錯(cuò)邊對(duì)壓力管道焊接接頭應(yīng)力集中影響研究

陳敏

摘要：焊接對(duì)于當(dāng)代中國(guó)管道行業(yè)起著至關(guān)重要的作用，目前壓力管道廣泛應(yīng)用于石油化工等行業(yè)，也向規(guī)?；⒍鄻踊蛷?fù)雜化的方向發(fā)展，然而如何處理具有缺陷的壓力管道是目前工程界所關(guān)注的問題。文章結(jié)合計(jì)算和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，針對(duì)焊接接頭出現(xiàn)的不同位置、不同的條件下所出現(xiàn)的錯(cuò)邊問題，研究錯(cuò)邊對(duì)壓力管道焊接接頭應(yīng)力集中影響。

關(guān)鍵詞：錯(cuò)邊；壓力管道；焊接接頭；應(yīng)力集中；管道行業(yè)；石油化工 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG441 文章編號(hào)：1009-2374（2016）30-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.033

壓力管道是一種大型壓力管道，是水電工程輸水結(jié)構(gòu)的重要組成部分。它有很高的內(nèi)部壓力——水壓力。在壓力管道的生產(chǎn)和安裝中，容易產(chǎn)生焊接缺陷。這些缺陷可以通過焊接等措施進(jìn)行修復(fù)，但較小的缺陷往往被忽視。在這些缺陷中，關(guān)節(jié)軸承的幾何尺寸和突變導(dǎo)致了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，從而大大降低了接頭的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生脆性斷裂，并對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂有很大的影響，因此有必要對(duì)焊接缺陷壓力鋼管進(jìn)行力學(xué)分析和安全性評(píng)價(jià)。常規(guī)方法分析了壓力鋼管在生產(chǎn)和安裝中常見的焊接缺陷，所以根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，錯(cuò)位缺陷的程度不同，安全性評(píng)價(jià)就不同，對(duì)錯(cuò)位問題提供了一個(gè)可靠的力學(xué)依據(jù)，具有重要的工程意義。

1 壓力管道和焊接接頭應(yīng)力集中

壓力管道是管道的一部分，管道用于輸送、分配、混合、分離、排放、測(cè)量、控制和防止流體流動(dòng)，通過管道連接，控制管道配件、法蘭、螺栓、墊片、閥門等部件或部件在壓縮和支架上的裝配。壓力管道是一個(gè)系統(tǒng)，相互聯(lián)系和相互影響，牽一發(fā)而動(dòng)全身。長(zhǎng)徑比的壓力管非常大，很容易失去穩(wěn)定性，壓力情況比壓力容器更復(fù)雜。壓力管道具有復(fù)雜的流體流動(dòng)狀態(tài)，小的緩沖室，工作條件的變化和頻率高于壓力容器（如高溫、高壓、低溫、低壓、位移和變形，風(fēng)、雪、地震等）可能的壓力管道應(yīng)力的影響。管道部件和管道支架要用到各種材料，各種材料都有各自的特點(diǎn)和具體的技術(shù)要求，材料選擇復(fù)雜。管道可能比壓力容器泄漏點(diǎn)多，只有一個(gè)閥門通常有5個(gè)。壓力管道的種類多、數(shù)量大，設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、應(yīng)用管理環(huán)節(jié)與壓力容器的數(shù)量不一樣。在一個(gè)無限平板的情況下，K=3的圓孔的邊緣是：板的厚度的半徑的圓孔的比率是不同的，該板的厚度比，K=1.8～3；在扭轉(zhuǎn)的情況下，K=1.6～4。帶圓孔的帶是軸向拉伸的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在局部區(qū)域附近的孔應(yīng)力增加和應(yīng)力降低，應(yīng)力是均勻的。這種現(xiàn)象被稱為應(yīng)力集中，指由于截面尺寸的突然變化和局部應(yīng)力的增加所引起的應(yīng)力。在I型截面上，在同一截面上的應(yīng)力最大值與同截面的平均應(yīng)力比值是理論應(yīng)力集中系數(shù)，這反映了應(yīng)力集中的程度，是超過1的因素。我們應(yīng)該避免零件用鋒利的孔或槽，多使用圓弧過渡突變的階梯桿段。應(yīng)力集中不僅與物體的形狀、外觀的結(jié)構(gòu)、材料的選擇有關(guān)，溫度因素和外部應(yīng)用環(huán)境不能忽略。此外，在這個(gè)過程中也可能發(fā)生壓力變化，例如回火引起的不適當(dāng)?shù)亩未慊鹆鸭y和電火花線切割微裂紋，機(jī)械設(shè)計(jì)將不可避免地導(dǎo)致一些部分的應(yīng)力集中。

