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某工程氧氣管道在射線檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多處嚴(yán)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(wú)法進(jìn)行修復(fù)。為了保證工程進(jìn)度和管道的安全運(yùn)行，采用了有限元方法對(duì)此管道進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析校核，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了斷裂力學(xué)評(píng)定。該管道總長(zhǎng)約4500m，主體材料為1Cr18Ni9Ti，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，管道規(guī)格為426X10mm，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(yán)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(guò)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。
為了進(jìn)行安全評(píng)定，首先應(yīng)進(jìn)行整條管道(無(wú)缺陷)的靜載有限元分析，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(xì)應(yīng)力狀況并進(jìn)行靜強(qiáng)度校核和斷裂力學(xué)評(píng)定。對(duì)管道的整體分析采用分段方式進(jìn)行。根據(jù)焊接缺陷的實(shí)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(jìn)行有限元應(yīng)力分析。為了較準(zhǔn)確地得到管道的實(shí)際應(yīng)力水平，分析中沒(méi)有選擇運(yùn)算量較小的管單元，而是采用ANSYS軟件的SOLID92(十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元)建立三維模型進(jìn)行分析。分析模型中通過(guò)約束關(guān)鍵點(diǎn)的X，Y，Z三個(gè)方向的平動(dòng)位移來(lái)模擬管道上的固定支座，通過(guò)約束垂直于管道軸線的兩個(gè)平動(dòng)位移來(lái)模擬管道上的滑動(dòng)支座。
在分段分析模型的兩端管道截取面上約束車由向位移。分析模型考慮管道內(nèi)壓力以及閥門、過(guò)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(dòng)方向改變帶來(lái)的載荷。旁路管道系統(tǒng)的三個(gè)閥門及氧氣過(guò)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上。分析中材料楊氏模量取為195000MPa，泊桑比取為0.243，旁路管道模型中單元數(shù)量為253883個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為452484個(gè)，氧氣站出口管道模型中單元數(shù)量為213322個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為425399個(gè)。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(gè)，一個(gè)不含缺陷(目的是將應(yīng)力用于斷裂評(píng)定)，一個(gè)含缺陷(目的是進(jìn)行靜強(qiáng)度校核)。缺陷取為深、寬各1的整圈未焊透。
在焊縫位置取8條評(píng)定線進(jìn)行線法強(qiáng)度評(píng)定。結(jié)果見(jiàn)表。由于應(yīng)力水平很低，因此表中僅給出了這8條評(píng)定線上各種應(yīng)力的范圍。需要說(shuō)明的是，模型中沒(méi)有考慮未焊透缺陷根部的過(guò)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(zhǔn)確的，會(huì)隨著網(wǎng)格的細(xì)化一直成比例增加，因此表中沒(méi)有對(duì)峰值應(yīng)力和總應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。從表可以看出，應(yīng)力水平均很低且均滿足要求。
與靜強(qiáng)度校核相同，考慮最為嚴(yán)重的情況，即在焊縫內(nèi)側(cè)存在深度為1的整圈未焊透，并按照表面裂紋處理，這樣，裂紋深度d=1mm，裂紋半長(zhǎng)carAX406/2=637.42mm，管子壁厚取t=10mm。在進(jìn)行評(píng)定之前，首先需要確定無(wú)缺陷時(shí)缺陷位置的應(yīng)力狀況。從前面的無(wú)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(píng)定用薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，在最大應(yīng)力點(diǎn)附近取11條穿過(guò)壁厚的評(píng)定線(評(píng)定線A-K)，分析結(jié)果見(jiàn)表20、①沿焊縫截面均勻分布的軸向拉應(yīng)力：無(wú)缺陷時(shí)為17.47MPa(取表2中的最大值)，即al=17.47MPa；②沿焊縫截面線性分布的彎曲應(yīng)力：從表可以看出，此項(xiàng)應(yīng)力很��；③焊接殘余應(yīng)力：由于焊接后不進(jìn)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(qiáng)度，即373MPa。殘余應(yīng)力的當(dāng)量拉應(yīng)力值為63=373X0.6=223.8MPa；④總應(yīng)變值。E=0.0018；⑤塑性應(yīng)變0.001913；⑥斷裂韌性0.265mm 。為板材試驗(yàn)結(jié)果，考慮焊縫的影響，計(jì)算中取r=0.265/1.5，所以不會(huì)發(fā)生斷裂，缺陷允許存在。將am反算成未焊透缺陷，可以得到a=5.1mm，也就是說(shuō)，最大允許存在的未焊透缺陷深度為5.1mm。
(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(qiáng)度水平均在50MPa以下。所以，從宏觀意義上看，整個(gè)管道系統(tǒng)的工作應(yīng)力水平均很低，低于材料屈服強(qiáng)度的1/7(6s=373MPa)，抗拉強(qiáng)度的1/10(6h=540MPa)。(2)在上述斷裂評(píng)定過(guò)程中，采用了非常保守的做法，如用整圈未焊透代替實(shí)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(dá)到管子壁厚的50%。這說(shuō)明對(duì)低應(yīng)力水平的壓力管道，從靜強(qiáng)度角度考慮未焊透缺陷的要求可以適當(dāng)放寬。
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