一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法与流程

本发明属于焊接结构剩余寿命评估领域，涉及一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法。
背景技术：
：焊接技术凭借其精确、可靠、低成本和高效连接的特性被广泛应用于工业生产的各个领域。由于焊接结构在材料及几何上的不连续性，加之焊接本身是一个复杂的热物理化学冶金过程，这些因素造成了焊接接头部位材料和力学性能的不均匀性，因此，焊接结构容易发生断裂。在这些事故中，疲劳破坏占90％，而焊接接头更是容易发生疲劳破坏的薄弱部位。焊接结构在焊接过程中难免会产生各种裂纹，如表面裂纹、埋藏裂纹、穿透裂纹等。当含有裂纹的焊接接头受到外载荷作用时裂纹尖端会产生应力集中，这种应力集中会严重降低焊接接头整体的力学性能，甚至会发生突然断裂的情况。此外，焊接接头中微小的裂纹在应力循环作用下不断扩展，达到临界裂纹尺寸后造成结构失效。埋藏裂纹因其先天性、后发性、隐蔽性、突显性的特点，是焊接结构中较大的安全隐患。因而对含有埋藏裂纹的焊接结构进行科学合理的疲劳评定是必要的。目前对含埋藏裂纹焊接结构进行剩余寿命评估多采用断裂力学评定方法，而断裂力学需要进行应力强度因子的计算、疲劳裂纹扩展分析等工作，所要求的工作量比较大，不方便实现对焊接结构疲劳寿命的快速评价。因此本发明提出的含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法将实现对含典型埋藏裂纹的焊接结构实现快速评定。技术实现要素：解决的技术问题：本发明针对上述现有技术的不足提供了一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法，采用疲劳等级法评定实现了焊接结构的快速评定，便于对工程问题做出及时快速的决策。本发明上述解决的技术问题是通过下面的技术方案得以实现的：本发明提供了一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法，将焊接结构中实际的埋藏裂纹尺寸通过等疲劳强度法等效成无限长裂纹尺寸，通过确定无限长裂纹的疲劳等级来确定焊接结构实际的疲劳等级，通过焊接结构所需的疲劳等级与实际的疲劳等级的比较，实现了含埋藏裂纹焊接结构的快速评定。一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法，包括以下步骤：由paris公式变换，其中a为裂纹深度，n为应力循环数，a、m是应力材料常数，对钢在非腐蚀环境且温度低于100℃条件下a＝5.21x10-13，m＝3；δk为应力强度因子范围，其中将其代入paris公式变换两边积分可得：其中y为形状系数，δσ为应力范围，ai为初始裂纹深度，即裂纹实际尺寸深度，af为临界裂纹深度；采用s-n曲线法，将paris公式变换式右边项积分得到一个常数，将这个常数划分为10个疲劳等级。进一步地，通过控制寿命下的等疲劳强度法对各种尺寸的埋藏裂纹进行等效计算，采用等疲劳强度等效时，首先需确定一个寿命，根据裂纹实际尺寸通过paris变换式可以计算结构失效时埋藏裂纹的强度；根据求出的疲劳强度和寿命再利用公式求出无限长裂纹的强度，获得埋藏裂纹初始深度对应的无限长裂纹深度，即为埋藏裂纹的等效深度；用下列公式：求解形状系数y，并用于前述步骤中；基于上述步骤求出的数据绘制埋藏裂纹尺寸等效图和疲劳等级图。对于埋藏裂纹在疲劳扩展过程中，形状系数y不仅与裂纹深度2a有关，还与裂纹长度2c、位置p以及结构厚度b等参数有关。在裂纹扩展过程中，2a和2c都是变量，所以对于paris公式变换式难以积分求解。而对于无限长裂纹，形状系数y只有a是变量，可以直接积分求解，确定其疲劳等级。因此，想要确定含埋藏裂纹焊接结构疲劳等级需要寻求一种与无限长裂纹相等效的方法，根据无限长裂纹的疲劳等级来确定椭圆形裂纹的疲劳等级。