駱鳴，王盼盼，唐璇，周靖

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)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(kù)的水輸往水輪機(jī)，其安全運(yùn)行對(duì)水電站至關(guān)重要[1，2]。水電站壓力鋼管是一種典型的薄殼結(jié)構(gòu)，它是由鋼板一節(jié)一節(jié)焊接在一起的，對(duì)于大型的壓力鋼管，由于交通運(yùn)輸條件的限制，通常把鋼管分節(jié)制造后運(yùn)送到工地，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(guò)程中，焊縫質(zhì)量是至關(guān)重要的，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)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(chǎn)生的氣孔、裂紋、未焊透等缺陷，往往破壞焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，危及工程的安全運(yùn)行[3-6]。

在這些焊縫缺陷中，未焊透是最常見(jiàn)的缺陷，它會(huì)造成結(jié)構(gòu)有效承載面積的減小，容易引起較大的應(yīng)力集中。如果缺陷處的應(yīng)力過(guò)大，超出材料的極限承載能力，易引發(fā)脆性斷裂，對(duì)于工程極為不利[7-11]。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)某水電廠引水鋼管含未焊透焊接缺陷的情況進(jìn)行研究。

1.2 研究目的及意義

壓力鋼管是在復(fù)雜的受力及環(huán)境條件下運(yùn)行的，是水電站重要設(shè)備，與工程安全、生命財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)。壓力鋼管在服役期間，受焊接工藝與環(huán)境影響，會(huì)存在不同種類的焊接缺陷，考慮到其安全性，需要對(duì)其進(jìn)行經(jīng)常維護(hù)，考慮到可操作性，需要定期進(jìn)行檢測(cè)，這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程，需要計(jì)算機(jī)與理論相結(jié)合手段對(duì)其進(jìn)行全面和細(xì)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(duì)象，分析未焊透焊接缺陷對(duì)廠房明管段鋼管強(qiáng)度的影響。總結(jié)缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而更高效、更有針對(duì)性地對(duì)引水鋼管進(jìn)行后期安全檢測(cè)和維護(hù)。

2 鋼管應(yīng)力計(jì)算理論及方法

本文研究的對(duì)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(yīng)力達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度后，鋼材產(chǎn)生局部頸縮，經(jīng)大量變形后被破壞拉斷。由鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出，鋼材有彈性階段、屈服階段兩個(gè)主要階段，鋼材應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)之前，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變呈線性變化，比例極限接近屈服強(qiáng)度，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，可近似將鋼材彈性工作階段提高到屈服強(qiáng)度。

線彈性矩陣及幾何方程表示如下：

應(yīng)變矩陣{x}：

應(yīng)力矩陣{M}：

線彈性廣義應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系式為：

3 引水鋼管有限元仿真計(jì)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(fā)電廠房、進(jìn)水口、發(fā)電引水鋼管、溢洪道及過(guò)壩設(shè)施等，九條發(fā)電引水鋼管分別位于7、12、16壩段內(nèi)，壓力管道中水流從上游流向下游，最后達(dá)到蝸殼端，共分27節(jié)，某壓力管道整體分節(jié)平面圖如圖1所示。

圖1 壓力管道整體分節(jié)平面圖

引水鋼管直徑均為5.2 m，進(jìn)口中心高程73.0 m，每節(jié)管長(zhǎng)1.2 m。引水鋼管整體外觀形態(tài)較好，無(wú)明顯移位、變形、損傷，運(yùn)行狀態(tài)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(jié)構(gòu)體系，根據(jù)廠房引水鋼管的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，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(biāo)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(cè)指向上游側(cè)。

計(jì)算工況：計(jì)算工況主要考慮鋼管的內(nèi)水壓力和自重。水庫(kù)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(nèi)部缺陷，根據(jù)未焊透缺陷的形態(tài)特征，可將未焊透缺陷簡(jiǎn)化為立方體。未焊透缺陷簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 未焊透缺陷簡(jiǎn)化模型

