在咬边焊接缺陷下相贯无缝钢管的疲劳特性研究

刘 宁，吕琼莹

（长春理工大学机电工程学院，长春 130022）

在咬边焊接缺陷下相贯无缝钢管的疲劳特性研究

刘 宁，吕琼莹

（长春理工大学机电工程学院，长春 130022）

本文以相贯无缝钢管构成的管节点子模型为研究对象，利用ANSYS软件计算了在咬边缺陷下结构的应力和位移分布，以理想无焊接缺陷的管节点结构作为比较基础，对比分析了咬边缺陷对相贯无缝钢管的应力敏感度；在此基础上，利用疲劳分析软件对结构在咬边焊接缺陷下的疲劳特性进行分析，计算了该缺陷下结构疲劳寿命以及裂纹发生的初始位置，分析了在咬边缺陷对结构疲劳寿命的影响度。

咬边焊接缺陷；强度计算；寿命预估

0 引言

由相贯无缝钢管构成的管节点应用广泛，其中许多结构都会承受交变载荷，典型例子是海洋平台结构。其主体结构均是由无缝钢管构成的管节点，且在整个服役期间内会经受多达108次的交变应力循环。同时，在采用焊接方式连接的过程中，不可避免的会产生焊接缺陷，而这些缺陷对结构的应力敏感度和对结构的疲劳寿命影响度还未从理论上进行量化分析[1]。

咬边现象将减少管节点中撑管、弦管接头处的实际有效截面积，同时在撑管或弦管的咬边处会引起应力集中。因此对相贯无缝钢管所构成的管节点结构在咬边缺陷下进行强度应力计算和疲劳寿命预估是保证结构安全可靠的基础。

1 断裂力学的Orowan理论

在格里菲斯理论的基础上Orowan将其推广到金属材料中，Orowan理论指出裂纹扩展前在其尖端附件会产生一个塑性区，同时还认为[2]：

裂纹扩展单位面积时，内力对塑性变形作的塑性功用Γ表示。以面积为A厚度为t的薄板为例：

若给定裂纹长度为a(其值为裂纹的1/2)，则临界应力可描述为：式中γ为表面能密度。若给定应力，则可定出裂纹临界尺寸为：

对于金属材料，通常塑性功率Γ比γ大三个数量级，因而γ可忽略不计。则裂纹的临界应力与临界尺寸可写成：

2 咬边焊接缺陷下分析模型建立

为进行量化对比分析，需建立理想状态下无焊接缺陷的相贯无缝钢管管节点分析模型。为考虑分析结果的代表性，本文采用这样的分析模型：相贯管节点结构采用直撑管、斜撑管和弦管焊接连接，各参数满足相关设计标准和规范的要求；同时焊接缺陷的尺寸为相关焊接规范和设计标准下的最大允许焊接缺陷尺寸。

图2.1 管节点分析子模型

图2.1中各参量的意义为：D为弦管直径；T为弦管壁厚；d为撑管直径；t为撑管壁厚；g为撑管之间的间隙；θ为撑管A、撑管C相对于弦管的倾斜角度，该参量是引起导管架平台管节点载荷传递大小与类型不同的参量。

由于咬边的疲劳机理是相同的，本论文在分析中限于有限元网格的划分，论文中就仅考虑弦管处存在咬边，以尽量形成网格更均匀的有限元模型。本文的建模方法是在ANSYS软件的前处理器中利用实体建模的方法构建模型，采用solid186单元离散结构，形成有限元模型，限于篇幅就不列出有限元模型网格图。

3 结构静态计算

分析结构中弦管和撑管所选用的材料均为某型结构钢，材料参数为[3]：密度：7850 kg/mm3；弹性模量：2.06×105MPa；泊松比：0.27；抗拉强度：430MPa；屈服强度：345MPa。

对分析子模型进行施加在总体结构中所受载荷及边界条件，首先对理想焊接状况下的无焊接缺陷管节点结构进行强度计算，其分析结果为：

图3.1 理想无焊接缺陷子模型应力图

在理想焊接的无焊接缺陷情况下，相贯无缝钢管构成的管节点子模型在结构载荷和自重下，最大应力为145.38MPa，发生在如图中所示的A点。

施加同样的载荷和边界条件，对存在咬边缺陷的子模型结构进行分析，其计算结果为：结构最大应力为230.478MPa，位于直撑管B与弦管的焊接结构鞍点位置，且最大点位于鞍点位置的焊接咬边中心。

通过计算，两种情况下的子模型结构中的弦管受力状态均较撑管复杂，在撑管离焊接接头最大距离为150mm的位置以外，撑管的应力基本就保持在40MPa以下。弦管在离焊接接头处应力也随之下降。

从应力最大值来看，咬边焊接缺陷下的子模型结构应力较无焊接缺陷增加85.10MPa，增加58.54％；且高应力区的波及范围较无焊接缺陷下的子模型结构大。

4 子模型结构疲劳计算

利用疲劳分析软件Fe-safe对结构进行疲劳计算，该方法是在静力计算的基础上，通过指定疲劳载荷的循环特性、材料的疲劳参数等输入条件[4]。

通过对其计算，在理想无焊接缺陷下的相贯无缝钢管子模型结构的疲劳寿命和疲劳寿命分布云图为：

图4.1 理想无焊接缺陷子模型疲劳寿命分布图

其分析结果为，结构的疲劳寿命为107次，即为无限寿命。

存在咬边焊接缺陷的子模型结构的疲劳寿命计算为：疲劳寿命为104.9473=88572次，结构疲劳寿命薄弱处为直撑管B与弦管接头处的焊接咬边根部，并沿焊缝方向发展。

在分析子模型结构的表面上疲劳裂纹的扩展方向是沿着咬边缺陷的方向扩展，内部扩展方向是由沟槽最深处沿弦管轴心方向扩展：如图4.3所示：

5 结论

本文通过对咬边缺陷下相贯无缝钢管的子模型结构进行静力强度分析和疲劳寿命计算，其计算结果为：

1）咬边焊接缺陷对结构的应力敏感度较大，其最大应力上升了58.54％；且高应力区的波及范围较无焊接缺陷下的子模型结构大。

2）咬边焊接缺陷对结构的疲劳寿命影响非常大，该缺陷导致结构的疲劳寿命急剧下降，其寿命值的影响度达到两个数量级。从裂纹的扩展方向上来看：结构的表面上疲劳裂纹的扩展方向是沿着咬边缺陷的方向扩展，内部扩展方向是由沟槽最深处沿弦管轴心方向扩展。

图4.3 咬边缺陷下结构裂纹扩展方向

[1]刘建平.钢管相贯节点的研究现状和动向[J].钢结构,2003(4),13-15

[2]李庆芬.断裂力学及其工程应用[M].哈尔滨工程大学出版社,1998.08：21-30

[3]成大先主编；王德夫.姬奎生.韩学铨等副主编.机械设计手册[M].化学工业出版社,2008.04

[4]刘建平.钢管相贯节点的研究现状和动向[J].钢结构,2003(4),13-15

刘宁，（1986-），男，硕士研究生，安徽人，研究方向：在线检测与装备。