焊接錯邊對管路疲勞壽命影響分析

熊宴斌，吳云峰，唐 文，劉 艷，孫海亮

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

焊接技術廣泛應用于工業生產中的多個場合，如船體、車輛、壓力容器的生產制造過程中。在液體運載火箭的增壓輸送系統中，幾乎每件管路產品中都存在對接焊縫，如法蘭和管子的焊接、法蘭和補償器的焊接、彎管與直管的焊接等等。焊接中也會產生一些焊接缺陷，如氣孔、夾雜、錯邊（錯位）、裂紋，引起截面剛度突變，產生應力集中。

液體運載火箭的管路產品中，多采用厚度為0.5～3 mm的薄壁管，由于加工技術的限制，大口徑薄壁管和大口徑的彎管多采用金屬薄板鈑金成型后焊接而成，這樣就造成了成型后的薄壁管和彎管端頭處圓度、內徑難以保證，當與法蘭或直管等結構對接焊時，便不可避免地存在焊接錯邊的現象。為對焊接錯邊進行約束，防止過大的應力集中產生，在一些焊接規范中規定了管路對接焊縫的錯位要求。如QJ2865-1997《導管焊接技術條件》，對焊縫等級為 I級焊縫的錯位值規定如表1所示。

表1 不銹鋼和高溫合金管對接焊縫的錯位規定Tab.1 Welding Misalignment Allowance of Stainless Steel and High Temperature Alloy

本文以某型號輸送管焊接錯邊量影響為例，分析焊接錯邊對管路靜應力和疲勞壽命的影響，指出焊接錯邊超差會對管路的疲勞壽命產生重要的影響，需要在生產過程中對其嚴格控制。

某型號雙層真空管管路外形見圖1，在圖中方框所示的雙層管兩端，采用“W”型截面端面膜盒，將內管和外管進行連接。內管和“W”型膜盒滾焊之后，與法蘭對焊。其中內管和“W”型膜盒滾焊后厚度為1.2 mm，法蘭在對接前厚度緩變，到對接焊處厚度為1 mm。

圖1 管路結構圖Fig.1 Pipe Structure

圖1 中右下角端彎管為兩個半管拼焊而成，因此在對接焊處存在“T”型焊縫，焊接對材料的材料強度影響嚴重，并且此處靠近發動機振源，環境條件惡劣，因此本文選取此區域進行分析。環焊縫焊接后成型的焊縫剖視圖見圖2，可見焊縫處都存在不同程度的焊接錯邊現象。

圖2 焊后形貌剖面Fig.2 Profile Appearance of Weld

1 焊接錯邊應力集中系數

1.1 工程公式介紹

對焊縫缺陷產生的應力集中系數，開展了廣泛的研究，如美國API597標準、英國BS7910標準在工程領域應用較多[1,2]，張奕[3]對對接焊管環向焊縫中裂紋與錯邊復合缺陷的應力強度因子提出計算方法。對于本文研究的焊接錯邊導致的應力集中放大系數SCF，美國API597標準給出的工程計算方法為

式中 b為焊縫接口錯邊量；δ為管路壁厚；mσ為管路薄膜應力。

Lotsberg提出了考慮導管內徑、焊縫兩端管壁厚和焊縫長度的管路對接焊的應力因子計算公式[4,5]為

其中，L為焊縫長度；T，t分別為焊縫兩端導管壁厚；D為管路內徑。

1.2 有限元分析驗證

某管路產品實際錯邊量見圖3，最大可達0.926 mm。下面采用有限元分析驗證焊接錯邊對應力影響，對錯邊0.527 mm、0.926 mm與正常情況下的應力進行有限元計算，對工程公式進行進一步的驗證，有限元模型如圖4所示，焊縫寬度取實測值為3.5 mm，管子內徑100 mm，壁厚1.2 mm，焊縫兩側管子長均為25 mm。

圖3 產品實際錯邊示意Fig.3 Welding Misalignment of Pipe

圖4 有限元模型示意Fig.4 Finie Element Model

材料彈性模量為198 GPa，泊松比為0.3，分別計算有無錯邊情況下，管路一端固支，一端加載單位彎矩及單位軸力作用下應力情況。

圖5為正常情況和錯邊0.926 mm情況下，在單位軸力作用下的應力分布云圖。

圖5 軸向拉伸應力Fig.5 Stress Distribution under Axial Tension

承受單位彎矩及單位軸力作用下，錯邊0.527 mm、錯邊0.926 mm與正常情況下的應力對比如表2所示。其中F為軸向拉力，M為徑向作用彎矩。從表2中可以看出，錯邊0.527 mm時應力放大因子為1.89～1.96，錯邊0.926 mm時應力放大因子為2.84～2.86。

表2 理想焊接情況和焊接錯邊情況應力Tab.2 Sress of Ideal Weld and Misalignment Weld

錯邊情況下工程計算和有限元計算應力放大因子如表3所示，式（1）計算值高于有限元計算值，偏于保守；考慮更多結構參數的式（2）計算的應力放大因子與有限元計算值相差較小，在5%以內，因此對錯邊應力放大因子計算的有效性可以得到驗證。在本文的計算中焊接錯邊導致的局部應力放大因子見表3，分別取1.94和2.8。

