焊接結構可靠性課件

1、第8章焊接結構可靠性分析本章學習要點知識要點掌握程度相關內(nèi)容可靠性分析了解可靠性分析中的不確定性和工程風險的概念，掌握可靠性的定義及表達方式，熟悉可靠性、安全性和完整性的相互關系不確定性：隨機性、模糊性和知識不完善性；工程風險性；可靠性、可靠度、安全性、完整性；合于使用原則構件焊接性熟悉焊接結構的構件焊接性及其影響因素，全面了解焊接過程“熱-力-組織”之間的相互關聯(lián)性材料的焊接適應性、設計的焊接可靠性、制造的焊接可行性；影響焊接接頭強度的因素，影響焊接變形和應力的因素；熱-力-組織交互作用焊接結構完整性評定了解完整性管理的概念，熟悉完整性評定原理和程序，熟知常用評定方法結構完整性管理、特點和任

2、務；完整性的評定原理和程序；CEGB-R/H/R6、SINTAP、BS7910、API579、GB19624焊接結構失效分析方法了解焊接結構斷裂類型，熟悉焊接結構斷裂的影響因素，熟悉焊接結構失效分析思路、步驟、內(nèi)容和原因失效分析思路、步驟、內(nèi)容、原因；失效類型、斷口分析和失效源2/1283/128對于焊接結構而言，由于焊接過程的熱-組織-性能的交叉復雜性和眾多非線性影響因素，要正確描述焊接接頭的性能不均勻性、焊接變形與應力、應力集中以及焊接缺陷等影響因素，準確把握焊接接頭強度、結構穩(wěn)定、抗斷裂和耐持久性等質(zhì)量問題變得非常困難?？煽啃苑治龇椒ǔ蔀楝F(xiàn)代焊接結構設計、制造、安裝和使用過程中保證結構安

3、全性的重要手段。前言主要內(nèi)容4/1288.1 結構可靠性分析概念8.2 焊接結構的焊接性分析8.3 焊接結構的完整性評定8.4 焊接結構失效分析8.1 結構可靠性分析概念5/1288.1.1結構設計中的不確定性 在工程結構制造和使用過程中，結構可靠與不可靠是不可預知的，這是因為存在有諸多不確定性的因素。不確定性是指事件出現(xiàn)或發(fā)生的結果是不能準確確定的，事先不能給出一個明確的結論，事件的不確定性需要采用不確定性理論描述，有時還需通過經(jīng)驗進行分析和判斷。按產(chǎn)生的原因和條件，不確定性可分為隨機性、模糊性和知識的不完善性。6/128隨機性是指由于事件發(fā)生條件的不充分性導致最后出現(xiàn)結果的不確定性。但這并

4、不意味著事件發(fā)生的結果是不可控制的，而是將其控制在一定范圍內(nèi)，在概率意義上是可以控制的。在結構可靠性理論中，隨機性可分為：物理不確定性 如材料強度的變化、焊接接頭的不均勻以及外加載荷的隨機性等，在一定的環(huán)境和條件下，這些變量的不確定性是由其內(nèi)在因素和外在條件共同決定的，稱為物（1） 隨機性7/128不確定性，屬于事物本質(zhì)上的不確定性。當與制造過程有關時，可通過提高技術水平或控制質(zhì)量水平來降低物理不確定性，但過分嚴格控制會提高構件制造的成本，降低生產(chǎn)效率。統(tǒng)計不確定性 在實際設計、制造與使用過程中，許多性能參數(shù)都是隨機變量。這些隨機變量的統(tǒng)計參數(shù)與樣本的容量有關，理論上只有當樣本的容量為無窮時，

5、估計的參數(shù)才是準確和確定的。8/128這種由于隨機變量樣本量的不足而導致統(tǒng)計參數(shù)估計值的不確定性稱為統(tǒng)計不確定性。降低統(tǒng)計不確定性的手段是增大樣本容量，但由于客觀條件的限制，很多情況下并不能得到足夠多的數(shù)據(jù)。模型不確定性 在工程結構設計和分析中，常需要根據(jù)一些已知變量通過公式或模型計算另一變量，由計算公式不準確或模型簡化而產(chǎn)生的不確定性稱為模型不確定性。降低模型不確定性的途徑是使計算假定盡量與實際情況相符，并采用先進的計算手段。但這些都要受到科學技術發(fā)展水平和經(jīng)濟條件的限制，如許多問題目前還不能建立準確的模型，精確的分析則可能需要更多的費用。9/128（2） 模糊性模糊性是指事物屬性的不分明或

