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內(nèi)壓、彎矩組合載荷作用下未焊透管道的安全評(píng)價(jià)方法研究

2016-05-30 11:13:48 安裝信息網(wǎng)

王飛，蔣誠航，許根富，陳濤

（1．杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江杭州310051；

2．浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，浙江杭州310012）

摘要：未焊透缺陷是壓力管道焊接接頭常見的一種缺陷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致管道的承載能力明顯降低，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。為了研究未焊透缺陷對管道安全性的影響，提出了采用非線性有限元分析方法，對含未焊透缺陷壓力管道的影響因素進(jìn)行簡化，通過研究其極限內(nèi)壓和極限彎矩隨未焊透深度、環(huán)向長度等影響因素的變化規(guī)律，進(jìn)一步獲得了單一載荷作用下的含未焊透缺陷壓力管道的極限載荷估算公式和極限載荷曲線簇。最終在試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上建立一種未焊透管道的安全評(píng)價(jià)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明該方法可用于含缺陷工業(yè)管道的安全評(píng)定是可行的。

關(guān)鍵詞：未焊透缺陷；極限載荷；非線性分析；試驗(yàn)研究；安全評(píng)價(jià)

0 引言

在我國的工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)壓力管道的分布和應(yīng)用極廣，同時(shí)也是一類潛在危險(xiǎn)性大的特種設(shè)備。然而由于之前管道施工技術(shù)有限與監(jiān)察管理不足等因素，目前在役的工業(yè)壓力管道普遍存在著大量缺欠（陷），其中較多的缺陷形式是未焊透，該類缺陷的存在對管道系統(tǒng)的安全構(gòu)成了潛在的安全隱患。未焊透缺陷通常是一種不連續(xù)缺陷，是在焊接過程由于組焊施工條件較差等原因形成的，未焊透的焊口形態(tài)復(fù)雜且不規(guī)則，極易引發(fā)安全事故。

當(dāng)前學(xué)術(shù)界對壓力管道焊接接頭未焊透缺陷的研究基本上以局部減薄或者裂紋來近似處理，系統(tǒng)性的針對對未焊透缺陷的研究并不多。大多數(shù)含缺陷的薄壁管道其失效模式是由塑性極限載荷控制的，因此壓力管道的塑性極限載荷的計(jì)算顯得尤為重要。本文以工業(yè)中典型的含未焊透缺陷不銹鋼管道作為研究對象，采用非線性有限元分析方法，對含有未焊透缺陷的壓力管道焊接接頭進(jìn)行安全分析。

1 物理模型及計(jì)算分析

1.1 物理模型

本文所研究的管道材料為S30408不銹鋼。采用了試驗(yàn)方法做出真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線，進(jìn)而得到該材料真實(shí)的多線性屬性，用于該材料未焊透管道焊接接頭模型的非線性有限元分析，物理模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了便于計(jì)算和分析，模型中的未焊透接頭結(jié)構(gòu)設(shè)置為等深且邊緣為矩形的形狀。根據(jù)所分析模型幾何結(jié)構(gòu)的對稱性和載荷分布的情況，基于節(jié)約計(jì)算資源的考慮，在建立有限元模型時(shí)取了該管道接頭的一半進(jìn)行建模，同時(shí)為避免約束造成的邊緣效應(yīng)對缺陷附近計(jì)算結(jié)果的影響，將模型管道的長度取為大于3倍管道半徑。

本文采用SOLID95單元和SOLID45單元混合配置的方法對壓力管道接頭的實(shí)體模型進(jìn)行離散化處理，為確保計(jì)算結(jié)果的精確性，將缺陷附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，未焊透管道計(jì)算實(shí)效模式如圖3所示。

1.2載荷及約束條件

本文主要研究的載荷條件分為純內(nèi)壓、純彎矩和內(nèi)壓彎矩組合的三種工況，具體加載及約束形式見表1。內(nèi)壓載荷通過管道內(nèi)表面壓力和端部軸向拉力的施加模擬，彎矩施加借助MPC185單元，形成一個(gè)管道模型外部的剛性平面，將彎矩載荷通過剛性平面?zhèn)鬟f到管道的端面上。

