压力管道缺陷评定中焊接残余应力的处理分析

焊接 l998(1) · l5 · 哩! I生产应用 l 矗i日i．． 压力管道缺陷评定中焊接残余应力的处理 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 南京化I大学 周剑秋 摘要 分析 了压力管道对接焊缝焊接残余应力的产 生机理和分 布规 律，提 出了在压力管遭缺 陷评 定中如何处理焊接残余应力的方法。 RESIDUAL STRESS ANALYSIS AND TREATM ENT DURING DEFECT ASSESSM ENT FOR PRESSURIZED PIPE Zhou Jianqiu Abstract The reason of wdding rc．sidua]stzes$creating and ts distzibutiou 1Tl pre~urized pipe butt wdd an anat~zed so that the procedure to treat residual stre~ during defect as．．．]cssp．qenf for the pipe put forward 关键词 ： 焊接残余应力 压力管道 姨陷评 定 O 前 言 压力管道广泛应用于化工、石油和城市公 用工程(电力、煤气)等领域．担负着各设备之间 的介质传递。但在企业设备的安全管理 中，对 压力管道 的重 视程 度 一直 不如 压 力容 器，从而 导致了许多人身伤亡和财产损失事故。由于管 道都是现场吊装组焊，很多是空中作业，操作条 件差，焊接坡 口难对准，而且又是单面焊双面成 形，因此管道焊缝中太都存在着超标缺 陷。根 据文献[1]等行政技术文件，对于按质量控制标 4 结 论 (1)用应 变 电测 法 可 以定量 测 出锤 击 力并 得出 P一 曲线 。0．45 kg(1 b)和 0．91 kg(2 b)手锤对焊缝的作用应力，均超过各种铸铁的 破坏应力．是影响锤击效果的基本因素。 (2)锤击程度、锤击时机、母材塑性 及第一 层的电流，是影响锤击效果的重要因素。 准_2 判为超标的缺陷，必须进行返修或更换管 道．但是，这一方面工作量很大，要花费大量人 力、物力；另一方面，如返修得不好，还会带来新 的缺陷．甚至造成更大的危害。因此，如何对这 些含缺陷压力管道作出科学的合乎使用要求的 评定是使在役管道安全运行急需解决的重大工 程问题 。 我国目前还没有 自行编制的压力管道缺陷 评定 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，目前的趋势是在借鉴和消化国外具 有代表性的规范1]-基础 上编 制适 合于我 国的 规范。在此过程 中，碰到的难题之一是如何分 参 考 文 献 l 周振丰 焊接抬盘学 北京 ：机械工业出版社，1995 2 国家机械委编 焊接材料产品样本 ．北京 ：机械工业 出版社 ．1987 3 M itsugu M otomttra A present and view of ile~,pr。- ∞ss casting—forging 了， i= ^ ，1994(2) 4 术井九之 了 j／铁 铸造锻造 +锻造技撮 1994 (4) f收稿日期 ]997 10 加) 维普资讯 http://www.cqvip.com · l6 · 焊 接 1998(1) 析焊接残余应 力对压 力管道缺陷评定的影响。 因为焊接残余应 力是确实存在的，但文献[3]中 却没有考虑焊接残余应力，在二次应力中只提 及热膨胀应 力，并且 目前还没有文献就此作出 说明。故分析焊接残余应力对压力管道断裂的 影响是十分必要的。 