引水鋼管焊縫缺陷應力影響特性分析

駱鳴，王盼盼，唐璇，周靖

（國網新源水電有限公司新安江水力發電廠，浙江 杭州 311608）

1 引言

1.1 研究背景

壓力鋼管是水利水電工程重要組成部分，主要作用是將水庫的水輸往水輪機，其安全運行對水電站至關重要[1，2]。水電站壓力鋼管是一種典型的薄殼結構，它是由鋼板一節一節焊接在一起的，對于大型的壓力鋼管，由于交通運輸條件的限制，通常把鋼管分節制造后運送到工地，在現場進行管道焊接、安裝、探傷等一系列操作。在壓力鋼管制造安裝過程中，焊縫質量是至關重要的，受現場環境條件及人為因素影響，壓力鋼管焊縫中的焊接缺陷是不可避免的，焊接產生的氣孔、裂紋、未焊透等缺陷，往往破壞焊接結構的穩定，危及工程的安全運行[3-6]。

在這些焊縫缺陷中，未焊透是最常見的缺陷，它會造成結構有效承載面積的減小，容易引起較大的應力集中。如果缺陷處的應力過大，超出材料的極限承載能力，易引發脆性斷裂，對于工程極為不利[7-11]。鑒于此，本文通過對某水電廠引水鋼管含未焊透焊接缺陷的情況進行研究。

1.2 研究目的及意義

壓力鋼管是在復雜的受力及環境條件下運行的，是水電站重要設備，與工程安全、生命財產息息相關。壓力鋼管在服役期間，受焊接工藝與環境影響，會存在不同種類的焊接缺陷，考慮到其安全性，需要對其進行經常維護，考慮到可操作性，需要定期進行檢測，這是一個費時費力的過程，需要計算機與理論相結合手段對其進行全面和細致研究。鑒于此，本文基于有限元理論和ANSYS軟件，以某水電廠引水鋼管為研究對象，分析未焊透焊接缺陷對廠房明管段鋼管強度的影響。總結缺陷對結構強度的影響規律，從而更高效、更有針對性地對引水鋼管進行后期安全檢測和維護。

2 鋼管應力計算理論及方法

本文研究的對象是含未焊透缺陷的廠房引水鋼管，材料為Q235鋼，Q235鋼為普通低碳鋼，在應力達到極限拉伸強度后，鋼材產生局部頸縮，經大量變形后被破壞拉斷。由鋼材的應力-應變曲線可看出，鋼材有彈性階段、屈服階段兩個主要階段，鋼材應力達到屈服點之前，鋼材應力-應變呈線性變化，比例極限接近屈服強度，在進行鋼結構強度計算時，可近似將鋼材彈性工作階段提高到屈服強度。

線彈性矩陣及幾何方程表示如下：

應變矩陣{x}：

應力矩陣{M}：

線彈性廣義應變與應力關系式為：

3 引水鋼管有限元仿真計算

3.1 工程背景

某水電站主要水工建筑物包括：大壩、壩后式發電廠房、進水口、發電引水鋼管、溢洪道及過壩設施等，九條發電引水鋼管分別位于7、12、16壩段內，壓力管道中水流從上游流向下游，最后達到蝸殼端，共分27節，某壓力管道整體分節平面圖如圖1所示。

圖1 壓力管道整體分節平面圖

引水鋼管直徑均為5.2 m，進口中心高程73.0 m，每節管長1.2 m。引水鋼管整體外觀形態較好，無明顯移位、變形、損傷，運行狀態良好。

3.2 鋼管整體模型

壓力鋼管是一種典型的空間薄壁結構體系，根據廠房引水鋼管的結構形式和受力特點，將引水鋼管單元離散為體單元solid45。引水鋼管材料為Q235鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，容重78.5 kN/m3。

坐標系定義：X軸為徑向并與地面方向平行，Y軸為徑向并與地面方向垂直，Z軸為由下游側指向上游側。

計算工況：計算工況主要考慮鋼管的內水壓力和自重。水庫水位100 m，鋼管作用靜水頭53 m，鋼管中心高程為73.0 m。

未焊透缺陷屬于內部缺陷，根據未焊透缺陷的形態特征，可將未焊透缺陷簡化為立方體。未焊透缺陷簡化模型如圖2所示。

圖2 未焊透缺陷簡化模型

取模型長度L=220.0 mm，厚度無量綱化處理；長度無量綱化尺寸：a為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，0.9。高度無量綱化尺寸：h為0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5。

