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一條含未焊透缺陷壓力管道的強度分析與安全評定

文檔作者：蕭艷彤王澤軍文檔來源：天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月10日
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· 26 · 化工設(shè)備與管道 第42卷
一條含未焊透缺陷壓力管道的強度分析與安全評定
蕭艷彤， 王澤軍
(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，天津300192)
[摘要] 采用有限元方法對一條含未焊透缺陷的壓力管道進行了強度分析與安全評定。結(jié)果表明，焊縫存在的未焊透缺陷不影響管道的
安全運行。
[關(guān)鍵詞] 管道； 未焊透； 強度校核； 安全評定
Strength Analysis and Safety Assessment for A Pressure Piping
with Incomplete W elding Flaw
Xiao Yantong，Wang Zejun
Tianjin Special Equipment Supervising Inspection and Technology Research Institute Tianjin，300192
[Abst~ct] By using finite element method，a pressure piping with incomplete welding flaw was analyzed in strength and assessed in safe
ty． The results showed the existence of the flaw would not effected the safe operation of the piping．
[Keywords] piping，incomplete welding，strength check，safety assessment
1 前言
某工程氧氣管道在射線檢測過程中發(fā)現(xiàn)多處嚴
重未焊透缺陷，由于工期緊張、修復(fù)施工難度大等多
種原因，無法進行修復(fù)。為了保證工程進度和管道
的安全運行，采用了有限元方法對此管道進行了靜
強度分析校核，并在此基礎(chǔ)上進行了斷裂力學評定。
該管道總長約4500m， 主體材料為
1Crl8Ni9Ti，設(shè)計壓力為1．6MPa，管道規(guī)格為
426 X 10mm，在常溫下工作。射線探傷發(fā)現(xiàn)存在
100余處根部未焊透缺陷，主要發(fā)生在煉鋼車間內(nèi)
旁路管道和氧氣站出口管段上。最嚴重的未焊透缺
陷深約1mm，軸向?qū)挾燃s1mm，斷續(xù)存在于煉鋼車
間內(nèi)過濾器旁路管道彎頭與直管的連接焊縫內(nèi)側(cè)整
條焊縫上。
2 分析思路與分析模型
為了進行安全評定，首先應(yīng)進行整條管道(無缺
陷)的靜載應(yīng)力分析，尋找最大應(yīng)力發(fā)生的位置；然
后采用子模型方法分別分析最有可能發(fā)生斷裂的缺
陷位置處的詳細應(yīng)力狀況并進行靜強度校核和斷裂
力學評定。
159 X 6斜接，最大位移應(yīng)力超過1．5[d]一169．5
M Pa。
以上的評定都未考慮斜接焊縫處的焊接殘余應(yīng)
力，也未考慮斜接處焊縫的內(nèi)部缺陷。斜接處受內(nèi)
壓及溫差作用下的當量應(yīng)力水平較高，若與焊接殘
余應(yīng)力疊加，容易使微小的缺陷擴展而產(chǎn)生脆性破
裂。由于直埋管僅需1 5 9／6拍片，斜接口焊縫往往不
進行拍片，存在缺陷漏檢的可能性。
5 結(jié)論
(1)對于城市天然氣直埋管與定向穿越管之間
的斜接，CJJ33-89{城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)
范》未作明確規(guī)定的情況下，應(yīng)由設(shè)計單位確定實施
定向穿越的最大角度，及其與直埋管間的連接要求，
不能任由安裝單位隨意連接。
(2)斜接管最大軸向應(yīng)力位于斜接處的側(cè)面，此
處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，存在邊緣彎曲應(yīng)力，造成應(yīng)力增
加。
(3)斜接口位置存在較高的局部應(yīng)力，當安裝溫
度為35 C，斜接角度為9。及12。的 325 X 8斜接，以
及斜接角度為12。的 159 X 6斜接，最大位移應(yīng)力