1 管道对接焊残余应力产生机理 目前，在对工业管道进行无损检测时，发现 管道 中的缺陷主要是对接 环焊缝中的环向缺 陷，故本文主要分析管道对接焊残余应 力的产 生机理。管道对接焊产生的残余应力又分环向 残余应力和轴向残余应 力。 1 1 环向残余应 力的产生机理 管道环向对接焊焊后，由于冷却，焊缝金属 在 环 向存在 着 明显 的收 缩，但这 种 收缩 显然 受 到与之相联 的管道 周边的限制，即变形具有 明 显的 自限性(图 1)。这使得环焊缝 内部产生 了 较均匀的拉伸残余应力。 图 1 管道环焊缝冷却收缩示意图 1 2 轴 向残余应力的产生机理 轴向残余应力由两部分叠加而成 ： (1)由于管 内壁 和管外壁存在 着温度差 ．因 此在内外壁总存在着热膨胀和热收缩两种方向 相反的残余应 力，其中温度较高的一面将产生 拉伸残余应力，温度较低的一面将产生压缩残 余应力。这种由温差造成的轴向残余应力是非 线性 的，由于泊松 比的不同，相应地也会产生一 些 非线性的 环 向应 力。 (2)由于环焊缝的冷却收缩，使得与焊缝联 接的两侧管道周边产生 内凹变形，这种内凹变 形使管道 内壁产生轴向拉伸残余应力．管道外 壁产生轴向压缩残余应力(图 1)。这种轴向残 余应力是由于变形(内凹)弯矩造成的，因此它 是沿管壁壁厚方向呈连续线性分布的轴向残余 应 力。 2 轴向残余应力分布规律研究综述 对于对接环焊缝 内的环向缺陷来说，根据 断裂 力学的结论，使其产生启裂扩展的应力主 要是轴向应力，故本文仅对轴向残余应力分布 规律进行阐述。在这方面，国外 已做了不少研 究工作。Rybiehi E F首先进行 了这方面的工 作H’ ，建立了管道 对接焊残余应 力的计算模 型和有限元程序，对残余应 力的分布进行 了初 步分析。Y Ueda等人 进而做 了具体的实验 研究和数值计算，其 中实验试件为 4B管道，采 用多层焊对接后，实测了与焊缝不同距离的管 壁内外表面的残余应力，并利用测得的温度分 布对试件进行了热弹塑性有限元分析。鉴于当 时的计算速度和内存容量有限，无法直接对试 件进行三维非线性热应力分析 ，因此计算时采 用了轴对称模型进行三维热应 力分析。由实验 结果和计算分析 (图 2)可知，整个管壁 内外表 面的轴向残余应力呈近似对称分布，对焊缝内 缺陷启裂扩展能够产生影响的主要是靠近焊接 熔台线区域的残余应力，在这个区域内，管内壁 为拉伸残余应力，管外壁为压缩残余应力，呈近 似对称分布，并且随著与焊缝距离的增大，管外 壁的残余应 力由压缩变为拉伸．管内壁 的残余 应力由拉伸变为压缩。S Nair[ 等人则对 304 不锈钢管道和 SAE1020钢管进行了数值研究。 40 20 E o 一 加 蚕 o 篓20 量 。 一 20 — 40 。 ／、、、 ⋯ 外 一 自 ． ． ：、 ／ 、捍缝 数值井析 ⋯ 外 — — 内表面 。一、／、 ， 0 。 ‘ ⋯ ● u ： 一 60—40— 2O 0 20 40 61) f／mm 图 2 管壁内外表面残糸应力分布图 、 b -R 娃 馁 足 霎 维普资讯 http://www.cqvip.com 焊接 l998(1) - 17 - 在模拟焊接进行有限元热应 力分析时．取焊接 温度和应 力分布呈轴对称状态，每遭焊缝最高 温度都一样，假设焊接时间较短，不考虑蠕变问 题，得出如下结论：①轴向残余应力在内、外表 面的分布是近似对称的，内表面为拉伸，外表面 为压缩，而且沿壁厚呈线性连续分布过渡 ；②由 于管内外壁的温差在轴向造成的非线性残余应 力非常 小，可 忽略。 Ribichi E．F．等 人l8 在证实上述结论的同 时，又作了更深入的分析．