1.3計(jì)算方案

本文研究的管道規(guī)格為中89 mm x4 mm，并考慮了各種不同程度的焊縫根部未焊透缺陷。由于絕大多數(shù)管道對接接頭焊縫間隙為2 mm，因此取未焊透缺陷的軸向?qū)挾葹? mm。通過采用無量綱化參數(shù)表征未焊透缺陷的大小，定義未焊透缺陷的周向長度為p=L／1TRi、深度c= C/T。P。、M。為組合載荷作用下的極限內(nèi)壓和極限彎矩，無量綱化載荷參數(shù)m=M。/M。、p= PL/P/O。

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可得：

1)純內(nèi)壓作用下：未焊透環(huán)向長度日對極限內(nèi)壓的影響較小只有當(dāng)未焊透深度較大(c>0.4)后極限內(nèi)壓才隨著p明顯下降(見圖4(a))。但是，未焊透深度對極限內(nèi)壓有較大影響，其中未焊透深度較小(c≤0.4)時(shí)，未焊透深度的變化對極限內(nèi)壓的影響不大；而未焊透深度到達(dá)c= 0.4后極限載荷曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，極限內(nèi)壓減小速率顯著增加(見圖4(b))。

因此，純內(nèi)壓作用下，影響含未焊透管道極限載荷的主要因素是未焊透深度，且敏感值是c=0.4。

2)純彎矩作用下：未焊透環(huán)向長度9對極限彎矩的下降速率影響十分有限(見圖4(c))。

但是未焊透深度c對極限彎矩影響明顯。在不同環(huán)向尺寸療情況下，極限彎矩與未焊透深度c呈相似的指數(shù)遞減關(guān)系。隨著深度c的增加，極限彎矩的下降速率為先快后慢，且拐點(diǎn)為c = 0.4(見圖4(d))。

因此，純彎矩作用下，影響含未焊透管道極限載荷的主要因素依然是未焊透深度，環(huán)向長度日影響很小，甚至在環(huán)向尺寸p≥0. 25后，極限彎矩幾乎不發(fā)生變化。

3)在內(nèi)壓彎矩組合載荷作用下：極限載荷變化與純彎矩情況下幾乎一致，未焊透深度c依然是極限載荷的主要影響因素。從另一方面也說明，彎矩載荷較內(nèi)壓對未焊透缺陷有著更大的影響(見圖4(e)、(f))。

2 建立含未焊透缺陷管道評(píng)定方法

對未焊透模型的有限元極限載荷結(jié)果進(jìn)行匯總，利用1STOPT專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行擬合（見圖5），得到含未焊透缺陷管道極限內(nèi)壓和極限彎矩的工程計(jì)算公式：

根據(jù)極限載荷評(píng)定原理，當(dāng)管道所承載荷值低于其極限載荷時(shí)認(rèn)為管道是安全的。當(dāng)某一未焊透管道所承載荷位于圖6的包絡(luò)線以下則該管道是安全的，因此可將式(3)、(4)用于評(píng)定未焊透管道是否安全的判據(jù)。

考慮到工程應(yīng)用和安全性要求，且由于未焊透管道的失效主要模式為塑性失效，因此參照美國ASME規(guī)范第Ⅷ卷第Ⅱ分篇附錄4規(guī)定對公式(3)和(4)取安全系數(shù)n。= 1.5。最終獲得含未焊透缺陷管道的安全評(píng)定判據(jù)，即式(5)：

3 未焊透管道極限載荷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)裝置可對管道模型加載純內(nèi)壓、純彎矩和內(nèi)壓+彎矩聯(lián)合載荷這三種模式，對管道模型進(jìn)行應(yīng)變測試，通過獲得的載荷一應(yīng)變曲線進(jìn)而得到其塑性極限載荷，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加載要求，設(shè)計(jì)了專門的試驗(yàn)裝置如圖7所示。同時(shí)制作了四組由西89 mm x4 mm無縫鋼管組成的含有未焊透缺陷的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ姳?）。