本发明具有以下有益效果：1)本发明是一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法，通过对比paris公式积分式与疲劳寿命曲线表达式，建立含埋藏裂纹焊接结构的疲劳等级方法，实现了快速评定。2)本发明提供的含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法，该疲劳等级方法评定过程相对简单，实现了快速评定，且评定结果偏于保守。附图说明图1是埋藏裂纹缺陷的结构示意图；图2是s-n曲线疲劳等级；图3是埋藏裂纹缺陷尺寸等效图；图4是埋藏裂纹疲劳等级图；图5是实施例结构尺寸图。具体实施方式：实施例在移动罐车中某一横向对接接头中发现了一条埋藏裂纹，该设备所受到的载荷应力范围为76mpa，根据断裂评估表明该设备若无限长裂纹深度超过2mm将发生失效危险。现用质量等级法快速评估该设备能否在n＝5×105循环后进行修复。一种含埋藏裂纹焊接结构的剩余寿命评估方法包括以下步骤：确定所需的疲劳等级：针对不同的载荷类型，若载荷为常幅载荷时，所需的s-n曲线疲劳等级则可根据s-n曲线表达式计算常数c值或在s-n曲线疲劳等级图所示的坐标系中由所受应力范围和疲劳寿命标出的点确定相应的等级。若载荷为变幅载荷时，则可将疲劳载荷划分成k个载荷块，每个载荷块应以不同的寿命循环次数为划分依据，如应力范围δσ1对应n1次循环，应力范围δσ2对应n2次循环，应力范围δσj对应nj次循环，以此类推。根据miner准则，在2×106次循环时的等效应力范围s计算公式如下由应力范围和疲劳寿命在s-n曲线等级图中标定出的点，若该点正好落在10条曲线上，则可直接取相应的疲劳等级，否则，所需疲劳等级应取与之邻近且高于该点的那一等级，在表1中可以查出与之对应的等效参考应力s。根据该设备工况可得所需的疲劳等级曲线为δσ＝76mpa和n＝5×105n所对应的坐标点之上的邻近一条曲线，即为q5，参考表1参考应力范围s＝50mpa确定实际的疲劳等级：实际的质量等级主要是根据缺陷的具体情况参照标准中给出的相应整套质量等级图来确定。首先需根据缺陷尺寸等效图将初始裂纹的实际尺寸a等效成无限长裂纹(a/2c＝0)型的等效初始裂纹然后，最大允许尺寸的确定需确定该材料结构是否涉及失稳破坏，若结构会产生失稳破坏，可根据断裂分析确定达到失稳扩展临界条件时的裂纹深度或依据先漏后破准则确定出所允许最大尺寸；否则，最大允许尺寸则可直接按结构板厚取值。根据和截面厚度b在疲劳等级图中取与之接近且靠上的等级并读出相应的sm值，再根据和截面厚度b同样在疲劳等级图中取与之接近且靠上的等级并读出相应si的值，根据读出的两个值，计算等效裂纹深度从扩展到在与(或)扩展到截面厚度b求出的应力强度，可将上述过程整理简化成公式其中m＝3,所得结果即为缺陷的实际疲劳等级所对应的参考应力范围。根据缺陷的尺寸参照埋藏裂纹缺陷尺寸图和疲劳等级图来确定。根据本题中结构的相关尺寸2a＝5mm，2c＝25mm，p＝9mm，和b’＝2a+2p＝23mm可得a/2c＝0.1，2a/b’＝0.217，参照缺陷尺寸等效图，可确定等效初始裂纹尺寸为即等效的无限长裂纹初始尺寸为由于可容忍穿透厚度的裂纹，因此amax＝b，参照疲劳等级图可知，参考应力sm＝0。因此其中m＝3，s＝50mpa，参照表1，取下面邻近的质量等级即为q5等级。通过比较可得出结论：实际的疲劳等级(q5)等于所需的疲劳等级(q5)，该设备符合所需要求表1质量等级分类常数c2×106次循环时的应力范围s/mpaq11.52×101291q21.04×101280q36.33×101168q44.31×101160q52.50×101150q61.58×101143q71.00×101137q86.14×101032q93.89×101027q102.38×101023当前第1页12