他们考虑了管 径、壁 厚等几何尺寸对焊接残余应 力分布的影响，研 究结果表明：①随着管径和壁厚的增大，由环向 焊缝冷却收缩所造成的轴向拉仲和压缩残余应 力(靠近熔 台线区)都减小．随着管径和壁厚的 进一步增加，管道刚度也进一步增加，抗弯能力 随之增强．产生焊接残余应 力的局部变形也发 生了变化．因此 ．内壁拉伸残余应 力变为压缩残 袅应 力，外壁压缩残余应 力变为拉伸残余应 力， 但沿壁厚方向仍然呈线性连续分布 ；②对于薄 壁管来讲，由于管内外壁的焊接温差所造成的 非线性残余应力非常小，可以忽略，随着管壁厚 度的增加，这种非线性残余应力略有增加。主要 是因为随着壁厚的增加．内外表面的温度差也 增大 根据以上分析，就不难理解 ASME规范 编制推荐的沿管遭壁厚方向的轴向残余应力分 布 ：当壁厚小于 25．4 ram(1 in)时(目前大部 分工艺管道壁厚小于 25．4 mlTl，靠近焊缝区域 的焊接残余应力沿壁厚方向呈线性全对称分布 (图 3)；当壁厚大于 25 4 film时，给出了一个焊 接残余应力措壁厚分布的越线表达式，主要是 综合考虑了壁厚增加后由环向焊缝冷却收缩造 _ s=206．7 MPa(3o ksi)．￡为壁厚 <25．4 mm) 成的线性残余应 力值有所下降，而 由于管内外 壁温差所造成的非线性残余应 力略有上升的情 况。 3 焊接残余应力对管道缺陷评定的影响 压力管道由于服役的系统不同，从而对缺 陷评定的方法也不同。例如核反应堆冷却回路 管道内部传递的是压 力蒸汽，对此，国际 、国 内 目前倾向于采用“先漏后爆 ”的评定准则，即允 许缺陷稳态扩展至泄漏(只要 不发 生爆破 )，检 测出泄漏后即停车检修。而对于石油、化工管 遭来说，由于输送的大多是 易燃易爆和有毒介 质，一旦缺陷扩展至泄漏．将十分危险。故一般 保守地采用启裂评定的方法．即一旦缺陷启裂 就判定管道失效。 对于允许缺陷稳态扩展的情况，一般采用 极限载荷法和韧性撕裂失稳的分析方法，文献 [3]中这两种分析方法都是基于净截面失稳的 原理得到的。如图 4所示，净截面失效 准则认 为缺陷所在截面达到屈服，即净截面应力达到 材料的流变应力 时，管道产生失效。管道无 裂纹截面上的应力分析仍按弹性规律分布，而 含裂纹管截面上力和力偶与无裂纹管截面上力 和力偶平衡。对于这种情况，考虑焊接残余应 力对缺陷断裂评定的影响时主要看焊接残余应 力对净截面达到材料的流变应力 ，有无贡献。 由前述分析．对于薄壁管道，靠近焊缝区的焊接 残余应力几乎呈线性对称分布．在环向上叉呈 轴对称状态，故对管截面的台力和合成弯矩近 似等于零 ；对于厚壁管道，由于计入非线性残余 应力，尽管由于轴对称状态使 合成弯矩仍等于 零 ，但 轴向台力已不等于零。从轴 向 合力对净 图 3 ASME推荐的轴向残糸应力分布 图 4 管道净截面屈服失稳示意图 维普资讯 http://www.cqvip.com · 18 焊 接 l998( 截面失稳的贡献来看，一方面净截面应 力达到 条应力的影响。 另外，在对管道进行晶间应力 屈服应 力后残余应力要部分释放 ；另一--方面轴 腐蚀裂纹分析和裂纹疲劳扩展时也必须计入焊 向力对管道断裂的贡献又比弯矩要小得多，此 接残余应 力的影响。 外非拨性残余应力的数值毕竟比较小，因此，轴 ． 向合力(残余应 力)对净截面失稳的贡献电是很 小的c从上述分析可 以看出，当基于净截面失 l 工 E管道维护植垮规程 SHS 01005—92中国石化 稳准则对管道进行评定时可 以不计入焊接残余 版牡 ． 1992 直力的影响，从而也兢不难理解文献[3]为什幺 2 GB3323--87锕馆化焊接接头射线照相及质量分 没有考虑焊接残余应 力的原因了(文献[3]的分 级 析方 法是基于 净截 面失稳 准则得到的 )。 