基于API1104標準ECA方法的質量控制體系

熊 奇，孫小磊，景 迪，張吉合

(天津藍海檢測工程技術服務有限公司，山東 青島 266520)

基于API1104標準ECA方法的質量控制體系

熊 奇，孫小磊，景 迪，張吉合

(天津藍海檢測工程技術服務有限公司，山東 青島 266520)

介紹了管線環焊縫驗收中不同于常用經驗判據的另一種標準——工程臨界評估方法(ECA)。根據API1104附錄A，介紹了ECA方法的概念、限制條件與適用范圍，對比了ECA方法和經驗判據的區別。闡述了建立基于ECA方法的質量控制體系的流程，對比了該體系相對于基于經驗判據的質量控制體系所提出的附加要求，最后通過圖示概括了基于ECA方法的質量控制體系。

API1104；ECA方法；質量控制

0 前言

API1104的第九部分給出了管線及相關設施的焊縫接收標準，其判據基于經驗總結，主要根據缺陷長度進行驗收。API1104附錄A則介紹了管線環焊縫缺陷的另一種接收標準——工程臨界評估方法，即ECA(Engineering Critical Assessment)方法。ECA方法運用材料斷裂力學理論和材料力學性能實驗數據，在確保管線性能要求的前提下，對焊縫缺陷長度、高度的最大允許值進行定量推導。與經驗判據相比，ECA方法往往可以得到尺度更大的缺陷長度接收判據，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方法是一種根據理論分析與計算，判斷缺陷和不連續的影響，從而評估整體焊縫可靠性的焊縫接受標準。API1104提供了三種ECA計算方法來確定焊縫的面缺陷接收判據。根據所考慮力學參數的復雜程度，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算流程，方法3則需要具有斷裂力學專業知識的工程人員根據管線實際服役條件進行計算。附錄A在A5.1.1中詳細闡述了運用三種ECA方法建立缺陷接收判據的流程。

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。

(2)ECA方法并不排斥API1104第九部分焊縫接收判據的使用，業主可根據自身情況進行選擇。但是，由于ECA方法需要根據材料破壞性試驗來制定符合要求的焊接工藝，因此對單道管線焊縫采用ECA方法是不現實的。

(3)只適用于壁厚相等的管對接環焊縫。

(4)所有焊縫全部進行無損探傷。

(5)不存在焊縫強度不匹配現象。

(6)最大軸向設計應力不高于規定的最小屈服強度(SMYS)。

(7)最大軸向設計應變不高于0.5%。

(8)不適用于泵和壓縮機焊縫，以及主要管線的返修焊縫、裝置、閥門。

1.2.2 管線應力分布對ECA方法的影響

管線應力分析結果也會影響ECA方法的使用。針對不同的應力分布狀態，ECA方法會作出相應調整。API1104附錄A開展了五個方面的應力分析：

(1)軸向設計應力分析。

最大軸向設計應力是指管線在安裝和服役條件下產生的各種軸向應力的最大值之和。最大軸向設計應力是ECA方法的必需參數，它的確定是開展ECA計算的基礎。API1104附錄A2.1介紹了軸向設計應力的計算方法。

(2)循環應力分析。

循環應力分析包括但不限于水壓試驗應力、熱應力、震動應力以及沉淀應力的預期疲勞應力譜?？筛鶕嗀PI1104附錄A2.2.1計算軸向設計應力。循環應力的譜強度直接影響ECA方法的選擇。

同時，環境亦對循環載荷下的疲勞強度產生影響。當非耐蝕性管道內的CO2或H2S濃度超過歷史典型水平時，API1104的ECA方法不能采用，除非有證據證明在該濃度下疲勞裂紋擴展速率沒有增加。同時，當外部施加了足夠的緩蝕措施，如緩蝕劑、陰極保護或防腐涂層，降低了疲勞裂紋擴展速率，則ECA方法可以使用。

(3)持續載荷下的應力腐蝕開裂(SCC)。

在持續載荷下，某些有害物質的存在可能增加材料脆性。典型的該類環境包含H2S，可能含有羥化物、硝酸鹽或碳化物。如果管線內有該類有害物質存在，則應該建立最小應力閾值；若計算所得管線應力值超過閾值，ECA方法不可使用。同樣，SCC的頻率和嚴重性因為防腐措施而緩解時，ECA方法也可以在管線內存在促進SCC物質存在的情況下使用。

