压力管道应力分析的内容及特点

压力管道应力分析的内容及特点

房江南

中航工程集成设备有限公司 北京市 102206

摘要：压力管道是现代社会发展不可或缺的一部分。对于压力管道，可能是由于相关部门未提交项目计划，压力管道的材料选择不正确，压力管道的安全性未经过测试等导致事故的原因。焊接缺陷是其中之一。压力管道紧急安全中最重要的因素。因此，为了减少压力管道中紧急情况的发生频率，有必要加强焊接工作，减少压力管道中的焊接缺陷。在此基础上，简要分析了压力管道焊接缺陷产生的原因，并提出了针对性的解决方案。

关键词：压力管道 ；焊接缺陷 ；对策

引言

作为特种设备，压力管道在化工、核电、采矿、市政管道等领域的应用很广。管道运输是安全性最好、性价比最高的能源运输形式。因此，压力管道是我国经济发展的重要组成部分，是国民经济的核心生命线。目前很多压力管道已在役数十年，并逐渐进入事故多发期。

1.压力管道焊接残余应力下裂纹扩展研究

1.1穿透裂纹应力强度因子

在残余焊接应力的影响下，应力强度因子变得非常大。 焊接中的残余应力加快了裂纹扩展的速度，经过热处理后，焊缝周围的残余应力将大大降低，相对尖端的应力强度因子也将减小。 焊缝中心附近的裂纹在热处理后承受的应力较小，而应力强度因子的减小幅度更大。

1.2表面裂纹应力强度因子

当管道裂缝仅承受内部压力时，应力强度因子会随着裂缝的长度和深度的增加而增加，并且这种变化变得稳定。热处理后，应力强度因子将减小，这将减慢裂纹扩展的速度。随着裂纹深度和长度的不断增加，焊接箍残余应力对管道的影响将逐渐减小，这将导致应力强度因子与应力强度因子之差的减小，这仅受应力内部压力的影响。

1.3 外载荷作用下残余应力的重分布分析

在焊接后向管道施加内压而无裂纹，然后释放管道，将显着降低残余应力。并且随着内部压力载荷的逐渐增加，焊缝附近残余拉应力的去除量逐渐增加。这主要是由于以下事实：由外部负载产生的残余应力叠加在焊缝中的力上，从而使塑性变形区中的残余应力逐渐消除。当负载较高时，残余应力也较低。随着载荷的增加，内表面的轴向残余应力将逐渐减小。

2. 导致压力管道焊接缺陷的原因

2.1 焊接面夹

渣夹渣是因为某些原有熔渣未上浮至熔池的表面而残存于结晶的焊缝中而产生，由于压力管道焊接时的工艺不当及操作不谨慎造成的夹渣，被称为偶尔夹渣，夹渣大部分都是由于熔渣直接残存而产生的，压力管道的焊接面夹渣会大幅度降低焊缝强度及致密性等。

2.2 焊接未焊透、熔合

焊缝金属与母材间未被电弧熔化而留下的空隙叫做未焊透，熔焊金属与基体母材或与相邻焊道间及焊缝层间的局部残留间隙叫做未熔合。未焊透及未熔合都是严重的压力管道焊接缺陷，这种缺陷使得焊缝的焊接强度下降产生压力容器的裂纹，因而引发安全事故。造成这个缺陷的主要原因是焊接电流过小及焊接电弧过长等，通常出现于管道内壁侧与管道外表的距离较远。

3.压力管道焊接缺陷的对策

3.1 焊接面夹渣对策

对于压力管道焊接面夹渣的解决方法以及对策，焊接保证装配质量坡口的角度和钝边尺寸符合设计要求，采用低氢钙系碱性的焊条，在对压力管道焊接的过程中，我们要保证熔池清晰、熔渣与液态中的金属分离良好；按照焊接工艺规程对焊接规范进行选择，对坡口及两侧油污清除彻底，选择工艺优良，符合要求的焊条，接头过程中先清渣，收弧时要填满弧坑。

3.2未焊透、未熔合对策

对于未焊透、未熔合，我们为保证焊接质量，预防安全隐患，在焊接时出现这种问题，最好割口重新对接。对于这种缺陷，对焊接电流的大小要求以及焊接的速度需要严格选择，对于工作环境的选择要做到便于操作、适应无损检测要求等原则选用。

4.带裂纹缺陷的压力管道等效应变分析

4.1管道壁厚和压力管道最大等效应变的关系

在相同的直径 / 厚度比下，无论管道壁厚度和管道直径如何变化，只要二者比值不变，在其他因素固定的情况下，管道表面的等效应变是不变的。在直径 / 厚度比不相同的情况下，比值与等效应变变化成正比，并存在一定比例关系[4]。这说明裂纹对压力管道表面等效应变的影响也是有规律的。同样，由压力管道壁厚的变化会引起裂纹的长度和深度的变化，在相同的直径 / 厚度比的情况下，如果裂纹形状比不变，压力管道表面上的等效应变几乎相同，但是最小等效应变却不同，这也验证了选择压力管道表面最大等效应变来衡量裂纹形状、裂纹深度比的合理性。

4.2裂纹的偏转角、深度比对压力管对最大等效应变之间的影响

在裂纹偏转角恒定的情况下。裂纹的深度比与压力管道的表面最大应变成正比，同时在应变的增加速度也会出现指数级增加，这也是通过压力管道表面应变值衡量压力管道裂纹深度比的基本依据。随着深度比提高，裂纹偏转角对压力管道最大等效应变的影响更大，所获得的压力管道表面最大应变数值更小，这个规律也存在于具有不同深度比的裂纹缺陷中。

4.3裂纹的形状比、深度比与压力管道等效应变最大值之间的关系

裂纹的深度比、形状比对压力管道等效应变最大值的影响大致相同。随着深度比的增加，压力管道表面等效应变呈指数增长。

结束语

对于压力管道而言，焊接是一个重要的工作，它的质量和效率对工程的工期及安全性有着重要的影响。为了避免压力管道出现安全事故如泄漏、腐蚀等，应在选材，安装等环节上对质量进行严格的检测，并在操作规范上严格要求，压力管道在发生安全隐患的时候能够及时的进行解决并施加措施以及办法，及时对压力管道焊接的缺陷进行修补，以此来保障压力管道的安全性。

参考文献：

[1] 沈士明，赵建平 . 压力管道安全评定技术的进展 [J]. 压力容器，1999(06):60-68.

[2] 谢柳浩 . 锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题 [J]. 科技创新与应用，2014(23):118.

[3] 崔黎阳 . 锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题研究 [J].山东工业技术，2018(05):5.