2 應(yīng)力集中對(duì)管道的影響

對(duì)于脆性材料制成的部件，將保持應(yīng)力集中現(xiàn)象，直到最大局部應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度。因此應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響，設(shè)計(jì)一個(gè)脆性材料成分。對(duì)于由塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對(duì)靜載作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響不大。在研究塑料材料組分的靜態(tài)強(qiáng)度時(shí)，通常不考慮應(yīng)力集中的影響。交變應(yīng)力作用下材料的失效稱為疲勞破壞。通常材料的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜態(tài)極限強(qiáng)度，可能發(fā)生破壞。對(duì)于具有均勻結(jié)構(gòu)的脆性材料，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，在構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意。但由于工程實(shí)際需要，一些零件經(jīng)常切口、剪線槽等，從而使桿截面尺寸發(fā)生突變，此時(shí)截面應(yīng)力不再均勻分布，這已通過理論和實(shí)驗(yàn)證明。

3 管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析是壓力管道設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它直接關(guān)系到管道自身和與其相連的機(jī)器、設(shè)備、土建結(jié)構(gòu)的安全。

如圖1所示，根據(jù)下面方程進(jìn)行計(jì)算[B31.3 304.2.3式（1）、式（2）、式（3）]，蝦米腰彎頭是指偏斜角大于三度的管段，對(duì)于偏斜角小于三度的管段，不要求作為蝦米腰彎頭考慮。對(duì)于彎曲角小于22.5度的多段蝦米腰彎頭，其最大許用內(nèi)壓按式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算，并取其較小值。彎曲角不大于22.5度的單段蝦米腰彎頭，最大許用內(nèi)壓根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算。彎曲角大于22.5度的蝦米腰彎頭，最大許用內(nèi)壓按式（3）進(jìn)行計(jì)算。

Rm=SEW（T-c）/r2*T-c/（T-c）+0.643tanθ（T-c） （1）

Rm=SEW（T-c）/r2*（R1-r2）/R1-0.5r2）（2）

Rm=SEW（T-c）/r2*T-c/（T-c）+1.25tanθ

（T-c） （3）

（4）

其中A具有以下的條件：

對(duì)于SI公制單位：

對(duì)于US公制單位：

還有分支設(shè)計(jì)，壓力作用下所需的補(bǔ)強(qiáng)一般是通過等面積補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算的（304.3.3），等面積補(bǔ)強(qiáng)不適用于非表列三通元件，這些三通元件應(yīng)至少滿足下面的其中一項(xiàng)需求：

用同樣或類似材料制作的相似比例的組件，在類似條件下所獲得的廣泛而成功的使用經(jīng)驗(yàn)，如按BPV規(guī)范VIII-2附錄5.F進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析，按ASME B16.9、MSS SP-917或BPV規(guī)范VIII-1 UG-101規(guī)定的驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析（如采用有限元）。大家可以關(guān)注專業(yè)的壓力管道有限元軟件FEATools，其中可專門進(jìn)行三通的有限元應(yīng)力校核。B31.3等面積補(bǔ)強(qiáng)規(guī)則是對(duì)支管連接的最低要求，僅在下述條件下有效：支管軸線與主管軸線相交。連接角度必須大于45度，主管直徑與厚度比Dh/Th<100且支管與主管直徑比Db/Dh≤1.0主管的Dh/Th≥100，且Db/Dh<1/2。

