的工程人員根據(jù)管線實(shí)際服役條件進(jìn)行計(jì)算。附錄A在A5.1.1中詳細(xì)闡述了運(yùn)用三種ECA方法建立缺陷接收判據(jù)的流程。

1.2 ECA方法的適用范圍

1.2.1 ECA方法的適用條件

API1104的ECA方法使用需滿(mǎn)足以下條件：

(1)只適用于API1104前言及第一部分限定的范圍之內(nèi)。

(2)ECA方法并不排斥API1104第九部分焊縫接收判據(jù)的使用，業(yè)主可根據(jù)自身情況進(jìn)行選擇。但是，由于ECA方法需要根據(jù)材料破壞性試驗(yàn)來(lái)制定符合要求的焊接工藝，因此對(duì)單道管線焊縫采用ECA方法是不現(xiàn)實(shí)的。

(3)只適用于壁厚相等的管對(duì)接環(huán)焊縫。

(4)所有焊縫全部進(jìn)行無(wú)損探傷。

(5)不存在焊縫強(qiáng)度不匹配現(xiàn)象。

(6)最大軸向設(shè)計(jì)應(yīng)力不高于規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度(SMYS)。

(7)最大軸向設(shè)計(jì)應(yīng)變不高于0.5%。

(8)不適用于泵和壓縮機(jī)焊縫，以及主要管線的返修焊縫、裝置、閥門(mén)。

1.2.2 管線應(yīng)力分布對(duì)ECA方法的影響

管線應(yīng)力分析結(jié)果也會(huì)影響ECA方法的使用。針對(duì)不同的應(yīng)力分布狀態(tài)，ECA方法會(huì)作出相應(yīng)調(diào)整。API1104附錄A開(kāi)展了五個(gè)方面的應(yīng)力分析：

(1)軸向設(shè)計(jì)應(yīng)力分析。

最大軸向設(shè)計(jì)應(yīng)力是指管線在安裝和服役條件下產(chǎn)生的各種軸向應(yīng)力的最大值之和。最大軸向設(shè)計(jì)應(yīng)力是ECA方法的必需參數(shù)，它的確定是開(kāi)展ECA計(jì)算的基礎(chǔ)。API1104附錄A2.1介紹了軸向設(shè)計(jì)應(yīng)力的計(jì)算方法。

(2)循環(huán)應(yīng)力分析。

循環(huán)應(yīng)力分析包括但不限于水壓試驗(yàn)應(yīng)力、熱應(yīng)力、震動(dòng)應(yīng)力以及沉淀應(yīng)力的預(yù)期疲勞應(yīng)力譜?？筛鶕?jù)API1104附錄A2.2.1計(jì)算軸向設(shè)計(jì)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的譜強(qiáng)度直接影響ECA方法的選擇。

同時(shí)，環(huán)境亦對(duì)循環(huán)載荷下的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響。當(dāng)非耐蝕性管道內(nèi)的CO2或H2S濃度超過(guò)歷史典型水平時(shí)，API1104的ECA方法不能采用，除非有證據(jù)證明在該濃度下疲勞裂紋擴(kuò)展速率沒(méi)有增加。同時(shí)，當(dāng)外部施加了足夠的緩蝕措施，如緩蝕劑、陰極保護(hù)或防腐涂層，降低了疲勞裂紋擴(kuò)展速率，則ECA方法可以使用。

(3)持續(xù)載荷下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)。

在持續(xù)載荷下，某些有害物質(zhì)的存在可能增加材料脆性。典型的該類(lèi)環(huán)境包含H2S，可能含有羥化物、硝酸鹽或碳化物。如果管線內(nèi)有該類(lèi)有害物質(zhì)存在，則應(yīng)該建立最小應(yīng)力閾值；若計(jì)算所得管線應(yīng)力值超過(guò)閾值，ECA方法不可使用。同樣，SCC的頻率和嚴(yán)重性因?yàn)榉栏胧┒徑鈺r(shí)，ECA方法也可以在管線內(nèi)存在促進(jìn)SCC物質(zhì)存在的情況下使用。

(4)動(dòng)載荷。

ECA方法的應(yīng)力分析也應(yīng)該考慮到動(dòng)載荷對(duì)環(huán)焊縫影響，如關(guān)閉閥門(mén)產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)焊縫應(yīng)變率超過(guò)10-3／s(30 kips／sq應(yīng)力下)時(shí)，ECA方法不適用。

(5)殘余應(yīng)力。

在方法1和方法2中，引入了專(zhuān)門(mén)的安全因子(根據(jù)CTOD值和Charpy沖擊功得出)對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行補(bǔ)償。這時(shí)，無(wú)需再另外進(jìn)行應(yīng)力分析。

2 基于ECA方法的質(zhì)量控制體系

在采用ECA方法作為焊縫接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，附錄A沿用了API1104標(biāo)準(zhǔn)正文的質(zhì)量控制體系。它遵循API1104第五部分至第十二部分的要求，只是將第九部分無(wú)損探傷接收標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)用ECA方法建立的接收標(biāo)準(zhǔn)加以取代。因此，在建立基于ECA方法的質(zhì)量控制體系時(shí)，同樣遵循“工藝評(píng)定→焊工評(píng)定→接頭準(zhǔn)備→施焊→焊縫檢驗(yàn)→缺陷記錄與返修”的流程。同時(shí)，為滿(mǎn)足ECA方法對(duì)焊縫斷裂韌性的要求，附錄A在焊接工藝、力學(xué)性能試驗(yàn)等方面提出了更加嚴(yán)格的補(bǔ)充要求，現(xiàn)將各體系環(huán)節(jié)與API1104正文作對(duì)比介紹。

