基于API1104标准ECA方法的质量控制体系

熊 奇，孙小磊，景 迪，张吉合

(天津蓝海检测工程技术服务有限公司，山东 青岛 266520)

基于API1104标准ECA方法的质量控制体系

熊 奇，孙小磊，景 迪，张吉合

(天津蓝海检测工程技术服务有限公司，山东 青岛 266520)

介绍了管线环焊缝验收中不同于常用经验判据的另一种标准——工程临界评估方法(ECA)。根据API1104附录A，介绍了ECA方法的概念、限制条件与适用范围，对比了ECA方法和经验判据的区别。阐述了建立基于ECA方法的质量控制体系的流程，对比了该体系相对于基于经验判据的质量控制体系所提出的附加要求，最后通过图示概括了基于ECA方法的质量控制体系。

API1104；ECA方法；质量控制

0 前言

API1104的第九部分给出了管线及相关设施的焊缝接收标准，其判据基于经验总结，主要根据缺陷长度进行验收。API1104附录A则介绍了管线环焊缝缺陷的另一种接收标准——工程临界评估方法，即ECA(Engineering Critical Assessment)方法。ECA方法运用材料断裂力学理论和材料力学性能实验数据，在确保管线性能要求的前提下，对焊缝缺陷长度、高度的最大允许值进行定量推导。与经验判据相比，ECA方法往往可以得到尺度更大的缺陷长度接收判据，因而在提高工程可靠性、降低工程成本方面具有重要意义。

1 ECA方法的概念与适用范围

1.1 ECA方法的概念

ECA方法是一种根据理论分析与计算，判断缺陷和不连续的影响，从而评估整体焊缝可靠性的焊缝接受标准。API1104提供了三种ECA计算方法来确定焊缝的面缺陷接收判据。根据所考虑力学参数的复杂程度，分为方法1、方法2、方法3三种。其中方法1和方法2分别有一套固定的计算流程，方法3则需要具有断裂力学专业知识的工程人员根据管线实际服役条件进行计算。附录A在A5.1.1中详细阐述了运用三种ECA方法建立缺陷接收判据的流程。

1.2 ECA方法的适用范围

1.2.1 ECA方法的适用条件

API1104的ECA方法使用需满足以下条件：

(1)只适用于API1104前言及第一部分限定的范围之内。

(2)ECA方法并不排斥API1104第九部分焊缝接收判据的使用，业主可根据自身情况进行选择。但是，由于ECA方法需要根据材料破坏性试验来制定符合要求的焊接工艺，因此对单道管线焊缝采用ECA方法是不现实的。

(3)只适用于壁厚相等的管对接环焊缝。

(4)所有焊缝全部进行无损探伤。

(5)不存在焊缝强度不匹配现象。

(6)最大轴向设计应力不高于规定的最小屈服强度(SMYS)。

(7)最大轴向设计应变不高于0.5%。

(8)不适用于泵和压缩机焊缝，以及主要管线的返修焊缝、装置、阀门。

1.2.2 管线应力分布对ECA方法的影响

管线应力分析结果也会影响ECA方法的使用。针对不同的应力分布状态，ECA方法会作出相应调整。API1104附录A开展了五个方面的应力分析：

(1)轴向设计应力分析。

最大轴向设计应力是指管线在安装和服役条件下产生的各种轴向应力的最大值之和。最大轴向设计应力是ECA方法的必需参数，它的确定是开展ECA计算的基础。API1104附录A2.1介绍了轴向设计应力的计算方法。

(2)循环应力分析。

循环应力分析包括但不限于水压试验应力、热应力、震动应力以及沉淀应力的预期疲劳应力谱。可根据API1104附录A2.2.1计算轴向设计应力。循环应力的谱强度直接影响ECA方法的选择。

同时，环境亦对循环载荷下的疲劳强度产生影响。当非耐蚀性管道内的CO2或H2S浓度超过历史典型水平时，API1104的ECA方法不能采用，除非有证据证明在该浓度下疲劳裂纹扩展速率没有增加。同时，当外部施加了足够的缓蚀措施，如缓蚀剂、阴极保护或防腐涂层，降低了疲劳裂纹扩展速率，则ECA方法可以使用。

(3)持续载荷下的应力腐蚀开裂(SCC)。

在持续载荷下，某些有害物质的存在可能增加材料脆性。典型的该类环境包含H2S，可能含有羟化物、硝酸盐或碳化物。如果管线内有该类有害物质存在，则应该建立最小应力阈值；若计算所得管线应力值超过阈值，ECA方法不可使用。同样，SCC的频率和严重性因为防腐措施而缓解时，ECA方法也可以在管线内存在促进SCC物质存在的情况下使用。