4 影響壓力管道焊接性能的因素

焊接材料手工電弧焊電極、自動(dòng)埋弧焊和氣體保護(hù)焊絲，熔化后進(jìn)入焊縫金屬零件，直接影響焊縫金屬的化學(xué)成分。磁通對(duì)磁通化學(xué)成分的影響。該方法的熱源是不同的，和溫度是不同的從熱。其結(jié)果是，熱影響區(qū)的大小和焊接接頭的顯微組織是不一樣的，和接頭的性能是不同的。此外，不同的焊接方法，機(jī)械保護(hù)效果也不同。由于焊縫金屬的純度即有害雜質(zhì)的含量不同，焊縫的性能會(huì)有所不同。選擇以保證焊接質(zhì)量的物理量（如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等），稱為焊接工藝參數(shù)。一些在焊接過程中出現(xiàn)的問題，如氣孔、夾渣或沒有焊接嚴(yán)實(shí)和沒有熔合，還有就是在焊接后的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)裂縫，這些都是用肉眼無法觀察的現(xiàn)象，都是壓力管道的構(gòu)建中最為薄弱的焊接環(huán)節(jié)問題，每一個(gè)焊接點(diǎn)都關(guān)系到整個(gè)壓力管道的承載能力，因此在焊接點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，很容易出現(xiàn)泄漏的問題和產(chǎn)生事故。尤其是錯(cuò)位的問題，這個(gè)問題的出現(xiàn)更容易引發(fā)問題，因?yàn)樗鼤?huì)增加接頭應(yīng)力集中的問題，讓管道運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的泄漏問題，發(fā)生事故，所以下面我們就研究錯(cuò)邊對(duì)壓力管道焊接接頭應(yīng)力集中影響。

5 錯(cuò)邊對(duì)壓力管道焊接接頭應(yīng)力集中的影響

在壓力管道的組裝過程中，錯(cuò)誤的一方是不可能完全避免的，但是一旦在使用過程中或在裝配過程中，要解決這一問題的位錯(cuò)問題是非常困難的，如果在施工過程中沒有把握好，下面的錯(cuò)位問題將改善幾何應(yīng)力等應(yīng)力。位錯(cuò)焊接缺陷會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，主要原因是軸承結(jié)構(gòu)的缺陷降低了截面的有效面積，而周圍的缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中，位錯(cuò)的形狀不同，截面形狀的變化引起不同程度的變化，載荷方向的角度不同會(huì)使周圍的缺陷的應(yīng)力集中度也不相同。以一個(gè)較小的位錯(cuò)缺陷為例，位錯(cuò)的各向同性無限彈性體被包圍和作用應(yīng)力，在缺陷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生高的應(yīng)力集中，使這些地方的缺陷裂紋的位錯(cuò)被連接，在這種情況下，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在邊緣位錯(cuò)上。位錯(cuò)逐漸變?yōu)槠瑺盍鸭y，其結(jié)果是應(yīng)力集中變得非常嚴(yán)重。在這些問題的情況下，唯一的預(yù)防方法是在實(shí)施中嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在整個(gè)缺陷控制的范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)制。

6 壓力管道焊接問題的防護(hù)

管道工程施工的焊接過程是關(guān)鍵過程和主要過程。壓力管道焊接過程中，焊接質(zhì)量對(duì)管道介質(zhì)的流量和流動(dòng)方向有直接影響，并影響管道磨損和安全操作。管道接頭組在相應(yīng)的溝槽處理、清洗質(zhì)量確認(rèn)后，組的焊接位置的聯(lián)合管道是保證焊接質(zhì)量，促進(jìn)管道在后面的接頭形成的關(guān)鍵，一個(gè)良好的槽的形式，組的間隙、鈍邊緣的大小合適，可能很容易導(dǎo)致內(nèi)部凹陷、重疊，缺乏滲透缺陷。間隙應(yīng)均勻，定位應(yīng)確保噴嘴內(nèi)壁，壁厚不大于10%，不應(yīng)大于15毫米。如果墻體厚度不一致，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行過渡。如果焊接定位板應(yīng)在焊接管的角焊縫的同一個(gè)方向，應(yīng)將其放置在管組中，并應(yīng)采取措施防止焊接過程的變形。定位焊接時(shí)，應(yīng)與根通的焊接材料和焊接工藝相通，并由合格的焊機(jī)進(jìn)行焊接。

7 結(jié)語

為了避免產(chǎn)生管道爆炸泄露的事故，我們應(yīng)該在整套管道運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行和檢修方面進(jìn)行大規(guī)模的管理，同時(shí)還要在安裝的環(huán)節(jié)上對(duì)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)，以此來實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行的可靠性。

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