建模過程：先建立幾何模型，再對建好的幾何模型進行網格劃分，壓力鋼管采用點到面的建模方法，依次建立壓力鋼管管壁、加勁環、混凝土墻體，最后形成廠房引水鋼管三維幾何模型。選取引水鋼管靠近頂線，中軸線、底線的位置模擬缺陷，圖3為缺陷模型位置選取示意圖。

圖3 位置示意圖

實體模型建成后，定義單元類型及相關參數，之后進行網格劃分，采用掃略Sweep網格劃分方法，網格劃分單元數106 560個，節點總數129 867個。

引水鋼管局部應力區最大折算應力為94.930 9 MPa，出現在引水鋼管與下游側混凝土墻體連接部位，小于局部應力抗力限值169.0 MPa。引水鋼管1號位置未焊透缺陷局部應力區最大折算應力為292.882 MPa，2號位置未焊透缺陷局部應力區最大折算應力為263.93 MPa，3號位置未焊透缺陷局部應力區最大折算應力為195.062 MPa。對結構強度影響最大位置出現在引水鋼管的上部。

缺陷處應力及應力集中系數隨缺陷位置變高而增大。缺陷位置越高，應力集中系數隨缺陷高度增大的速度越快，幅度越大，應力集中系數增大的速度最快，幅度最大，在缺陷深度位置較高時，應避免高度過高的未焊透缺陷出現。

分別計算模型1～3深度位置s為0、0.1、0.2的缺陷長度為0.1L，寬度1.0 mm時的最大等效應力及其應力集中系數。計算得到模型1～3的最大等效應力及其應力集中系數分別見表1～表3。

表1 1號位未焊透缺陷的最大等效應力及應力集中系數

表2 2號位未焊透缺陷的最大等效應力及應力集中系數

表3 3號位未焊透缺陷的最大等效應力及應力集中系數

由表格數據及缺陷深度位置-應力集中系數關系曲線可得出：

（1）缺陷處應力及應力集中系數隨缺陷深度位置增大而增大。缺陷高度越高，應力集中系數隨缺陷高度增大的速度越快，幅度越大，當缺陷高度為0.5時，應力集中系數增大的速度最快，幅度最大，從這方面也印證缺陷深度是影響缺陷處應力的關鍵因素。

（2）當缺陷長度為0.1L，寬度1.0 mm時，1號位，當缺陷高度大于等于0.3，或者缺陷高度大于0.1且深度位置大于等于0.2時，缺陷處應力基本超出整體膜應力抗力限值；2號位，當缺陷高度大于等于0.3，或者缺陷高度大于0.05且深度位置大于等于0.1時，缺陷處應力應力基本超出整體膜應力抗力限值；3號位，當缺陷高度大于等于0.3，或者缺陷高度大于0.05且深度位置大于等于0.1時，或者缺陷高度等于0.05且深度位置大于0.3時，缺陷處應力超出整體膜應力抗力限值。缺陷處應力超出整體膜應力抗力限值后，缺陷處應力集中程度越來越明顯。當缺陷存在于鋼管頂線和中線附近區域和底線附近區域，應及時檢測與修補。

4 結論

進水鋼管焊接過程中的未焊透缺陷屬于間隙未焊透，是焊接中出現頻率最高的未焊透缺陷。在實際工程中未焊透缺陷的超聲波探傷時，應重點檢測缺陷深度位置超過0.5的未焊透缺陷，保證結構運行安全。隨著未焊透缺陷高度的增加，應力增大速度變快，在實際工程制造、安裝、檢測過程中，應嚴格控制存在于鋼管頂線和中線附近區域的缺陷，位于鋼管上部的未焊透缺陷應及時發現和修補，而且應避免狹小細長型未焊透缺陷出現，保證焊縫完整性和結構安全運行。