CN109885930B - 焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，首先获取焊缝缺陷在不同的应力水平下的应力强度因子K，并通过试验测量或者查阅手册资料获得焊缝的断裂韧性Kc；然后计算安全系数及临界扩展尺寸，获取对应应力下的缺陷尺寸并绘制标准曲线，最后获取焊缝裂纹安全系数，对焊缝缺陷进行分级处理。本发明发展了一种准确且有效的焊接缺陷评定方法，突破了不允许裂纹、未熔合等危害性缺陷的界限，对于缺陷的处理具有明确的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测分析技术，尤其涉及焊缝中危害性缺陷的安全性评价 及处理意见指导。
背景技术
随着经济发展，对设备的安全稳定运行的要求也日益提高。锅炉、压力容 器以及管道等设备都有大量的焊缝，这些焊缝质量直接影响到设备能否安全稳 定的运行。
通常要对这些焊缝进行无损检测例如超声波检测。超声检测发现缺陷后， 根据缺陷指示长度和反射波幅所在的区域进行评级。但有些裂纹因为声束指向 性不好其波幅较低而认为焊缝合格，有些缺陷虽然很小但其反射面好导致波幅 很高而被要求返修等，因此基于缺陷波幅的焊缝质量分级准确性相对差。承压 设备无损检测规程规定：裂纹、未熔合等缺陷是不允许的。然而，有些裂纹的 存在并不影响设备的使用，实际中也发现这些裂纹在设备运行中并不扩展，因 此对于这种不扩展的裂纹没有必要进行处理。故此，发展一种准确且有效的焊 接缺陷评定方法具有十分重要的实际意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种焊缝内危害性 缺陷的安全性分级方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，用于裂纹类缺陷的安全性评估，该 方法包含如下步骤：
A、针对工件的受力状况，确定其焊缝内裂纹的扩展形式，裂纹扩展形式分
为张开型即Ⅰ型、滑移型即Ⅱ型、剪切型即Ⅲ型；
B、获取焊缝缺陷在不同的应力水平下的应力强度因子KX：通过试验获取焊 缝缺陷的应力强度因子KX；或采用有限元分析软件根据焊缝、缺陷各自的几何 特性及空间关系建立数学模型，施加对应的应力进行有限元分析，获取应力强 度因子KX；
C、通过资料检索或试验求得该焊缝的断裂韧性KXc；
D、安全系数及临界扩展尺寸的获取：安全系数n＝KXc/KX；在确定的应力下， 使得KX＝KXc的裂纹尺寸为裂纹的临界扩展尺寸，求取不同应力值下的临界扩展尺 寸；
E、依据实际工程工况及应用需要，设定不同的安全系数n，获取对应应力 下的缺陷尺寸；
F、标准曲线的绘制：基于步骤C、D的数据绘制“应力-缺陷尺寸曲线图” 或其逆曲线图：“缺陷尺寸-应力曲线图”，作为含裂纹等危害性缺陷的分级曲 线，则同一副质量评级图中的曲线对应不同安全系数；
G、焊缝裂纹安全系数的获取：对于无损检测中发现的裂纹等危害性裂纹缺 陷，根据设备运行中所承受的压力及测得的缺陷长度，与步骤E获取的具有不 同安全系数的曲线进行尺寸对比，确定出裂纹缺陷的安全系数；
H、安全处理：对于步骤F获得的安全系数值，对于安全系数大于1的缺陷， 不予处理；对于安全系数小于1的缺陷，及时修复处理。
作为本发明的一种优选技术方案，使用坐标轴为应力及缺陷尺寸。
作为本发明的一种优选技术方案，分级曲线由在不同的安全系数下的应力 及对应的缺陷尺寸所构成。
作为本发明的一种优选技术方案，应力为使裂纹具有扩展趋势的应力，或 为焊缝所在部件运行中承受的压力。
