在咬邊焊接缺陷下相貫無縫鋼管的疲勞特性研究

劉 寧，呂瓊瑩

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

在咬邊焊接缺陷下相貫無縫鋼管的疲勞特性研究

劉 寧，呂瓊瑩

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

本文以相貫無縫鋼管構成的管節點子模型為研究對象，利用ANSYS軟件計算了在咬邊缺陷下結構的應力和位移分布，以理想無焊接缺陷的管節點結構作為比較基礎，對比分析了咬邊缺陷對相貫無縫鋼管的應力敏感度；在此基礎上，利用疲勞分析軟件對結構在咬邊焊接缺陷下的疲勞特性進行分析，計算了該缺陷下結構疲勞壽命以及裂紋發生的初始位置，分析了在咬邊缺陷對結構疲勞壽命的影響度。

咬邊焊接缺陷；強度計算；壽命預估

0 引言

由相貫無縫鋼管構成的管節點應用廣泛，其中許多結構都會承受交變載荷，典型例子是海洋平臺結構。其主體結構均是由無縫鋼管構成的管節點，且在整個服役期間內會經受多達108次的交變應力循環。同時，在采用焊接方式連接的過程中，不可避免的會產生焊接缺陷，而這些缺陷對結構的應力敏感度和對結構的疲勞壽命影響度還未從理論上進行量化分析[1]。

咬邊現象將減少管節點中撐管、弦管接頭處的實際有效截面積，同時在撐管或弦管的咬邊處會引起應力集中。因此對相貫無縫鋼管所構成的管節點結構在咬邊缺陷下進行強度應力計算和疲勞壽命預估是保證結構安全可靠的基礎。

1 斷裂力學的Orowan理論

在格里菲斯理論的基礎上Orowan將其推廣到金屬材料中，Orowan理論指出裂紋擴展前在其尖端附件會產生一個塑性區，同時還認為[2]：

裂紋擴展單位面積時，內力對塑性變形作的塑性功用Γ表示。以面積為A厚度為t的薄板為例：

若給定裂紋長度為a(其值為裂紋的1/2)，則臨界應力可描述為：式中γ為表面能密度。若給定應力，則可定出裂紋臨界尺寸為：

對于金屬材料，通常塑性功率Γ比γ大三個數量級，因而γ可忽略不計。則裂紋的臨界應力與臨界尺寸可寫成：

2 咬邊焊接缺陷下分析模型建立

為進行量化對比分析，需建立理想狀態下無焊接缺陷的相貫無縫鋼管管節點分析模型。為考慮分析結果的代表性，本文采用這樣的分析模型：相貫管節點結構采用直撐管、斜撐管和弦管焊接連接，各參數滿足相關設計標準和規范的要求；同時焊接缺陷的尺寸為相關焊接規范和設計標準下的最大允許焊接缺陷尺寸。

圖2.1 管節點分析子模型

圖2.1中各參量的意義為：D為弦管直徑；T為弦管壁厚；d為撐管直徑；t為撐管壁厚；g為撐管之間的間隙；θ為撐管A、撐管C相對于弦管的傾斜角度，該參量是引起導管架平臺管節點載荷傳遞大小與類型不同的參量。

由于咬邊的疲勞機理是相同的，本論文在分析中限于有限元網格的劃分，論文中就僅考慮弦管處存在咬邊，以盡量形成網格更均勻的有限元模型。本文的建模方法是在ANSYS軟件的前處理器中利用實體建模的方法構建模型，采用solid186單元離散結構，形成有限元模型，限于篇幅就不列出有限元模型網格圖。

3 結構靜態計算

分析結構中弦管和撐管所選用的材料均為某型結構鋼，材料參數為[3]：密度：7850 kg/mm3；彈性模量：2.06×105MPa；泊松比：0.27；抗拉強度：430MPa；屈服強度：345MPa。

對分析子模型進行施加在總體結構中所受載荷及邊界條件，首先對理想焊接狀況下的無焊接缺陷管節點結構進行強度計算，其分析結果為：

圖3.1 理想無焊接缺陷子模型應力圖

在理想焊接的無焊接缺陷情況下，相貫無縫鋼管構成的管節點子模型在結構載荷和自重下，最大應力為145.38MPa，發生在如圖中所示的A點。

施加同樣的載荷和邊界條件，對存在咬邊缺陷的子模型結構進行分析，其計算結果為：結構最大應力為230.478MPa，位于直撐管B與弦管的焊接結構鞍點位置，且最大點位于鞍點位置的焊接咬邊中心。

通過計算，兩種情況下的子模型結構中的弦管受力狀態均較撐管復雜，在撐管離焊接接頭最大距離為150mm的位置以外，撐管的應力基本就保持在40MPa以下。弦管在離焊接接頭處應力也隨之下降。

從應力最大值來看，咬邊焊接缺陷下的子模型結構應力較無焊接缺陷增加85.10MPa，增加58.54％；且高應力區的波及范圍較無焊接缺陷下的子模型結構大。

4 子模型結構疲勞計算

利用疲勞分析軟件Fe-safe對結構進行疲勞計算，該方法是在靜力計算的基礎上，通過指定疲勞載荷的循環特性、材料的疲勞參數等輸入條件[4]。

通過對其計算，在理想無焊接缺陷下的相貫無縫鋼管子模型結構的疲勞壽命和疲勞壽命分布云圖為：

圖4.1 理想無焊接缺陷子模型疲勞壽命分布圖

其分析結果為，結構的疲勞壽命為107次，即為無限壽命。

存在咬邊焊接缺陷的子模型結構的疲勞壽命計算為：疲勞壽命為104.9473=88572次，結構疲勞壽命薄弱處為直撐管B與弦管接頭處的焊接咬邊根部，并沿焊縫方向發展。

在分析子模型結構的表面上疲勞裂紋的擴展方向是沿著咬邊缺陷的方向擴展，內部擴展方向是由溝槽最深處沿弦管軸心方向擴展：如圖4.3所示：

5 結論

本文通過對咬邊缺陷下相貫無縫鋼管的子模型結構進行靜力強度分析和疲勞壽命計算，其計算結果為：

1）咬邊焊接缺陷對結構的應力敏感度較大，其最大應力上升了58.54％；且高應力區的波及范圍較無焊接缺陷下的子模型結構大。

2）咬邊焊接缺陷對結構的疲勞壽命影響非常大，該缺陷導致結構的疲勞壽命急劇下降，其壽命值的影響度達到兩個數量級。從裂紋的擴展方向上來看：結構的表面上疲勞裂紋的擴展方向是沿著咬邊缺陷的方向擴展，內部擴展方向是由溝槽最深處沿弦管軸心方向擴展。

圖4.3 咬邊缺陷下結構裂紋擴展方向

[1]劉建平.鋼管相貫節點的研究現狀和動向[J].鋼結構,2003(4),13-15

[2]李慶芬.斷裂力學及其工程應用[M].哈爾濱工程大學出版社,1998.08：21-30

[3]成大先主編；王德夫.姬奎生.韓學銓等副主編.機械設計手冊[M].化學工業出版社,2008.04

[4]劉建平.鋼管相貫節點的研究現狀和動向[J].鋼結構,2003(4),13-15

劉寧，（1986-），男，碩士研究生，安徽人，研究方向：在線檢測與裝備。