表3 工程計算和有限元計算應力對比Tab.3 Stress of Engineering Calculation and FEM

3 疲勞壽命評估方法

3.1 Dirlik疲勞壽命評估方法介紹

根據Palmgmn-Miner線性累積損傷理論，對具有預應力的情況，采用Goodman修正的疲勞損傷系數評估如下[6]：

式中 E[p]為應力在一個周期內的峰值循環次數；p(s)為應力峰值概率分布函數；s為應力峰值；σb為材料的強度極限，MPa；σz為管路元件上的預應力；m為疲勞曲線參數， m =3/l o g(0.9/k)，彎曲時k取0.5，拉壓時k取0.35，則彎曲時m=11.75，拉壓時m=7.314；C為疲勞曲線參數， C =(0 .9σb)m×103；T為振動時間。DL值表示在T時間內元件發生疲勞破壞的可能性，DL=1表示材料發生了破壞。在規范中取10倍安全系數，即DL≤0.1。

3.2 焊接錯邊對疲勞壽命的影響函數

焊縫錯邊對疲勞壽命的影響，可以由式（3）解出。根據Dirlik方法表述的應力幅值概率密度函數如下[6]：

考慮焊接錯邊造成的應力放大影響，則振動工況下結構均方根應力σrms與無焊接錯邊的結構均方根應力σrms滿足：

均方根應力即為0階譜距 M0，根據定義，可得：

根據 n階譜距 Mn的定義、式（4）、式（7）以及式（8），則考慮錯邊后的疲勞損傷系數之比滿足：

4 管路仿真分析

建立管路有限元模型，施加位移、溫度、壓力、振動載荷條件，計算關注焊縫區局部受力情況，計算模型見圖6。對實際振動試驗中3個振動方向上述焊縫區域的疲勞壽命進行計算，考慮實際錯邊影響，計算結果見下文。

圖6 管路有限元計算模型示意Fig.6 Finie Element Model of Pipe

4.1 靜強度分析

根據上述計算模型進行靜力分析，選取最大靜力載荷工況計算上述焊縫位置的應力情況。考慮規范要求內最大錯邊20%和實際最大0.926 mm錯邊，按照式（2）計算局部應力放大因子，將放大后的應力如表4所示。

可以看出，管路在最大靜力載荷工況下“T”型焊縫處的應力為 165.7 MPa，小于材料的常溫屈服強度205 MPa。在焊接標準要求的最大錯邊條件下，“T”型焊縫處的應力放大為240.3 MPa，但未達到常溫強度極限520 MPa，因此上述焊點常溫下不會發生靜力破壞。在焊縫實際錯邊0.926 mm影響下，該區域的應力雖同樣未超過常溫強度極限520 MPa，不過強度余量很小。

表4 導管焊縫區各工況下的應力分析Tab.4 Stress of Pipe Weld Region

4.2 隨機振動分析

管路在X、Y、Z 3方向上隨機振動條件下內管的均方根應力分布見圖7～ 9。可見在Y向振動時，“T”型焊縫區域均方根應力最大，為57.6 MPa；在X向振動時，“T”型焊縫區域也出現了均方根應力峰值，因此在此部位應重點關注焊接質量。

圖7 X方向計算內管均方根應力分布示意云圖Fig.7 Stress Distribution of Inner Pipe under X Direction Vibration

圖8 Y方向計算內管均方根應力分布云圖Fig.8 Stress Distribution of Inner Pipe under Y Direction Vibration

圖9 Z方向計算內管均方根應力分布云圖Fig.9 Stress Distribution of Inner Pipe under Z Direction Vibration

4.3 疲勞壽命分析

表5中給出了3個方向焊縫區域位置的疲勞預測計算結果，可知3個方向單方向激勵作用下，均方根應力都比較小，遠低于屈服極限。進一步開展疲勞壽命估算，可知內管破壞位置的 DL值均小于 0.1，即管路不會發生疲勞破壞，內管泄漏點在 Y方向振動條件下發生疲勞失效的可能性最大。

在考慮規范要求內最大錯邊 20%情況下的管路焊縫區疲勞壽命結果見表5，可見內管的疲勞壽命仍小于0.1。在實際最大錯邊0.926 mm條件下，對內管的疲勞性能進行計算，X方向和Z方向的DL值仍遠小于0.1，內管疲勞破壞可能性較小。Y方向振動下內管疲勞 DL值為64.0，大于1，疲勞破壞風險極大。這是因為在不考慮預應力的情況下應力放大系數SCF引起的DL值放大倍數已高達 2.811.75=1.8×105倍?？梢姾缚p錯邊會極大增加結構的疲勞破壞的可能性。

表5 管路焊縫區單端激勵疲勞壽命計算結果整理Tab.5 Fatigue Life Caculation Results of Pipe Weld under Single End Vibrational Excitation

5 結束語

本文分析了焊縫錯邊對局部應力的放大系數的選取方法。在 Dirlik疲勞壽命公式的基礎上，推導出了焊接錯邊應力放大因子對疲勞壽命的影響函數，為定量評估焊接錯邊對疲勞壽命的影響提供了理論基礎。

針對某輸送管路，比較分析了理想焊接情況、滿足規范要求錯邊以及實際錯邊量條件下焊縫區域的靜應力和疲勞壽命。結果表明：焊縫錯邊量會顯著增大靜應力，使之接近材料的極限強度，并且局部應力放大會顯著影響該區域的疲勞壽命，極大地增加了管路產品疲勞破壞的可能，需要在生產過程中嚴格關注和控制。