拉壓靜不定-鍋爐焊縫

1、鍋爐管板焊縫開裂事故的對策1 主題詞軸向拉壓，靜不定問題，內(nèi)力分析，變形協(xié)調(diào)條件2 事件背景上世紀(jì)九十年代，大連鍋爐廠設(shè)計生產(chǎn)的一種鍋爐正常使用了一段時間以后發(fā)生了焊縫開裂事故。這是一種熱水鍋爐，主要結(jié)構(gòu)由圓筒狀外殼和沿縱向布置的管束組成，兩者通過端部的管板連接在一起。管程走煙氣，殼程充裝熱水，并承受內(nèi)壓。鍋爐管板結(jié)構(gòu)見圖1，煙管管束集中布置在管板的上部，而管板下部留有橢圓形的人孔，用于設(shè)備檢修。人孔兩側(cè)各設(shè)一根拉桿用以限制管板在壓力下不致產(chǎn)生過大的撓度。拉桿的橫截面為實心圓，其直徑與煙管的外徑相近。開裂事故就發(fā)生在這兩根拉桿與管板間的焊縫處，廠內(nèi)經(jīng)過檢測鑒定排除了焊縫結(jié)構(gòu)尺寸和焊接質(zhì)量方面的

2、施工問題，初步認(rèn)定是原設(shè)計上存在缺陷。管板煙管拉桿人孔圖1 鍋爐管板結(jié)構(gòu)簡圖分析認(rèn)定，連接焊縫開裂是由于拉桿承受了過大的軸向拉應(yīng)力所致。按照拉伸強度的概念，為了降低拉桿的工作應(yīng)力，則需增大拉桿的截面尺寸。然而意想不到的是，按照上述提高強度的思路重新設(shè)計制造的鍋爐投入使用后又發(fā)生了同樣的焊縫開裂事故，而且破壞的周期更短了。這說明上述改進(jìn)的思路是有問題的。那么問題到底出在哪兒？正確的概念又是什么？3 問題與思考題（1） 鍋爐管板與管束和拉桿組成的結(jié)構(gòu)是靜定結(jié)構(gòu)還是靜不定結(jié)構(gòu)？（2） 在外力不變的條件下，受軸向拉伸的桿件應(yīng)力是否一定與其橫截面面積成反比？（3） 變形協(xié)調(diào)條件與強度條件是否會互相矛盾？

3、如何處理兩者間的關(guān)系？（4） 鍋爐管板的彎曲剛度對上述問題有什么影響？4 相關(guān)分析方法（1） 簡化的靜不定結(jié)構(gòu)定性分析若略去管板彎曲剛度的影響（視為剛性），問題可采用圖2所示的簡化模型進(jìn)行定性分析。lDlE1A1E2A2煙管束拉桿AB管板管板FN1FN2p圖2 簡化的定性分析力學(xué)模型根據(jù)管板受力圖，可建立力的平衡關(guān)系： （1）其中p為熱水對管板作用的壓力，記A為承壓面積，F(xiàn)N1和FN2分別煙管束和拉桿承受的軸向拉力。設(shè)管板原位置在A，受內(nèi)壓后移至B，煙管束和拉桿具有共同的原長l和伸長變形Dl，其軸向變形的剛度分別為E1A1和E2A2。根據(jù)變形圖可寫出變形協(xié)調(diào)條件為： （2）于是兩者的內(nèi)力之比等

4、于其剛度之比： （3）若要降低拉桿的內(nèi)力，就得降低拉桿的剛度。在兩者材料相同的情況下，即需要考慮降低拉桿的橫截面面積A2。這樣的一個分析結(jié)果似乎會令人感到不可思議，按照軸向拉壓強度計算公式，降低橫截面面積，意味著應(yīng)力增大，如何能夠提高強度呢？必須注意的一個問題是，斷裂破壞事故是發(fā)生在焊縫上，而不是桿件的橫截面，因此，需要考慮焊縫強度。（2） 焊縫強度計算煙管和拉桿與管板的連接焊縫結(jié)構(gòu)如圖3所示。hf焊縫的有效截面尺寸hf煙管拉桿管板焊縫圖3 焊縫結(jié)構(gòu)示意圖圖3表示，按照構(gòu)造要求，焊縫截面為一等腰三角形，煙管與拉桿的焊縫尺寸相近。按照規(guī)范，焊接連接的強度計算應(yīng)考慮焊縫的最小截面，即取焊縫的有效截

5、面尺寸hf乘以焊縫長度作為承受軸向拉力的計算截面面積，這一面積大致與煙管的橫截面積相當(dāng)，而遠(yuǎn)小于實心拉桿的截面。用大致相同的焊縫截面承受大得多的軸向拉力，這就是拉桿焊縫強度遠(yuǎn)低于煙管而頻遭破壞的原因。5 參考答案根據(jù)上述簡化的靜不定結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的定性分析，我們知道，鍋爐結(jié)構(gòu)屬于靜不定結(jié)構(gòu)，煙管和拉桿各自所承受的軸向拉力隨其拉壓剛度EA的相對提高而增大，因此，增加拉桿橫截面面積的改進(jìn)方案同時也增大了拉桿所受的軸力，在外力不變的條件下，受軸向拉伸的桿件應(yīng)力與其橫截面面積之間不是比例關(guān)系。增加拉桿橫截面面積的改進(jìn)方案并不能有效地減小拉桿的工作應(yīng)力。相反地，若適當(dāng)減小拉桿的橫截面尺寸，則會有效地降低其

6、承受的軸力，在焊縫尺寸不變的條件下，焊縫的強度可獲得有效的提高。具體做法是將實心的拉桿用空心的圓管代替，其壁厚可以適當(dāng)大一些，但總截面面積應(yīng)顯著減小，具體結(jié)果可以通過精細(xì)的數(shù)值計算完成。當(dāng)然，這樣的做法會有代價，即管板的撓度會有所增加，但只要將其控制在規(guī)定的范圍以內(nèi)，并不會產(chǎn)生什么嚴(yán)重的問題。與靜定結(jié)構(gòu)不同的是，對于靜不定結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)各桿件間的相對剛度來調(diào)節(jié)內(nèi)力，合理的剛度分布可有效地保證結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件與強度條件兩者都得到滿足，而兩者產(chǎn)生矛盾的情況正是剛度設(shè)計不合理的體現(xiàn)。桿件所受到的軸向拉力N與其伸長變形Dl相聯(lián)系，Dl又要與管板的彎曲變形相協(xié)調(diào)，因此鍋爐管板的彎曲剛度對拉桿的實際受力有影響，靠近管板中心處的桿件比位于邊緣處的要成承受更大的內(nèi)力，這種差別會隨管板彎曲剛度的減小而變得更加顯著。6 相關(guān)鏈接暖氣管接頭頻繁泄露的原因與對策分析某建筑的暖氣設(shè)置采用圖4所示的布置，其中暖氣包的腿埋在水泥地面里。冬季當(dāng)暖氣正常使用一段時間以后，暖氣管的接頭處就開始泄漏，并且泄漏量逐日加大。