錯邊對壓力管道焊接接頭應力集中影響研究

陳敏

摘要：焊接對于當代中國管道行業起著至關重要的作用，目前壓力管道廣泛應用于石油化工等行業，也向規?；?、多樣化和復雜化的方向發展，然而如何處理具有缺陷的壓力管道是目前工程界所關注的問題。文章結合計算和現有的數據，針對焊接接頭出現的不同位置、不同的條件下所出現的錯邊問題，研究錯邊對壓力管道焊接接頭應力集中影響。

關鍵詞：錯邊；壓力管道；焊接接頭；應力集中；管道行業；石油化工 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG441 文章編號：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，是水電工程輸水結構的重要組成部分。它有很高的內部壓力——水壓力。在壓力管道的生產和安裝中，容易產生焊接缺陷。這些缺陷可以通過焊接等措施進行修復，但較小的缺陷往往被忽視。在這些缺陷中，關節軸承的幾何尺寸和突變導致了強烈的應力集中，從而大大降低了接頭的強度、結構的靜強度、疲勞強度，產生脆性斷裂，并對應力腐蝕開裂有很大的影響，因此有必要對焊接缺陷壓力鋼管進行力學分析和安全性評價。常規方法分析了壓力鋼管在生產和安裝中常見的焊接缺陷，所以根據相關的標準規定，錯位缺陷的程度不同，安全性評價就不同，對錯位問題提供了一個可靠的力學依據，具有重要的工程意義。

1 壓力管道和焊接接頭應力集中

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、測量、控制和防止流體流動，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。壓力管道是一個系統，相互聯系和相互影響，牽一發而動全身。長徑比的壓力管非常大，很容易失去穩定性，壓力情況比壓力容器更復雜。壓力管道具有復雜的流體流動狀態，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、雪、地震等）可能的壓力管道應力的影響。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和具體的技術要求，材料選擇復雜。管道可能比壓力容器泄漏點多，只有一個閥門通常有5個。壓力管道的種類多、數量大，設計、制造、安裝、檢驗、應用管理環節與壓力容器的數量不一樣。在一個無限平板的情況下，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；在扭轉的情況下，K=1.6～4。帶圓孔的帶是軸向拉伸的，實驗結果表明，在局部區域附近的孔應力增加和應力降低，應力是均勻的。這種現象被稱為應力集中，指由于截面尺寸的突然變化和局部應力的增加所引起的應力。在I型截面上，在同一截面上的應力最大值與同截面的平均應力比值是理論應力集中系數，這反映了應力集中的程度，是超過1的因素。我們應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。應力集中不僅與物體的形狀、外觀的結構、材料的選擇有關，溫度因素和外部應用環境不能忽略。此外，在這個過程中也可能發生壓力變化，例如回火引起的不適當的二次淬火裂紋和電火花線切割微裂紋，機械設計將不可避免地導致一些部分的應力集中。

2 應力集中對管道的影響

對于脆性材料制成的部件，將保持應力集中現象，直到最大局部應力達到極限強度。因此應考慮應力集中的影響，設計一個脆性材料成分。對于由塑性材料制成的構件，應力集中對靜載作用下結構的強度影響不大。在研究塑料材料組分的靜態強度時，通常不考慮應力集中的影響。交變應力作用下材料的失效稱為疲勞破壞。通常材料的交變應力遠小于靜態極限強度，可能發生破壞。對于具有均勻結構的脆性材料，應力集中將大大降低構件的強度，在構件設計中應特別注意。但由于工程實際需要，一些零件經常切口、剪線槽等，從而使桿截面尺寸發生突變，此時截面應力不再均勻分布，這已通過理論和實驗證明。

3 管道應力分析

管道應力分析是壓力管道設計的重要內容，它直接關系到管道自身和與其相連的機器、設備、土建結構的安全。

如圖1所示，根據下面方程進行計算[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，對于偏斜角小于三度的管段，不要求作為蝦米腰彎頭考慮。對于彎曲角小于22.5度的多段蝦米腰彎頭，其最大許用內壓按式（1）、式（2）進行計算，并取其較小值。彎曲角不大于22.5度的單段蝦米腰彎頭，最大許用內壓根據式（1）進行計算。彎曲角大于22.5度的蝦米腰彎頭，最大許用內壓按式（3）進行計算。

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：

對于SI公制單位：

對于US公制單位：

還有分支設計，壓力作用下所需的補強一般是通過等面積補強進行計算的（304.3.3），等面積補強不適用于非表列三通元件，這些三通元件應至少滿足下面的其中一項需求：

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驗，如按BPV規范VIII-2附錄5.F進行的實驗應力分析，按ASME B16.9、MSS SP-917或BPV規范VIII-1 UG-101規定的驗證試驗進行詳細的應力分析（如采用有限元）。大家可以關注專業的壓力管道有限元軟件FEATools，其中可專門進行三通的有限元應力校核。B31.3等面積補強規則是對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、自動埋弧焊和氣體保護焊絲，熔化后進入焊縫金屬零件，直接影響焊縫金屬的化學成分。磁通對磁通化學成分的影響。該方法的熱源是不同的，和溫度是不同的從熱。其結果是，熱影響區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，機械保護效果也不同。由于焊縫金屬的純度即有害雜質的含量不同，焊縫的性能會有所不同。選擇以保證焊接質量的物理量（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。一些在焊接過程中出現的問題，如氣孔、夾渣或沒有焊接嚴實和沒有熔合，還有就是在焊接后的一段時間內出現裂縫，這些都是用肉眼無法觀察的現象，都是壓力管道的構建中最為薄弱的焊接環節問題，每一個焊接點都關系到整個壓力管道的承載能力，因此在焊接點出現問題時，很容易出現泄漏的問題和產生事故。尤其是錯位的問題，這個問題的出現更容易引發問題，因為它會增加接頭應力集中的問題，讓管道運行時出現的泄漏問題，發生事故，所以下面我們就研究錯邊對壓力管道焊接接頭應力集中影響。

5 錯邊對壓力管道焊接接頭應力集中的影響

在壓力管道的組裝過程中，錯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，下面的錯位問題將改善幾何應力等應力。位錯焊接缺陷會降低焊接結構的強度，主要原因是軸承結構的缺陷降低了截面的有效面積，而周圍的缺陷產生的應力集中，位錯的形狀不同，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使周圍的缺陷的應力集中度也不相同。以一個較小的位錯缺陷為例，位錯的各向同性無限彈性體被包圍和作用應力，在缺陷區域會產生高的應力集中，使這些地方的缺陷裂紋的位錯被連接，在這種情況下，最大的應力出現在邊緣位錯上。位錯逐漸變為片狀裂紋，其結果是應力集中變得非常嚴重。在這些問題的情況下，唯一的預防方法是在實施中嚴格執行相應的標準，在整個缺陷控制的范圍內可以進行調制。

6 壓力管道焊接問題的防護

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

7 結語

為了避免產生管道爆炸泄露的事故，我們應該在整套管道運行系統的運行和檢修方面進行大規模的管理，同時還要在安裝的環節上對質量進行嚴格的檢測，并在發現問題的時候進行及時的修復，以此來實現管道運行的可靠性。

參考文獻

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