3 ASME XI I l}_365O and Appendix H Evaluation 当以缺陷启裂作为管道失效准则时，由于 Procedtae and Aecq>tance Criterla for Feritic Piping， 焊 接残余应 力的存在对 表面裂纹尖端 的 立力状 The ASME, 0 态有明显影响．因此计算裂纹尖端断裂参量和 R， 。 EF Comp蛳“on。 R 瑚 s D" 缺陷评定时就应该计凡焊接残余应力；4#1-，对 ： 不锈锕管道的晶问应力腐蚀裂纹进行分析时也 5 R b h E F t l A F 二 一E】 ㈣M。d l for 就应该考虑焊接残余应 力的影响。此外，在进 R l st 。 nd D no ． G rch一 _t1 行疲劳分析时，由于焊接残余应力的存在改变 W。l出d i ~．SME Jol 1。f P Vesse1 了循环应力比 R的数值，故在进行疲劳分析时 Tcch o 1978．100 也应考虑焊接残余应 力的影响。事实上，已有 6 Y ueda c[a1 ]mprovement of Residual Stress 许 多工作在分析 管道 的 晶间应 力腐蚀裂纹和裂 Circumferential Joint ofPipe byHeat—sink welding 纹疲劳扩展时计及了焊接残余应力 “1。 ASME Journal of Prl2sstlre Ves~．1Technology [986， 108 4 结 论 7 S Nair et a1 Re id a1 Strc Generati∞ d ． 1 制尊 王力管道缺陷评定规范叶必 ⋯Rdcxa tion⋯in B utt pipe s． ， AS ⋯ 须考虑焊接残余应 力的影响。 8 R 曲 E F 【 】 Th。 ct。f pc T k 。n (2)对环 向缺陷有影响的主要是轴 向残余 Rcs d 】s仃髑 dn [oG hwc1ds ASME1。Llrn l 应力，轴向残余应 力分线性和非线性两部分，线 ofP v。 1T。 hnol。 1982 ， 104 性部分主要是由于环焊缝焊后冷却收缩引起的 9 Secti0t1 XI trask Gr。up for PiFing FIaw Eva】uan。n 局部变形造成的，它呈近似对称分布；非线性部 Evaluation of Haws in Austenic Stcd Piping．ASME 分主要是由于管 内外壁温差所造成的，它的值 Journal of Pressure Vessel Technology，1986，108 it,d,。当壁厚较薄时，非线性部分可忽略，当壁 10 Genki YAGAWA et al Application o{Probabilistic 厚很厚时(大于 25．4 ITlm 2E~／)，非线性部分必 。Mechanics to Ft3R Co Fan。t8 r SMmT 11 须计八。 Trmtstetions, ( ) ㈤ 当基于净截面失稳删 雌 j苴缺陷进 11 n A sAo ( s tic ⋯ Approa AsM ch fo r 行评定时可以不考虑焊接残余应力的影响 ；当 P v 。】and P删 Confer(q~c e．1 987 以启裂作为管道失效准则时，必须考虑焊接残 (收稿日期 1997 06 23】 · 新 书介 绍 · 是 一 冀替3’00茅辜 3鬣 嘉替意6蠢8 0述0釜 羹 。犀接工作的棵 是一拳很有价值的书籍。未书约 万字 *册．邮购许1 元。邮胸办法详尼．书讯 0I硼 维普资讯 http://www.cqvip.com