2.1 工藝評(píng)定

在API1104第五部分基礎(chǔ)上，附錄A對(duì)工藝評(píng)定作了兩方面附加要求。首先，附錄A工藝評(píng)定基本變量的變化區(qū)間更加明確和嚴(yán)格。例如對(duì)管壁厚、保護(hù)氣體流量、層間溫度、管外徑、熱輸入這五項(xiàng)基本變量，附錄A給出了量化的變化區(qū)間。

其次，附錄A引入了附加力學(xué)性能試驗(yàn)，包括CTOD值和Charpy沖擊功試驗(yàn)，同時(shí)重新定義了拉伸試驗(yàn)要求(上述試驗(yàn)的取樣方法、試樣制式、達(dá)標(biāo)條件等詳見(jiàn)A3.2)。

2.2 焊工評(píng)定

附錄A的焊工評(píng)定遵循API1104第六部分及12.6的要求。

2.3 接頭準(zhǔn)備與施焊

接頭準(zhǔn)備遵循API1104第七部分的要求；施焊應(yīng)由評(píng)定合格的焊工采用適宜裝備，按評(píng)定合格的WPS進(jìn)行。

2.4 焊縫檢驗(yàn)

焊縫檢驗(yàn)應(yīng)遵循API1104第八部分的要求。無(wú)損檢驗(yàn)程序應(yīng)遵循API1104第十一部分的要求。將無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，與ECA方法建立的判據(jù)對(duì)比，進(jìn)行焊縫接收／拒收。附錄A對(duì)焊縫檢驗(yàn)提出的附加要求有五個(gè)方面。

2.4.1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

由于ECA方法通過(guò)缺陷長(zhǎng)度和高度兩個(gè)維度對(duì)焊縫進(jìn)行驗(yàn)收，因此對(duì)于基于ECA方法的無(wú)損檢測(cè)，應(yīng)采用能夠進(jìn)行缺陷高度測(cè)量的適宜方法進(jìn)行(例如超聲波探傷、采用顯像密度計(jì)或目視對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的射線探傷、聲成像技術(shù)等)，只要該檢驗(yàn)方法的精確度可以確定并進(jìn)行保守補(bǔ)償。

2.4.2 ECA方法選擇

API1104的ECA方法提供了三種建立判據(jù)的計(jì)算方法。三種方法的選擇，除1.2.2節(jié)所述之要求，還應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

(1)方法1只適用于CTOD值大于等于0.004 in (0.10 mm)，方法2及方法3則可在CTOD值大于等于0.002in(0.05mm)的情況下使用。

(2)方法1與方法2的計(jì)算方式?jīng)]有對(duì)外徑／壁厚比(D／t)作限制，理論證明程序在D／t≥10的條件下適用。

(3)對(duì)于屈服強(qiáng)度／拉伸強(qiáng)度比值很高的材料(Y／T≥0.95)，其整體應(yīng)變與延展性通常很低(最大拉伸應(yīng)力下)，在此情況下使用ECA方法需要額外的實(shí)驗(yàn)與理論驗(yàn)證。

(4)由于三種方法理論前提不一致，因此不允許三種方法混用。

2.4.3 體積型缺陷驗(yàn)收

焊縫內(nèi)部體積型缺陷可視作面缺陷驗(yàn)收，或者按照附錄A表3判據(jù)驗(yàn)收；表面體積型缺陷應(yīng)視作面缺陷驗(yàn)收。無(wú)論采取何種驗(yàn)收方式，都應(yīng)滿(mǎn)足CTOD試驗(yàn)與Charpy沖擊試驗(yàn)的要求。

2.4.4 電弧擦傷

電弧擦傷通常呈孔狀，并在孔周?chē)纬傻晚g性的熱影響區(qū)。若將熱影響區(qū)韌性值視作0，同時(shí)源自熱影響區(qū)的所有面缺陷邊緣均為鈍態(tài)，則可按附錄A表4進(jìn)行驗(yàn)收。包含肉眼可見(jiàn)裂紋的電弧擦傷不在附錄A覆蓋范圍之內(nèi)，應(yīng)去除、返修。

2.4.5 缺陷的相互影響

對(duì)于焊縫內(nèi)距離較近的缺陷，可根據(jù)附錄A圖A-11判斷缺陷是否相互影響，若無(wú)相互影響，則按照獨(dú)立缺陷進(jìn)行驗(yàn)收；若相互影響，應(yīng)按照附錄A圖A-11折算缺陷長(zhǎng)度、高度，再按標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。

2.5 缺陷記錄與返修

缺陷記錄方式于API1104正文相似，返修遵循API1104第九、第十部分要求。

3 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)API1104附錄A，可以建立基于材料力學(xué)性能試驗(yàn)和材料斷裂力學(xué)理論計(jì)算的管線環(huán)焊縫驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。基于ECA方法的質(zhì)量控制體系可用圖1加以概括。

Quality control system based on ECA method of API STANDARD 1104

XIONG Qi，SUN Xiao-lei，JING Di，ZHANG Ji-he
(Bluocean Technology Inspection Co.，Ltd.，Qingdao 266520，China)

Introduced the alternative acceptance standards for girth welds.Based on Appendix A of API STANDARD 1104，this paper introduced the conception，restriction and scop of ECA method.Differences were compared between empirical criteria and ECA method.Expouded the process of quality control system based on ECA method，and the additional requirements were explained compared with system based on empirical criteria.Finally，generalized the quality control system schematically.

API STANDARD 1104；ECA method；quality control

TG441.7

A

1001-2303(2011)05-0087-03

2011-02-28

熊 奇(1983—)，男，重慶人，碩士，主要從事質(zhì)量控制方面的研究工作。

圖1 基于API1104標(biāo)準(zhǔn)ECA方法的質(zhì)量控制體系