引水压力钢管弧坑缺陷的有限元分析.pdfVIP

维普资讯 焊管 ·第29卷第3期 ·2006年5月 引水压力钢管弧坑缺陷的有限元分析 徐尊平 ，雷斌隆 (西南交通大学a．材料学院，b．应用工程学院，成都610031) 摘 要：结合因弧坑缺陷引发压力钢管焊缝开裂的工程实例，采用有限元分析软件 Ansys对 钢管焊缝弧坑缺陷处的应力分布进行了计算，分析 了在单个弧坑情况下应力强度值的分布规 律以及在多个弧坑情况下弧坑处应力强度值和应力集中系数之间的相互影响，从而为压力钢 管的安全评定提供了力学依据。 关键词：引水压力钢管；弧坑缺陷；有限元分析；应力集中 中图分类号：TG441．7 文献标识码：A 文章编号：1001—3938(2006)03—0022—03 0 引 言 沿纵向、环向对称地取一块圆柱壳体，所取的柱壳 对整个钢管来说是一个较小的局部区域，因此可 随着我国经济建设的快速发展，用电量急剧 以认为这个小区域在几何尺寸和载荷上具有对称 增加，用电和供电之问的矛盾 日益加剧。为了解 性，在计算时只需取柱壳的 1／4。在弧坑缺陷处 决电量不足的问题，除国家投资兴建大型水电站 有较强的应力集中，为了提高计算精度，笔者采用 外，各地区都因地制宜地积极开发兴建中小型水 三维20节点实体单元建模，将弧坑规则地化为球 电站。中小型水电站的引水压力钢管一般都在工 面。 地现场制作和安装，绝大多数都采用手工电弧焊。 分别对纵缝和环缝上出现单个和多个弧坑， 由于工作条件简陋，施工环境差，资金不足等原 以及对焊缝交叉处在纵缝和环缝上同时出现多个 因，焊接接头处难免产生较多的焊接缺陷。检验 弧坑的情况进行计算和分析。钢管的几何尺寸及 人员一般对咬边、未焊透、裂纹等缺陷很重视，但 材料特性如表 l所示。 是，对焊缝弧坑缺陷重视程度不够。弧坑缺陷同 表 1 钢管的几何尺寸及材料特性 样会引起较强的应力集中，在弧坑附近产生较高 外 壁厚／ ／涫松 比 刷 ／ m I11 nlnl mm mm Xx 儿J [Ⅵta m ra 的局部应力，严重地影响压力钢管的承载能力，危 l368 20 1．5 5 2．O6 O．3 3l7 及电站的运行安全。 注：口为弧坑深度，r为弧坑半径 (即弧坑在焊缝表面上 笔者结合因弧坑缺陷引发引水钢管焊缝开裂 大小的一半) 的工程实例，采用三维有限元方法对钢管焊缝弧 坑缺陷处的应力进行计算，分析弧坑在不同方向 1．2 载荷处理 和不同间距分布时对应力集中程度的相互影响， 计算载荷可分为三组 J：①轴向受钢管自重 为压力钢管的安全评定提供力学依据。 分力、温度变化时钢管与支座之间的摩擦力及伸 缩节的变形抗力；②径向所受水的压力；③环向所 1 有限元建模 受水的压力、钢管 自重及水重所引起的环向力。 计算载荷由弧坑位置处无缺陷当地应力确定，在 1．1 模型的建立 加载时把它们作为表面力分别施加到相应的面 压力钢管的强度计算通常是对同厚度中具有 上。在纵向及