焊接結構承壓管道有限元與可靠性分析*

張勝躍，卿 黎，張宇棟

（昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明650093）

焊接結構承壓管道有限元與可靠性分析*

張勝躍，卿 黎，張宇棟

（昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明650093）

針對工業設備上常見的焊接結構承壓管道，應用模糊灰關聯FTA安全系統工程理論，以水火管鍋殼鍋爐為例，通過對失效致因和故障模式的研究，建立以焊接結構承壓管道失效為頂事件的模糊灰關聯FTA模型，利用有限元法建立焊接結構承壓管道模型輔助分析對其更深層次的系統性影響，并綜合考慮工況環境、外部載荷等多因素耦合作用，確定導致事故的主要潛在風險項，為承壓管道設備安全保障活動的經濟決策提供依據。研究結果表明，以水火管鍋殼鍋爐的 “焊接結構承壓管道”失效故障模式的發生概率約為8.19%，系統的可靠度約為91.81%。

焊接結構承壓管道；模糊灰關聯FTA；水火管鍋殼鍋爐；有限元法；可靠度

隨著我國經濟發展水平的日益提高，對連續化安全生產的要求和當前能源形勢的需求，大容量、復雜化的承壓類特種設備愈益普遍地應用于生產生活中的許多領域。在此背景下，焊接結構承壓管道在現代工業中扮演了十分重要的角色，并作為通用的能源以重要支系統組成存在于大型復雜系統中[1]。當前，焊接結構承壓管道在船舶、鍋爐、機車、航天工程、暖通工程等運用十分廣泛，其中，尤其以鍋爐設備上的焊接結構承壓管道是最常見的結構。由于壓力鍋爐工作環境非常惡劣，其內部構件又作為承壓構件其熱變形比其他焊接構件要復雜得多，而且目前在焊接結構承壓管道方面的數值模擬研究相對較少，而在實際應用中很多情況下對焊接結構承壓管道焊接接頭的焊接質量要求非常高，特別是在大型壓力構件內，其焊接質量的好壞不僅影響經濟效益而且有時直接關系到人民的生命財產安全[2-3]。

國內外針對承壓管道設備的安全研究主要聚焦于管道設備結構部件失效概率的研究[4-5]，承壓管道的傳統安全設計思想主要基于強度理論，在設計環節考慮材料的塑性和韌性額定指標、安全冗余和部件實際工況進行定量應力分析，當前多數國家和地區都基于《管道風險管理手冊》對承壓管道設備進行半定量的安全風險評價，該方法重點集中于各類風險因素的權重確定。本研究利用有限元軟件Simufact.Welding對焊接結構承壓管道的焊接溫度場與焊接應力場進行三維數值模擬仿真[6-7]，對構件的接頭的細節部位進行分析，為分析評價承壓管道的故障模式、安全及可靠性提供更加科學地支撐。

1 承壓特種設備故障模式的原理

承壓特種設備主要運行原理是利用廢熱獲取熱源，通過傳熱過程將鍋爐內部的水和蒸汽加熱汽化。鍋爐運行時，使鍋爐中的水或者汽水混合物在閉合回路中持續規律地流動，受熱面吸收的熱量不斷地被水或汽水混合物帶走，使受熱面金屬得到冷卻，進而確保鍋爐安全正常地工作。圖1所示為一臺水火管鍋殼鍋爐焊接結構承壓管道結構簡圖，對水火管鍋爐進行安全事故風險分析，自頂向底篩分出能引發爆炸事故、重大事故和一般事故的危險因素[8]。

圖1 水火管鍋殼鍋爐結構示意圖

2 有限元分析

以水火管鍋殼鍋爐內使用的12Cr1MoVG鋼為建立T形焊管模型（尺寸為22 cm×15 cm×25 cm），其中模擬焊接過程中所產生的殘余應力分布如圖2所示；焊接過程所造成的金屬材料形變量矢量模擬結果如圖3和圖4所示；焊接熱循環曲線如圖5所示；焊接工藝參數見表1。

圖2 T形接頭焊接殘余應力分布

圖3 T形接頭焊接殘余應力集中區域

圖4 T形接頭焊接殘余應力矢量方向

圖5 T形接頭處60 s熱循環曲線

表1 焊接工藝參數

在通常狀況之下，處于高溫以及腐蝕工況環境中運行的高強度鋼焊接結構部件斷裂事故頻發，多由材料內部存在的裂紋和缺陷在外力作用下迅速擴展而造成，且呈現工作應力低于材料屈服強度而產生破裂的低應力脆斷特點，其中以T形管接頭相連接的結構部件占焊接結構承壓管道的多數且應力分析最為復雜。利用有限元可以更為直觀地分析其導致焊接結構承壓管道失效的更深層次原因，其中焊接殘余應力又是最重要的原因之一。