超過1．5[d]。
(4)斜接處受內(nèi)壓及安裝溫度與使用溫度間溫
差作用下的當量應(yīng)力水平較高，若與焊接殘余應(yīng)力
疊加，容易使微小的缺陷擴展而產(chǎn)生脆性破裂。
參考文獻
[1] GB50316-2000，工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范
[23 CJJ33—89，城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范IS]
[3] GB50028—93，城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范[s]
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2005年第5期 · 27 ·
對管道的整體分析采用分段方式進行。根據(jù)焊
接缺陷的實際分布位置，分析中選取煉鋼車間旁路
管道和氧氣站出口管道兩段進行有限元應(yīng)力分析。
為了較準確地得到管道的實際應(yīng)力水平，分析中沒
有選擇運算量較小的管單元，而是采用ANSYS軟
件的SOLID92(十節(jié)點四面體實體單元)建立三維
模型進行分析。
分析模型中通過約束關(guān)鍵點的X、Y、Z三個方
向的平動位移來模擬管道上的固定支座，通過約束
垂直于管道軸線的兩個平動位移來模擬管道上的滑
動支座。在分段分析模型的兩端管道截取面上約束
軸向位移。
分析模型考慮管道內(nèi)壓力以及閥門、過濾器的
重量載荷，不考慮管道自重、介質(zhì)重量以及介質(zhì)流動
方向改變帶來的載荷。旁路管道系統(tǒng)的三個閥門及
氧氣過濾器的質(zhì)量均為1000Kg(即重載均為
9800N)，分析模型將這些集中載荷均布在其重心周
圍的8個關(guān)鍵點上。
分析中材料楊氏模量取為195000MPal1一，泊桑
比取為0．243_2j。
旁路管道模型中單元數(shù)量為253883個，節(jié)點數(shù)
量為452484個；氧氣站出口管道模型中單元數(shù)量為
213322個，節(jié)點數(shù)量為425399個。
分析表明，旁路管道彎頭與直管連接位置應(yīng)力
水平是所有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷位置中最高的，因此子模
型取在此位置。子模型有兩個，一個不含缺陷(目的
是將應(yīng)力用于斷裂評定)，一個含缺陷(目的是進行靜
強度校核)。缺陷取為深、寬各lmm的整圈未焊透。
3 含缺陷焊接接頭靜強度校核
在焊縫位置取8條評定線進行線法強度評定。
結(jié)果見表1。由于應(yīng)力水平很低，因此表中僅給出
了這8條評定線上各種應(yīng)力的范圍。需要說明的
是，模型中沒有考慮未焊透缺陷根部的過渡圓角，而
是采用直角；由于理論上的直角是不存在的，峰值應(yīng)
力分析結(jié)果是不準確的，會隨著網(wǎng)格的細化一直成
比例增加，因此表中沒有對峰值應(yīng)力和總應(yīng)力進行
評定。從表1可以看出，應(yīng)力水平均很低且均滿足
要求。
4 斷裂力學評定[3]
與靜強度校核相同，考慮最為嚴重的情況，即在焊
縫內(nèi)側(cè)存在深度為lmm 的整圈未焊透，并按照表面裂
紋處理，這樣，裂紋深度d=lmm，裂紋半長c一7c×406／
2=637．42mm，管子壁厚取t一10mm。
在進行評定之前，首先需要確定無缺陷時缺陷位
置的應(yīng)力狀況。從前面的無缺陷分析模型可以得到
缺陷焊縫截面的軸向應(yīng)力分布，為了得到斷裂評定用
薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，在最大應(yīng)力點附近取11條穿
過壁厚的評定線(評定線A～K)，分析結(jié)果見表2。
表1 評定線1～8的各種應(yīng)力強度
數(shù)值，MPa 應(yīng)力種類 限制值，MPa 評定結(jié)果
薄膜應(yīng)力 29．23～34．92 局部薄膜應(yīng)力 1．5 x18【1 通過
彎曲應(yīng)力 2．75～5．55 一次彎曲應(yīng)力 1．5 x18(j 通過
薄膜+彎曲 31．16～38．99 一次應(yīng)力 1．5 x1 80 通過
峰值應(yīng)力 18．80～64．()6 峰值應(yīng)力
總應(yīng)力 34．94～74．05
表2 無缺陷時各評定線上的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力 單位：MPa