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

建模過(guò)程：先建立幾何模型，再對(duì)建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壓力鋼管采用點(diǎn)到面的建模方法，依次建立壓力鋼管管壁、加勁環(huán)、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(shí)體模型建成后，定義單元類型及相關(guān)參數(shù)，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用掃略Sweep網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格劃分單元數(shù)106 560個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)129 867個(gè)。

引水鋼管局部應(yīng)力區(qū)最大折算應(yīng)力為94.930 9 MPa，出現(xiàn)在引水鋼管與下游側(cè)混凝土墻體連接部位，小于局部應(yīng)力抗力限值169.0 MPa。引水鋼管1號(hào)位置未焊透缺陷局部應(yīng)力區(qū)最大折算應(yīng)力為292.882 MPa，2號(hào)位置未焊透缺陷局部應(yīng)力區(qū)最大折算應(yīng)力為263.93 MPa，3號(hào)位置未焊透缺陷局部應(yīng)力區(qū)最大折算應(yīng)力為195.062 MPa。對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最大位置出現(xiàn)在引水鋼管的上部。

缺陷處應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)隨缺陷位置變高而增大。缺陷位置越高，應(yīng)力集中系數(shù)隨缺陷高度增大的速度越快，幅度越大，應(yīng)力集中系數(shù)增大的速度最快，幅度最大，在缺陷深度位置較高時(shí)，應(yīng)避免高度過(guò)高的未焊透缺陷出現(xiàn)。

分別計(jì)算模型1～3深度位置s為0、0.1、0.2的缺陷長(zhǎng)度為0.1L，寬度1.0 mm時(shí)的最大等效應(yīng)力及其應(yīng)力集中系數(shù)。計(jì)算得到模型1～3的最大等效應(yīng)力及其應(yīng)力集中系數(shù)分別見(jiàn)表1～表3。

表1 1號(hào)位未焊透缺陷的最大等效應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)

表2 2號(hào)位未焊透缺陷的最大等效應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)

表3 3號(hào)位未焊透缺陷的最大等效應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)

由表格數(shù)據(jù)及缺陷深度位置-應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)系曲線可得出：

（1）缺陷處應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)隨缺陷深度位置增大而增大。缺陷高度越高，應(yīng)力集中系數(shù)隨缺陷高度增大的速度越快，幅度越大，當(dāng)缺陷高度為0.5時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)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(yīng)力的關(guān)鍵因素。

（2）當(dāng)缺陷長(zhǎng)度為0.1L，寬度1.0 mm時(shí)，1號(hào)位，當(dāng)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(shí)，缺陷處應(yīng)力基本超出整體膜應(yīng)力抗力限值；2號(hào)位，當(dāng)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(shí)，缺陷處應(yīng)力應(yīng)力基本超出整體膜應(yīng)力抗力限值；3號(hào)位，當(dāng)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(shí)，或者缺陷高度等于0.05且深度位置大于0.3時(shí)，缺陷處應(yīng)力超出整體膜應(yīng)力抗力限值。缺陷處應(yīng)力超出整體膜應(yīng)力抗力限值后，缺陷處應(yīng)力集中程度越來(lái)越明顯。當(dāng)缺陷存在于鋼管頂線和中線附近區(qū)域和底線附近區(qū)域，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)與修補(bǔ)。

4 結(jié)論

進(jìn)水鋼管焊接過(guò)程中的未焊透缺陷屬于間隙未焊透，是焊接中出現(xiàn)頻率最高的未焊透缺陷。在實(shí)際工程中未焊透缺陷的超聲波探傷時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)缺陷深度位置超過(guò)0.5的未焊透缺陷，保證結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。隨著未焊透缺陷高度的增加，應(yīng)力增大速度變快，在實(shí)際工程制造、安裝、檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制存在于鋼管頂線和中線附近區(qū)域的缺陷，位于鋼管上部的未焊透缺陷應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)，而且應(yīng)避免狹小細(xì)長(zhǎng)型未焊透缺陷出現(xiàn)，保證焊縫完整性和結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。