焊接管道LBB分析中泄漏速率的研究

摘要：先泄后断(lbb)技术已经广泛地应用于焊接压力容器及管道的设计中，该理论是指在压力容器和管道中的裂纹达到失稳状态

以前．可以检测到通过该裂纹的流体的泄漏。使用计算机程序模拟了通过裂纹的流体泄漏速率；通过有限元分析程序fluent，对简单情

况下的单相流体在压力管道中裂纹不同张开方向上的泄漏速率进行模拟计算，并对其结果进行比较分析。得出泄漏速率与裂纹张开位

移(cod)和裂纹长度的关系均不是线性关系．并且cod的扩展对泄漏速率的影响要大于裂纹长度对其的影响。因此，cod的扩展值

是影响管道内流体泄漏速率的主要因素。

关键词：先泄后断；焊接管道；泄漏速率；fluent

中图分类号：tg457．6 文献标识码：a

管道中的焊接结构在焊接过程中常常由于焊接接头组织性

能的劣化以及其它原因不可避免地产生各种缺陷，使焊接接头

成为结构的薄弱环节，从而影响管道的正常运行。为了保证其

安全运行，并使其具有合理性和科学性，进行先泄后断的安全

收稿日期：20__-12-21：修回日期：20__-07-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50375109)

评定具有重大的经济效益和社会效益。

先泄后断(leak．before．break，lbb)是指表面裂纹在外

加载荷和其它因素作用下逐渐发展．穿透壁厚形成贯穿裂纹．

造成管道内介质泄漏。当泄漏量达到一定程度后。即可被相应的

泄漏监测系统发现。但壁面方向裂纹长度仍有足够的安全裕度．

达到一定长度后才会发生失稳扩展从而导致管道彻底断裂。

如果从发现泄漏到管道毁灭性破坏之间有足够长的时间采

其中① ，②位于反应层1，③ ，④位于反应层2，⑤位于反

应层3；在不锈钢侧反应层，根据① 的元素比，可以判断①为

fe在b—ti中的固溶体，fe一 化合物，黑灰色；② 含w(ti)

48．7o％ ，w(c)46．58％ ，可以判断为tic；在中间反应层，黑色

的( 相w(ti)54．88％ ，w(c)42．40％ ， 比例接近tic；( 区域为

cu固溶体，并有扩散而来的少量o，ti，a1等元素；在陶瓷侧

反应层，从表3中⑤ 的成分来看，由于此处从陶瓷侧扩散来的

o含量较高，可初步推断灰色基体⑤为ti—o相。

3 结论

(1)试验采用扩散钎焊实现复合陶瓷与不锈钢的连接．工

艺参数为：加热温度1 100 1 150 oc：压力1o 20 mpa；保温

时间4o 70 min；保护气体为氮气。

(2)选用ti—c ti作中间层扩散钎焊a1：o 一tic复合陶瓷与

不锈钢，可有效地缓和接头残余应力，并且与陶瓷具有良好反

应能力，可获得足够强度的复合陶瓷，不锈钢扩散钎焊接头。

(3)a1：o 一tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头形成3个扩

散反应层，其中一个位于cr18一ni8不锈钢侧．厚度约为17．5

m；靠近陶瓷侧的反应层厚度约为7．5 m，中间反应层厚度

约为5 m。

(4)通过电子探针分析，ai：o _tic复合/！/陶瓷与不锈钢扩

散钎焊接头的元素分布表明，a1：0，_tic复合陶瓷与不锈钢接

头扩散反应形成产物主要有：靠近陶瓷一侧是tic．ti一0和 —

a1；靠近不锈钢一侧是fe在b—ti中的固溶体，fe一 化合物和

tic；中间一层是cu固溶体和cu—fri相。

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22 ·试验与研究· 焊接技术 第36卷第5期20__年1o月