3 模糊灰關聯FTA分析

考慮到事故樹中，基本底事件的模糊性與系統安全及可靠性分析的灰色特征，應用本文提出的模糊灰關聯FTA方法對“焊接結構承壓管道”失效事件進行定性和定量的分析研究，利用灰色關聯的分析方法對故障樹基本事件的重要度進行分析。

以鍋爐“焊接結構承壓管道”失效為頂上事件，識別基本底事件及其邏輯關系并建立事故樹如圖6所示，對應各事件的名稱見表2。進一步進行模糊灰關聯FTA定性和定量分析[8-10]，可以確定水火管鍋爐“焊接結構承壓管道”失效的主要影響事件，從而識別故障致因。

圖6 “焊接結構承壓管道”失效事故樹

表2 “焊接結構承壓管道”失效事故樹事件說明

將事故樹轉化成等效的布爾代數方程：

由此計算得出“焊接結構承壓管道”失效事故樹一共有14個最小割集，其中包含有5個一階割集和9個三階割集，其中一階割集為：{X1}1、{X2}2、{X8}3、{X9}4 以及{X12}5；三階割集為 {X3，X6，X7}6、{X3，X6，X10}7、{X3，X6，X11}8、{X4，X6，X7}9、{X4，X6，X10}10、{X4，X6，X11}11、{X5，X6，X7}12、{X5，X6，X10}13 以 及 {X5，X6，X11}14。

利用最小徑集與最小割集的對偶性求得對應的成功樹，而后通過布爾代數化簡求出最小徑集以及等效樹，如圖7所示。

圖7 最小徑集等效樹

即，事故樹的最小徑集為：

由基本底事件結構重要度比較原則，得到以下比較結果：

這一結果表明，從邏輯結構上可以看出基本底事件X1、X2、X8、X9以及X12對頂上事件T的影響是最大的，應首先應當給予控制。基于調研以及實驗分析的結果，通過對上述“焊接結構承壓管道”失效事故樹的基本底事件發生概率的統計結果進行相關計算以及模糊數歸一化的處理，進而得到處理結果，具體數據見表3。

表3 基本底事件模糊概率數據處理結果

用頂上事件的發生概率衡量事故樹的危險性大小。依據事故樹的結構，通過最小割集計算“焊接結構承壓管道”失效事件的模糊概率為：（0.038 3，0.081 9，0.125 8）。結果表明，焊接結構承壓管道失效事件的發生概率為3.83%～12.58%，發生的最可能概率值約為8.19%，即“焊接結構承壓管道”系統的可靠度約為91.81%。

4 結 論

基于模糊灰關聯FTA與有限元相結合的方法，以水火管鍋爐為例對焊接結構承壓特種設備的安全性進行了系統的分析研究，對焊接結構承壓特種設備系統FTF分析得出：焊接殘余應力可以作為模糊灰關聯FTA的基本事件，且“焊接結構承壓管道”失效故障模式的發生概率約為8.19%，“焊接結構承壓管道”系統的可靠度約為91.81%，其中材料缺陷、焊接缺陷具有首要決定性影響。

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[2]劉清芳,吳孟嫻.鍋爐壓力容器安全[M].北京：首都經濟貿易大學出版社，2007:27-67.

[3]徐通模,趙欽新,惠世恩,等.中國鍋爐安全科技研究現狀與發展[J].中國特種設備安全,2006，22（5）:3-8.

[4]張宇棟,卿黎,牛犇.鍋爐壓力容器焊接安全評估概率統計模型研究[J].中國安全科學學報,2014，24（10）:113-119.

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[10]浦維達.汽車可靠性工程[M].北京：機械工業出版社，1998.

Finite Element and Reliability Analysis for Welded Structure Pressure Pipe

ZHANG Shengyue,QING Li,ZHANG Yudong
（Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China）

The welded structure pressure pipe is commonly used in industrial equipment,by adopting fuzzy grey relational FTA safety system engineering theory,taking fire and water tube shell boiler as an example,through analysis on the failure cause and failure mode,it established the fuzzy grey correlation FTA model taking pressure pipeline failure as top event.It utilized finite element method to establish welded structure pressure pipeline model,and used this model to conduct auxiliary analysis for deeper systemic effects.It also determined the main potential risks caused accidents,by overall considering operating condition,many factors coupling effect such as the external load,which provides a basis for economic decision of pressure pipeline equipment security activities.The research results indicated that the probability of occurrence taking fire and water tube shell boiler “welded structure pressure pipe”as failure mode is about 8.19%,the reliability of the system is about 91.81%.

welded structure pressure pipeline;fuzzy grey correlation FTA;fire and water tube shell boiler;finite element method;reliability

TG973.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.002

云南省教育廳科學研究基金重點項目“鍋爐壓力容器焊接缺陷及焊接接頭疲勞分析”（項目號KKJD201521001）；昆明理工大學自然科學研究基金資助項目“鍋爐焊接缺陷的分析與安全評定”（項目號KKSY201321083）。

張勝躍（1990—），男，碩士研究生，研究方向為焊接結構可靠性。

2015-10-07

羅 剛