(4)動載荷。

ECA方法的應力分析也應該考慮到動載荷對環焊縫影響，如關閉閥門產生的應力。當焊縫應變率超過10-3／s(30 kips／sq應力下)時，ECA方法不適用。

(5)殘余應力。

在方法1和方法2中，引入了專門的安全因子(根據CTOD值和Charpy沖擊功得出)對殘余應力的影響進行補償。這時，無需再另外進行應力分析。

2 基于ECA方法的質量控制體系

在采用ECA方法作為焊縫接收標準時，附錄A沿用了API1104標準正文的質量控制體系。它遵循API1104第五部分至第十二部分的要求，只是將第九部分無損探傷接收標準的經驗判據用ECA方法建立的接收標準加以取代。因此，在建立基于ECA方法的質量控制體系時，同樣遵循“工藝評定→焊工評定→接頭準備→施焊→焊縫檢驗→缺陷記錄與返修”的流程。同時，為滿足ECA方法對焊縫斷裂韌性的要求，附錄A在焊接工藝、力學性能試驗等方面提出了更加嚴格的補充要求，現將各體系環節與API1104正文作對比介紹。

2.1 工藝評定

在API1104第五部分基礎上，附錄A對工藝評定作了兩方面附加要求。首先，附錄A工藝評定基本變量的變化區間更加明確和嚴格。例如對管壁厚、保護氣體流量、層間溫度、管外徑、熱輸入這五項基本變量，附錄A給出了量化的變化區間。

其次，附錄A引入了附加力學性能試驗，包括CTOD值和Charpy沖擊功試驗，同時重新定義了拉伸試驗要求(上述試驗的取樣方法、試樣制式、達標條件等詳見A3.2)。

2.2 焊工評定

附錄A的焊工評定遵循API1104第六部分及12.6的要求。

2.3 接頭準備與施焊

接頭準備遵循API1104第七部分的要求；施焊應由評定合格的焊工采用適宜裝備，按評定合格的WPS進行。

2.4 焊縫檢驗

焊縫檢驗應遵循API1104第八部分的要求。無損檢驗程序應遵循API1104第十一部分的要求。將無損檢測結果，與ECA方法建立的判據對比，進行焊縫接收／拒收。附錄A對焊縫檢驗提出的附加要求有五個方面。

2.4.1 無損檢測技術

由于ECA方法通過缺陷長度和高度兩個維度對焊縫進行驗收，因此對于基于ECA方法的無損檢測，應采用能夠進行缺陷高度測量的適宜方法進行(例如超聲波探傷、采用顯像密度計或目視對比標準的射線探傷、聲成像技術等)，只要該檢驗方法的精確度可以確定并進行保守補償。

2.4.2 ECA方法選擇

API1104的ECA方法提供了三種建立判據的計算方法。三種方法的選擇，除1.2.2節所述之要求，還應滿足以下條件：

(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的計算方式沒有對外徑／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)對于屈服強度／拉伸強度比值很高的材料(Y／T≥0.95)，其整體應變與延展性通常很低(最大拉伸應力下)，在此情況下使用ECA方法需要額外的實驗與理論驗證。

(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 體積型缺陷驗收

焊縫內部體積型缺陷可視作面缺陷驗收，或者按照附錄A表3判據驗收；表面體積型缺陷應視作面缺陷驗收。無論采取何種驗收方式，都應滿足CTOD試驗與Charpy沖擊試驗的要求。

2.4.4 電弧擦傷

電弧擦傷通常呈孔狀，并在孔周圍形成低韌性的熱影響區。若將熱影響區韌性值視作0，同時源自熱影響區的所有面缺陷邊緣均為鈍態，則可按附錄A表4進行驗收。包含肉眼可見裂紋的電弧擦傷不在附錄A覆蓋范圍之內，應去除、返修。

2.4.5 缺陷的相互影響

對于焊縫內距離較近的缺陷，可根據附錄A圖A-11判斷缺陷是否相互影響，若無相互影響，則按照獨立缺陷進行驗收；若相互影響，應按照附錄A圖A-11折算缺陷長度、高度，再按標準驗收。

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 結論

綜上所述，根據API1104附錄A，可以建立基于材料力學性能試驗和材料斷裂力學理論計算的管線環焊縫驗收標準?；贓CA方法的質量控制體系可用圖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，主要從事質量控制方面的研究工作。

圖1 基于API1104標準ECA方法的質量控制體系