取安全处理措施(如卸压、修理等)，则避免了由于快速整体

破坏而引起的灾难性事故，sharples~ .提出了先泄后断评定

的一般准则，如图1所示。

陟

蟠

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失稳扩展

1 c 裂纹长度

图1 先泄后断评定的一般准则

这将使在役含缺陷压力容器和管道等承压构件的安全评定

更具合理性和科学性，并将带来巨大的经济效益和社会效益。

目前， 国外一些最新、最有影响的标准如英国的bs一7910

“金属结构中缺陷验收方法” 和欧洲共同体提出的sinrrap

“结构完整性评定方法” 提出了先泄后断的评定方法

lbb评定方法的一个重要条件是：在管道壁上形成的穿透裂

纹在扩展到发生破坏性断裂的临界长度前，泄漏速度足够大．

确保能被检测到。lbb分析技术只能在监测装置探测到了泄漏而

裂缝尺寸仍然小于临界裂缝长度时，才能应用。因此，在lbb分

析技术中，裂缝泄漏率与裂缝几何尺寸之间关系的计算是非常

重要的。本文主要采用大型流体有限元计算软件nuent e 来计算

管道环向裂缝中流体的泄漏速率与裂缝几何尺寸之间的关系。

1 管道裂纹的扩展机制

当管道壁上的表面裂纹扩展成穿透裂纹后．在管道所承

受的膜应力及弯矩应力的作用下．可有2种扩展机制[5 3：一是

沿环向方向上继续扩展．使裂纹长度增加：二是沿轴向使

裂纹张开位移值(crack opening displacement，cod)增加。

这2种扩展机制都使裂纹张开面积增加。从而影响泄漏速率

的大小

2 泄漏速率的计算

管道中裂纹的泄漏速率计算是以流体力学分析为基础的。

流体在压力作用下从开口泄出的量主要取决于管道内部的压

力、流动速度、温度以及流动过程中的水阻。在不同条件下的

泄漏计算可以采用不同的方法。流体穿过裂缝的泄漏速率计算

是一个复杂的问题．涉及到裂纹的几何形状、流过的路径长

度、摩擦效应以及流体穿过裂纹的热动力学等方面，和许多不

确定的条件有关，是lbb分析中最困难的一部分工作。因为有

关泄漏条件的复杂性，所以对其进行简化是很有必要的[6-8]。针对

本文研究的内容．笔者对流体状态进行如下简化：

①假定泄漏的流体是单相的、一维的、绝热的：

② 忽略流体与环境之间的热交换：

③假设流体是不可压缩的：

④可以不考虑液体的汽化现象。

通常都使用简化的流体模型来进行泄漏率的计算。裂纹的

模型一般使用截面为椭圆形截面，所以液体泄漏速率取决于裂

纹表面的形状和cod。为了研究裂纹扩展方向对泄漏速率的影

响，本文使用有限元程序fluent对裂纹体中的流体泄漏速率进

行模拟计算。fluent是计算流体力学问题的大型有限元软件，

可模拟各种状态下的流体问题。

管道模型的主要计算参数如图2中所示。

图2 臂遵尺寸示意图

管道主尺寸：管道半径r=317．55 mm，管道壁厚t=12．7 mm，

6为cod值， 为裂纹张开长度，2 为裂纹环向张开角度。裂缝

几何特征：裂缝取向为环向穿透裂纹．裂纹流道为等截面流道，

裂纹张开面积形状取椭圆形： 管道中的液体状态： 内压p=i

mpa，温度t~--60 oc，管内液体流nv=2m／s，液体密~,o--9．98x103

kg／m。，为不可压缩理想液体，管道外部压力取一个大气压(1x

10s kpa)；分别计算2组穿透裂纹扩展形式下的泄漏速率：

(a)穿透裂纹的长度不变(取环向2 值为6o。)，裂纹沿轴

向张开(cod变化)由0．05 mm扩展至0．6 mm。

(b)穿透裂纹的cod不变( 为0．2 mm)，裂纹沿长度方

向由环向3o。扩展至6o。。

3 基于fluent有限元程序的建模和网格划分

与流速相关的模型只涉及管道内壁和裂纹体．所以建模时

可以把管道外壁及厚度省略．直接建立管道内壁和裂纹体的

3d模型． 为裂纹沿壁厚方向的长度。网格划分全部使用六面

体对应网格，划分后的网格模型示意图如图3所示。

(a)管道及裂纹网格剖面图 (b)管道及裂纹网格侧面图

图3 有限元模型网格图

网格划分后的有限元模型最小体积为1．157 6xlo 。m ，最

大为1．714 4x10 m ，共73 216个单元，管内流体使用k一￡湍流

模型。模型建好之后导／~．fluent主程序进行迭代计算。

weldiw,technologv vo1．36 no．5 oct．20__ ·试验与研究· 23

cod值从0．1 mm变化至0．6 mm，泄漏速率则相应从0．011 5 kg／s

4 计算结果及分析 增至0．732 41 kg／s；裂纹环向张开角度由30。增至6o。，泄漏速

通过使用有限元程序对c0d和裂纹长度2组数据的计算， 率仅由0．039 31 kg／sn~n0．063 63 kg／s，由此可见，c0d是影

可以得到2组泄漏曲线，如图4，5所示。 响管道内流体泄漏速率的主要因素。

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cod／mm

图4 cod与泄漏速率的关系图

0。065

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28 3o 32 34 36 38 40 42 44 46 48 5o 52 54 56 58 60 62

裂纹张开角度，(。)

图5 裂纹环向张开角度与泄漏速率关系图

如图4所示，cod与泄漏速率并不是呈线性关系，而是随

着cod的增大而呈现出类似二次曲线式的增大。在cod值从

0．05 mm增加到0．1 mm时。泄漏速率并没有明显增加；从0，1～

0．4 mm阶段泄漏速率开始稳定增长； 当cod扩展到0．4 mm以

后，泄漏速率值开始急剧增长。

如图5所示，由裂纹环向张开角度与泄漏速率的关系可以

看出，裂纹环向张开角度从30。扩展到60。，虽然曲线后段有部

分转折，但泄漏速率变化并不明显。转换成裂纹长度与泄漏速

率的关系可参考图6。

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裂纹张开长度／ram

图6 裂纹张开长度与泄漏速率关系图

从以上两方面的计算结果来看．裂纹cod的扩展对管内流

体泄漏速率的影响要远大于裂纹环向张开角度对其的影响。

5 结论

(1)应用有限元程序fluent对管道壁裂纹中流体的泄漏

计算进行了试计算。说明用fluent程序对泄漏率的计算是可

． 行的。

(2)计算结果显示，cod与泄漏率曲线和裂纹长度与泄漏

率曲线均不是线性关系，且cod的增加对泄漏速率的影响要大

于裂纹长度的增加对泄漏速率的影响。

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