螺旋焊管焊缝噘嘴应力分析方法

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1、第25卷第1期焊接学报v01．25N。．12004年2月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONFebruary2004螺旋焊管焊缝噘嘴应力分析方法赵新伟，罗金恒，路民旭，李鹤林，张田忠(1．西安交通大学材料科学与工程学院，西安710049；2．中国石油天然气集团公司管材研究所，西安710065)摘要：螺旋焊管焊缝噘嘴问题是复杂的三维问题，国际上目前尚无现成的应力计算公式可以利用。作者建立了螺旋焊缝噘嘴应力分析的力学模型，在直焊缝噘嘴应力的理论解基础上。通过理论分析和有限元数值分析，提出了螺旋焊管焊缝噘嘴附加弯曲应力和焊缝噘嘴部位最大应力的显

2、式解。给出了螺旋焊管焊缝极限噘嘴高度的计算公式，为螺旋焊管质量控制和安全性评定提供了理论依据。关键词：管道；螺旋焊缝；噘嘴；弯曲应力中图分类号：'1V,404文献标识码：A文章编号：0253—360X(2004)01—25一O5赵新伟0序言1．1分析模型图1为螺旋焊管焊缝示意图。以管子轴心为原点，横截面为平面，轴线为轴，建立坐标系。管焊缝噘嘴(Peaking)又称焊缝角变形(Angulardistortion)，是焊接壳体(压力容器和管道)普遍存在道横截面如图2所示。取壳体外半径为R，壁厚d，的一种几何缺陷，其严重程度取决于制造技术和工噘嘴高度，焊缝与轴线夹角为(见图3)，考虑管道

3、仅受内压P作用。假设具有相同横截面的螺旋焊艺水平。当管道承受内压作用时，焊缝噘嘴会产生附加弯曲应力，附加弯曲应力和内压产生的薄膜应管和直缝焊管在内压作用下，在横截面内产生相同的附加弯矩，则单位长度焊缝上的分布弯矩』lf。力叠加，在管道内表面噘嘴部位产生应力集中，从而导致管道承载能力下降，并增加应力腐蚀开裂敏感可表示为=MoCOS2~。(1)性⋯，降低疲劳寿命【2]。研究焊缝噘嘴应力计算方法，不仅对于焊接管道质量控制，而且对于在役管道考虑到模型简化带来的误差，引入修正系数A，的焊缝安全性评估，都具有重要意义。对于直焊缝式(1)变为噘嘴应力的计算方法，国际上已开展了大量的研究=MoCO

4、S卢。(2)工作【3]，目前已建立了可靠的计算公式，并引入美A可通过数值拟和的方法确定。国石油学会标准API579。但对于螺旋焊缝噘嘴应力的计算方法，目前尚无研究报道。螺旋焊缝噘嘴的应力集中问题是一个典型的三维力学问题。由于焊缝噘嘴部位受附加弯矩作用，加上焊缝本身与管道轴向成一定夹角，焊缝处于三维应力状态，但现有的三维力学理论很不成熟，要精图1圆柱形壳体囊麓焊缝示意图确分析极为困难。作者采取应力等效投影的方法和F．1SketchofspiralwddingqIlI-dl∞lshell叠加原理，并结合有限元数值拟合分析，得到了适于工程应用的螺旋焊缝噘嘴的应力计算公式，给出了螺旋焊管焊

5、缝临界噘嘴高度的分析方法，为螺旋焊管的质量控制和安全性评价提供了理论依据。1螺旋焊缝噘嘴应力计算公式的理论推导收疆日期：2003—05—13图2II麓焊接壳体横t面基金l

6、i目：中国石油天然气集团公司“九·五”重点应用基础研究项且(980704—01)Fig．2TransversesectionofspU'alwekUug26焊接学报第25卷2有限元分析模型研究采用ABAQUS5．4—18有限元分析软件，建立了两种分析模型，改变焊缝角度，计算焊缝噘嘴部位的最大应力。在有限元数值模拟结果与公式计算结果进行对比分析的基础上，根据焊缝角度的范围，确定式(10)A中的最佳取值。模型1R=1

7、019．8mln，管长Z=20000him，图3焊缝角度的定义Fig．3Deflnillonofweldangled=50rllln，6：20．2nllTl，P=1MPa。杨氏模量E=207000MPa，泊松比=0．3。厚度方向单元分21．2螺旋焊缝曩嚼鄙位应力计算公式层。焊缝两侧噘嘴部分各分8层，梯度分布，最小单元尺寸为12．6mm。圆弧部分自焊缝方向两边各分对于直缝焊管，焊缝噘嘴产生的附加弯矩与噘嘴高度6之间看以下关系引，即20层，梯度分布，最小单元尺寸为80．7mm。管长』l，0=一p冠子Cf，(3)方向分三个区域，中心线两侧分3层，梯度分布，最小单元尺寸为22．7mm；端部

8、分30层，梯度分布，最式中：c为修正系数，可表示为小单元尺寸为162．6nllTl；这两部分之间均分l2层，4(一一一)一，单元尺寸82．5nllTl。单元总数10080个，节点总数n=215288个。有限元网格划分情况如图4a所示。．(4)式中：=arcc。s两R，(5)=／—12(1-1,2)pR3，(6)式中：为泊松比；E为杨氏模量。由弯曲理论知，在垂直焊缝方向上引起的附加弯曲应力为。(7)此外，膜应力or在垂直焊缝方向的应力贡献or用下式计算，即：m(L一+一