(4)动载荷。

ECA方法的应力分析也应该考虑到动载荷对环焊缝影响，如关闭阀门产生的应力。当焊缝应变率超过10-3／s(30 kips／sq应力下)时，ECA方法不适用。

(5)残余应力。

在方法1和方法2中，引入了专门的安全因子(根据CTOD值和Charpy冲击功得出)对残余应力的影响进行补偿。这时，无需再另外进行应力分析。

2 基于ECA方法的质量控制体系

在采用ECA方法作为焊缝接收标准时，附录A沿用了API1104标准正文的质量控制体系。它遵循API1104第五部分至第十二部分的要求，只是将第九部分无损探伤接收标准的经验判据用ECA方法建立的接收标准加以取代。因此，在建立基于ECA方法的质量控制体系时，同样遵循“工艺评定→焊工评定→接头准备→施焊→焊缝检验→缺陷记录与返修”的流程。同时，为满足ECA方法对焊缝断裂韧性的要求，附录A在焊接工艺、力学性能试验等方面提出了更加严格的补充要求，现将各体系环节与API1104正文作对比介绍。

2.1 工艺评定

在API1104第五部分基础上，附录A对工艺评定作了两方面附加要求。首先，附录A工艺评定基本变量的变化区间更加明确和严格。例如对管壁厚、保护气体流量、层间温度、管外径、热输入这五项基本变量，附录A给出了量化的变化区间。

其次，附录A引入了附加力学性能试验，包括CTOD值和Charpy冲击功试验，同时重新定义了拉伸试验要求(上述试验的取样方法、试样制式、达标条件等详见A3.2)。

2.2 焊工评定

附录A的焊工评定遵循API1104第六部分及12.6的要求。

2.3 接头准备与施焊

接头准备遵循API1104第七部分的要求；施焊应由评定合格的焊工采用适宜装备，按评定合格的WPS进行。

2.4 焊缝检验

焊缝检验应遵循API1104第八部分的要求。无损检验程序应遵循API1104第十一部分的要求。将无损检测结果，与ECA方法建立的判据对比，进行焊缝接收／拒收。附录A对焊缝检验提出的附加要求有五个方面。

2.4.1 无损检测技术

由于ECA方法通过缺陷长度和高度两个维度对焊缝进行验收，因此对于基于ECA方法的无损检测，应采用能够进行缺陷高度测量的适宜方法进行(例如超声波探伤、采用显像密度计或目视对比标准的射线探伤、声成像技术等)，只要该检验方法的精确度可以确定并进行保守补偿。

2.4.2 ECA方法选择

API1104的ECA方法提供了三种建立判据的计算方法。三种方法的选择，除1.2.2节所述之要求，还应满足以下条件：

(1)方法1只适用于CTOD值大于等于0.004 in (0.10 mm)，方法2及方法3则可在CTOD值大于等于0.002in(0.05mm)的情况下使用。

(2)方法1与方法2的计算方式没有对外径／壁厚比(D／t)作限制，理论证明程序在D／t≥10的条件下适用。

(3)对于屈服强度／拉伸强度比值很高的材料(Y／T≥0.95)，其整体应变与延展性通常很低(最大拉伸应力下)，在此情况下使用ECA方法需要额外的实验与理论验证。

(4)由于三种方法理论前提不一致，因此不允许三种方法混用。

2.4.3 体积型缺陷验收

焊缝内部体积型缺陷可视作面缺陷验收，或者按照附录A表3判据验收；表面体积型缺陷应视作面缺陷验收。无论采取何种验收方式，都应满足CTOD试验与Charpy冲击试验的要求。

2.4.4 电弧擦伤

电弧擦伤通常呈孔状，并在孔周围形成低韧性的热影响区。若将热影响区韧性值视作0，同时源自热影响区的所有面缺陷边缘均为钝态，则可按附录A表4进行验收。包含肉眼可见裂纹的电弧擦伤不在附录A覆盖范围之内，应去除、返修。

2.4.5 缺陷的相互影响

对于焊缝内距离较近的缺陷，可根据附录A图A-11判断缺陷是否相互影响，若无相互影响，则按照独立缺陷进行验收；若相互影响，应按照附录A图A-11折算缺陷长度、高度，再按标准验收。

2.5 缺陷记录与返修

缺陷记录方式于API1104正文相似，返修遵循API1104第九、第十部分要求。

3 结论

综上所述，根据API1104附录A，可以建立基于材料力学性能试验和材料断裂力学理论计算的管线环焊缝验收标准。基于ECA方法的质量控制体系可用图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，重庆人，硕士，主要从事质量控制方面的研究工作。

图1 基于API1104标准ECA方法的质量控制体系