作为本发明的一种优选技术方案，应力强度因子类型根据裂纹扩展类型确 定，若为张开型，应力强度因子用KⅠ、断裂韧性为KⅠc；若为滑移型，应力强度 因子为KⅡ、断裂韧性为KⅡc；若为剪切型，应力强度因子为KⅢ、断裂韧性为KⅢc。
作为本发明的一种优选技术方案，缺陷的分级曲线计算及绘制不受应力强 度因子类型的影响。
作为本发明的一种优选技术方案，危害性缺陷包含裂纹及未熔合缺陷。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的方法发展了一种准确 且有效的焊接缺陷评定方法，相对当前的检测标准，其分级更精确，突破了不 允许裂纹、未熔合等危害性缺陷的界限，且能给出这些危害性缺陷的安全系数， 对于缺陷的处理具有明确的指导意义。
附图说明
图1为实施例1中焊缝的应力-裂纹尺寸质量分级曲线。
图2为实施例1中焊缝的裂纹尺寸-应力质量分级曲线。
图3为实施例2中的计算模型示意图。
图4为实施例2中采用两种计算方法对半椭圆裂纹前缘各点的应力强度因 子的计算结果，图中可见，两者的最大相对误差仅为8％。
图5为实施例2中利用有限元软件进行应力强度因子计算的情况。
具体实施方式
以下实施例详细说明了本发明。本发明所使用的各种原料及各项设备均为 常规市售产品，均能够通过市场购买直接获得。
实施例1、Ⅰ型焊缝裂纹的分级分析。
1、通过资料或者试验获取含裂纹等危害性缺陷焊缝的断裂韧性KⅠc；
2、计算不同尺寸的缺陷在不同的应力水平下的应力强度因子KⅠ；
3、安全系数n＝KⅠc/KⅠ，n＝1时的裂纹尺寸为临界扩展尺寸，获取不同应力 下的临界扩展尺寸；
4、根据工程应用需要，当n为确定数m时获取不同应力下的缺陷尺寸。
5、由步骤3、4，绘制应力-缺陷尺寸曲线图，如附图1所示，或者缺陷尺 寸-应力曲线图，如附图2所示，作为含裂纹等危害性缺陷的分级曲线，同一副 质量评级图中曲线对应不同安全系数。
通过上述步骤获取了具有不同安全系数的曲线。对于无损检测中发现的裂 纹等危害性缺陷，根据设备运行中所承受的压力及测得的缺陷长度，与各曲线 比较，可定出该裂纹的安全系数。安全系数大于1的缺陷，如果无其他附加因 素的影响，根据断裂力学原理，是不扩展的，可不处理，安全系数小于1的缺 陷，随着设备运行时间的增加，缺陷不断扩展长大，最终导致设备开裂损坏， 因此必须处理。
大量数据表明，工业应用中的裂纹类型通常为Ⅰ型，本实施例以Ⅰ型断裂 强度因子为例，说明了本发明中的质量分级方法，对于含Ⅱ、Ⅲ型扩展类型裂 纹的焊缝的质量分级方法与含Ⅰ型裂纹的焊缝分级方法一致。
实施例2、应力强度因子KⅠ的建模分析示例。
应力强度因子K有数学分析法、有限元法、试验法等。可任选其中的某种 方法进行获取。
参见附图3，为数学分析的计算模型图。在无限大平板中，具有长度为2a 的穿透板厚的裂纹表面上，在距离x＝±a1的范围内受均匀分布载荷q作用，
参见图4，对某半椭圆裂纹前缘各点分别使用数学分析计算及有限元计算结 果比较，两者的最大相对误差仅为8％。
通常情况下，由于数学分析法难以求解复杂模型，而采用有限元法。有限 元法可以计算复杂模型的应力强度因子，并能处理在其他缺陷影响下的应力强 度因子，很多有限元软件加入了应力强度因子计算模块，操作方便。参见附图5， 为利用软件求解应力强度因子的计算情况。
在设计上本发明需要注意，由于裂纹尖端的应力集中系数相对其他缺陷大， 用该分级方法评价同长度的未熔合、未焊透缺陷时，其安全系数相对裂纹高。 同时，本发明的方法不适合评价气孔型缺陷，因气孔型缺陷引起的应力集中远 低于裂纹，使用该方法评价过于保守，对于缺陷的管控较严格。本发明所使述 的应力可为使裂纹具有扩展趋势的应力，直接加载在裂纹面上，也可以是焊缝 所在部件承受的内压。当应力使用焊缝所在部件承受的内压时，该曲线的使用 将更加方便。
