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某工程氧氣管道在射線檢測過程中發(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，無法進(jìn)行修復(fù)。為了保證工程進(jìn)度和管道的安全運行，采用了有限元方法對此管道進(jìn)行了靜強度分析校核，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了斷裂力學(xué)評定。該管道總長約4500m，主體材料為1Cr18Ni9Ti，設(shè)計壓力為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)行安全評定，首先應(yīng)進(jìn)行整條管道(無缺陷)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)行靜強度校核和斷裂力學(xué)評定。對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(jìn)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車由向位移。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195000MPa，泊桑比取為0.243，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(jìn)行靜強度校核)。缺陷取為深、寬各1的整圈未焊透。
在焊縫位置取8條評定線進(jìn)行線法強度評定。結(jié)果見表。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(zhǔn)確的，會隨著網(wǎng)格的細(xì)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(jìn)行評定。從表可以看出，應(yīng)力水平均很低且均滿足要求。
與靜強度校核相同，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carAX406/2=637.42mm，管子壁厚取t=10mm。在進(jìn)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20、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，此項應(yīng)力很小；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 。為板材試驗結(jié)果，考慮焊縫的影響，計算中取r=0.265/1.5，所以不會發(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，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(6s=373MPa)，抗拉強度的1/10(6h=540MPa)。(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(dá)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(dāng)放寬。
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