評定線 A B C D E F l G 1 H I l J 1 K
薄膜應(yīng)力 16．69 17．25 1 7．37 1 7．44 1 7．46 1 7．47 1 17．44 l 17．39 1 7．31 l 1 7．22 l 1 7．07
I 彎曲應(yīng)力 一1．38 —1．10 一O．92 一(】．81 —0．74 一o．60 J一0．48 J一0．35 -0．22 I～0．11 l 0．03
‘● m e ．- ～ ? ． 。。 ? ．- ’～ 一
圖1 焊縫截面上的軸向應(yīng)力分布 圖2 評定線A～K
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· 28 · 化工設(shè)備與管道 第42卷
(1)等效裂紋尺寸 的計算
一n( )
上式中：
a：裂紋深度，取1mm；
F一1．1+5．2× (0．5) ? × (旦) 8 “c一1
． 1 82
f
查文[3]表1得：‘』J一1．0
這樣，等效裂紋尺寸 一1．4mm。
(2)允許裂紋尺寸 計算
① 沿焊縫截面均勻分布的軸向拉應(yīng)力：無缺陷
時為17．47MPa(取表2中的最大值)，即口，=17．47
M Pa；
②沿焊縫截面線性分布的彎曲應(yīng)力：從表2可
以看出，此項應(yīng)力很小，因此取口!一0MPa；
③ 焊接殘余應(yīng)力：由于焊接后不進行消除應(yīng)力
熱處理，因此焊接殘余應(yīng)力取為材料的屈服強度，即
373MPa。殘余應(yīng)力的當量拉應(yīng)力值為 =373×
0．6=223．8M Pa：
④ 總應(yīng)變值e一(口 +口 +口，)／E=0．O01 8；
⑤塑性應(yīng)變e =d ／E=0．001913；
⑥斷裂韌性 =0．265mm_4](為板材試驗結(jié)
果，考慮焊縫的影響，計算中取 一0．265／1．5=0．
1 77m m )；
⑦ 由于P< e ，則允許裂紋尺寸 一 ／
l 27ce (el!I=35．15mm；
L v J
(3)斷裂評定
由于 ，所以不會發(fā)生斷裂，缺陷允許存在。
將 反算成未焊透缺陷，可以得到n一5．
1mm，也就是說，最大允許存在的未焊透缺陷深度
為5．1mm。
5 分析與討論
(1)有限元分析表明，除了連接旁路管道的三通
位置出現(xiàn)較高應(yīng)力外(為173MPa)，其它位置的應(yīng)
力強度水平均在50MPa以下。所以，從宏觀意義上
看，整個管道系統(tǒng)的工作應(yīng)力水平均很低，低于材料
屈服強度的1／7( 一373MPa[4])，抗拉強度的1／10
(口^一540M PaE )
。
(2)在上述斷裂評定過程中，采用了非常保守的
做法，如用整圈未焊透代替實際的斷續(xù)未焊透、未焊
透深度取用最大值、采用最高的應(yīng)力值、將斷裂韌性
降低33 等，即便如此，允許存在的整圈未焊透深
度仍然可以達到管子壁厚的50 。這說明對低應(yīng)
力水平的壓力管道，從靜強度角度考慮未焊透缺陷
的要求可以適當放寬。
參考文獻
[1] GB151)1998．鋼制壓力容器[s]．國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布
[2] 潘家禎。壓力容器材料實用手冊—— 碳鋼及合金鋼[M]．化學
工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2000年7月第1版
E33 CVDA 1984，壓力容器缺陷評定規(guī)范[s]．壓力容器缺陷評定
規(guī)范編制組．1984年
[4] 胡長廉．壓力容器安全可靠性及應(yīng)用實例[M]．北京科學技術(shù)
出版社，1993年4月第一版
21106年《化工機械》征訂啟事
《化工機械》是國內(nèi)外公開發(fā)行的中央級化工機械專業(yè)技術(shù)刊物，系全國優(yōu)秀期刊及中國科技核心期刊，多次榮獲
部、省級獎勵。由天華化工機械及自動化研究設(shè)計院與中國化工學會化工機械專業(yè)委員會合辦?！痘C械》創(chuàng)刊于
1974年，主要報道化工機器、化學工程及設(shè)備，化工材料及防腐蝕的科技成果、適用技術(shù)、雙革經(jīng)驗和科技信息，可供從事
科研、設(shè)計生產(chǎn)和教學工作者參考。
《化工機械》為雙月刊，大16開本，64頁，逢雙月5日出版，單價8．00元，全年48．()()元。郵發(fā)代號：54—22，全國各
地郵局均可訂閱，漏訂讀者可匯款到編輯部補訂。
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