综上实施例可见，本发明的方法发展了一种准确且有效的焊接缺陷评定方 法，相对当前的检测标准，其分级更精确，突破了不允许裂纹、未熔合等危害 性缺陷的界限，且能给出这些危害性缺陷的安全系数，对于缺陷的处理具有明 确的指导意义。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身 的单一限制条件。
Claims (7)
1.焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，用于裂纹类缺陷的安全性评估，其特征在于：该方法包含如下步骤：
A、针对工件的受力状况，确定其焊缝内裂纹的扩展形式，裂纹扩展形式分为张开型即Ⅰ型、滑移型即Ⅱ型、剪切型即Ⅲ型；
B、获取焊缝缺陷在不同的应力水平下的应力强度因子KX：通过试验获取焊缝缺陷的应力强度因子KX；或采用有限元分析软件根据焊缝、缺陷各自的几何特性及空间关系建立数学模型，施加对应的应力进行有限元分析，获取应力强度因子KX；其中，数学分析的计算模型为，在无限大平板中，长度为2a的穿透板厚的裂纹表面上，在距离
的范围内受均匀分布载荷q作用，/>
；
C、通过资料检索或试验求得该焊缝的断裂韧性KXc；
D、安全系数及临界扩展尺寸的获取：安全系数n=KXc/KX；在确定的应力下，使得KX=KXc的裂纹尺寸为裂纹的临界扩展尺寸，求取不同应力值下的临界扩展尺寸；
E、依据实际工程工况及应用需要，设定不同的安全系数n，获取对应应力下的缺陷尺寸；
F、标准曲线的绘制：基于步骤C、D的数据绘制“应力-缺陷尺寸曲线图”或其逆曲线图：“缺陷尺寸-应力曲线图”，作为含裂纹危害性缺陷的分级曲线，则同一副质量评级图中的曲线对应不同安全系数；
G、焊缝裂纹安全系数的获取：对于无损检测中发现的危害性裂纹缺陷，根据设备运行中所承受的压力及测得的缺陷长度，与步骤E获取的具有不同安全系数的曲线进行尺寸对比，确定出裂纹缺陷的安全系数；
H、安全处理：对于步骤F获得的安全系数值，对于安全系数大于1的缺陷，不予处理；对于安全系数小于1的缺陷，及时修复处理。
2.根据权利要求1所述的焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，其特征在于：使用坐标轴为应力及缺陷尺寸。
3.根据权利要求1所述的焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，其特征在于：分级曲线由在不同的安全系数下的应力及对应的缺陷尺寸所构成。
4.根据权利要求1所述的焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，其特征在于：应力为使裂纹具有扩展趋势的应力，或为焊缝所在部件运行中承受的压力。
5.根据权利要求1所述的焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，其特征在于：应力强度因子类型根据裂纹扩展类型确定，若为张开型，应力强度因子用KⅠ、断裂韧性为KⅠc；若为滑移型，应力强度因子为KⅡ、断裂韧性为KⅡc；若为剪切型，应力强度因子为KⅢ、断裂韧性为KⅢc。
6.根据权利要求1所述的焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，其特征在于：缺陷的分级曲线计算及绘制不受应力强度因子类型的影响。
7.根据权利要求1所述焊缝内危害性缺陷的安全性分级方法，其特征在于：危害性缺陷包含裂纹及未熔合缺陷。
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