石油和天然氣管道是一條能源供應線。生產線上的緊急切斷閥是一種全焊接閥體球閥，需要30年以上的免維護使用壽命。但是，從北極圈到赤道，從高原到海底，從沙漠到荒地，以及通過地震帶，沼澤地，凍土層，河流，湖泊和山坡的服務條件非常糟糕：安裝，地下埋葬在野外，沒有人操作和維護很困難。管道內部壓力和外部荷載，如地面沉降，泥石流和地震，管道溫度應力，地下水潛在腐蝕和應力腐蝕。

全焊接球閥閥體的焊接接頭通常設計用于窄間隙厚壁埋弧焊，如Class 600,20英寸球閥，焊接壁厚44 mm，C1ass900,48英寸球閥和焊接壁厚度為140毫米。用于大厚度管狀焊接接頭。厚壁多層焊接過程是金屬材料反復加熱和冷卻的過程，導致焊接接頭結構的不均勻和質量下降，導致較高的殘余應力和甚至焊接缺陷。焊接是產品組裝后的最后一道工序。閥腔內有非金屬密封材料橡膠和聚乙烯。四氟乙烯塑料不能進行焊后熱處理。

另外，在閥體焊接接頭的設計中，焊縫根部有一個環形裝配間隙用于對齊和定位。這種差距造成的應力集中是內部壓力和外部載荷下正常干燥工作應力的幾倍。也使工程師難以處理。

因此，閥體焊接接頭的應力集中，殘余應力和根部間隙組織不良成為閥體結構的薄弱環節，引起國內外閥門界的關注，但尚未見相關報道發現解決這個問題。該產品存在結構完整性的隱患。

據美國在20世紀90年代的統計，焊接接頭的失敗導致經濟損失達到國民經濟的5％。在金屬材料焊接結構的大量故障中，分析結果表明焊接接頭的大部分故障是由于金屬材料的韌性不足造成的。接合處的金屬材料在焊接過程中迅速熔化并迅速凝固，由于周圍金屬的結合力而產生殘余金屬應力。金屬材料反復經歷熔化 - 凝固相變過程以形成大的柱狀晶粒。 ，并產生沉淀，夾雜物，孔隙和微裂紋等缺陷，使材料早期形成明顯減少。 由于干事故的復雜性，由于某種原因很難預測結構的失效，但從統計的角度來看，焊接結構的大部分損壞是由于干材料的韌性不足以及疲勞 微小缺陷造成的裂紋。 不斷擴大造成的。

由于焊接后金屬材料的不均勻性，劣勢和缺陷，材料科學的三個基本假設;連續性假設，均勻性假設和各向同性假設不再滿足，這就需要應用斷裂力學理論。斷裂力學的任務是利用線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學的方法來解決構件的裂紋問題，從構件中存在宏觀微裂紋的事實出發。也就是說，裂紋尺寸，工作應力以及材料抵抗裂紋的能力（即裂紋張開位移CTOD斷裂韌性值）在組件中定量相關，并且安全性和壽命測試分析和評估。

斷裂力學的發展定義了“裂紋尖端開口位移（CTOD）”，可準確評估焊接接頭的韌性。 1991年，英國焊接研究所提出了標準BS7448 Part1，該標準為金屬材料提供了關鍵的CTOD，J積分和KIC測試方法。在1997年，BS7448第二部分的第二部分被提出用于焊接金屬材料的KIC，用于臨界CTOD和J積分的方法，補充BS7448 Part1關于焊接接頭性能的不均勻性以及殘余應力存在的特性，目前工程界已在國際上認可該特性。 ，用于確定焊接接頭CTOD斷裂韌性值的測試標準。

隨后，2000年，英國標準局發布了BS7910-1999“金屬結構缺陷驗收評估指南”。它使用基于斷裂力學的失效評估圖（FAD）來評估金屬結構中的缺陷。根據BS7448第二部分的試驗方法，美國石油學會在API 1104“管道焊接及相關設施”標簽中增加了附錄A，并提出了管道焊接接頭的CTOD值。 DNV-OS-401還在項目驗收評估中提交了CTOD值的評估和驗收標準，以便對焊后熱處理的大型結構部件進行工程評估。 CTOD值實際上與母材，焊絲，助焊劑，焊接工藝，焊接方法，焊接結構尺寸等的焊接有關厚度和其他因素與材料的抗開裂綜合參數和性能指標有關。

中國的大量焊接工人已經應用CTOD斷裂韌性測試來評估焊接安全性。在海上石油平臺建設中，海洋石油工程有限公司采用CTOD斷裂韌性試驗評估了焊縫的低溫斷裂韌性。試驗結果表明，EH36鋼電極弧焊，單絲埋弧焊和雙絲SAW三種焊接工藝中，大多數試樣在低溫下的斷裂韌性值均可接受，焊接接頭和熱影響區均為合格。焊接接頭的評估可以在沒有焊后熱處理的情況下使用，縮短海洋平臺結構的制造周期降低了制造成本。飛利浦石油公司和DNV DNV對整個測試工作給予了高度評價。

根據歐洲共同體結構完整性評估方法（SINAP）的要求，天津大學應用CTOD測試方法評估海底油氣管道的安全性，并根據測試結果得出了肯定的結論。

武漢理工大學和中國船級社通過 CTOD 值，評定從二種不同的無熱時效處理的焊接工藝中確定出最佳焊接工藝。

天津大學根據 CTOD（裂紋間斷張開位移）試驗結果，先后采用英國標準協會提出的 BS7910 標準和歐共體提出的結構完整性評定方法 SINTAP，針對 EH36 管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進行評定。

清華大學對常用橋梁鋼 Q370qE 和 Q345qD 鋼進行 CTOD 試驗，分別計算材料在脆斷、韌脆破壞和韌性破壞時的 CTOD 值，作為修訂常規沖擊韌度標準的依據。

清華大學童莉葛和中國石油天然氣管道科學研究院白世武、劉方能，建立預測高強度管線鋼（X70）焊接接頭性能參數裂紋尖端張開位移（CTOD）的 BP 神經網絡模型，為焊接工藝參數優化提供有效手段。

以 Class600，20in 全焊接閥體管線球閥 44mm 厚圓筒狀閥體焊接接頭為例，根據 API 1104 附錄 A 和 DNV-OS-401 的標淮和 CTOD 的試驗結果，評定該埋弧焊焊接接頭具備可免焊后熱處理的條件是充分的。

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