6、中間過渡性所產(chǎn)生的不確定性，即一個事物是否屬于一個集合是不明確的。圖8-1為國際標準ISO2394-1998結構可靠性總原則給出的關10/128于結構使用性能存在中間過渡特性的圖示，當指標 1 2 時，結構是處于可使用和完全不可使用的中間狀態(tài)，可使用的程度與 的值有關。圖8-1 結構使用性能存在的中間過渡特性11/128（3）知識的不完善性知識的不完善性是由于客觀信息的不完備和主觀認識的局限性而產(chǎn)生的不確定性。知識的不完善性可分為兩種：一種是知道事物變化的趨勢，但沒有數(shù)據(jù)預測事物未來變化的程度，如我國鐵路列車速度不斷提高，不同車速對鐵路橋梁的要求是不同的，設計橋梁時，需要考慮未來高速列車速度變

7、化，但未來車速會是多少難以確定，需要根據(jù)經(jīng)驗和判斷給出一個提高系數(shù)；另一種是主觀認識的局限性，即由于人對自然規(guī)律認識的不足而產(chǎn)生的不確定性。14/1288.1.2 結構使用中的風險性工程結構在制造和使用過程中都帶有一定的風險，風險由兩部分組成：一是危險事件出現(xiàn)的概率；二是一旦危險出現(xiàn)，其后果嚴重程度和損失的大小。危險是可能產(chǎn)生潛在損失的征兆，是風險的前提，沒有危險也就無所謂風險。危險是客觀存在，是無法改變的，而風險卻在很大程度上隨著人們的意志而改變，亦即按照人們的意志可以改變危險出現(xiàn)或事故發(fā)生的概率。在結構制造和使15/128用過程中，應對風險有足夠的認識，要正確識別高風險的區(qū)域，確定可能導致

8、結構破壞的主控因素，為可靠性分析和工程結構風險管理提供依據(jù)。工程結構系統(tǒng)的風險性與結構的完整性密切相關，保證結構的完整性是降低技術風險的關鍵。人們往往認為風險越小越好，實際上這是不現(xiàn)實的，合理的做法是將風險限定在一個可接受的水平上，要接受合理的風險，不要接受不必要的風險，力求在風險與利益間取得平衡。16/128ALARP區(qū)域不可接受風險風險可接受風險近年來出現(xiàn)的ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原則就是盡可能降低風險而又能實現(xiàn)風險可接受的準則之一，可以認為是風險評估中的“合于使用”原則。 ALARP原則要求在介于可接受風險和不可接受風險之間的風險范圍

9、內(nèi)應盡可能降低風險，能夠盡量降低風險的范圍稱為ALARP區(qū)域(圖8-2)。圖8-2 ALARP 原則17/1288.1.3 工程結構的可靠性（1） 結構可靠性為保證不同設計狀況下、不同極限狀態(tài)時，結構滿足安全、適用、耐久和整體穩(wěn)定性的要求，需要保證結構具有一定的可靠性。結構可靠性可定義為結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。18/128所謂規(guī)定的時間為結構設計使用年限。在不同的使用年限內(nèi)，結構材料性能的變化、可能出現(xiàn)的最大荷載是不同的，所以結構可靠度要規(guī)定設計考慮的時間段。設計使用年限為結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時段，規(guī)定結構設計使用年限需考慮結構的形式

10、、使用目的、使用環(huán)境及維修的難易程度、費用和重要性等。19/128所謂規(guī)定的條件是指對結構設計、施工和使用方面的規(guī)定。具體來講，結構應由具有設計資質(zhì)的單位及其具有設計資格的人員按照設計規(guī)范進行設計；由具有施工資質(zhì)的單位及其具備相關知識相關技能的技術人員按設計圖樣和國家施工規(guī)范進行施工；對于用戶來說，應按設計規(guī)定的用途使用，并進行日常維護。如果不符合上述條件，都不能保證結構具有可靠性。20/128所謂預定的功能指結構的安全性、適用性、耐久性和抗連續(xù)倒塌能力，一般是以結構是否達到“極限狀態(tài)”為標志的。由此可以看出，保證結構具有設計的可靠性，不僅是一個技術問題，而且是一個管理問題，可靠性管理是保障結

11、構具有設計可靠度的重要手段。21/128（2） 結構可靠度結構在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率稱為結構可靠度。結構可靠度是結構可靠性的概率度量，工程中一般多用結構失效概率描述結構的可靠度。（3）失效概率 由于使用中工作載荷的變化和結構設計中的不確定性，載荷效應S（也即工作應力）和抗力R（也即許用應力）都是隨機變量。22/128設S和R為服從正態(tài)分布的隨機變量且二者為線性關系，其概率密度曲線如圖8-3所示，S和R的平均值分別為S、 R ，標準差分別為S、R （注：不是應力的概念）。圖8-3 R和S的概率密度分布曲線23/128按照結構設計的要求，顯然R必須大于S，但由于兩者分布的

12、原因，R曲線和S曲線產(chǎn)生了重疊，重疊區(qū)是 RS 的區(qū)域，其大小反映了抗力R和載荷效應S之間的概率關系，即為結構的失效概率，用pf表示。重疊的范圍越小，結構的失效概率pf越低；平均值S和R相差越大，或標準差 和 （離散程度）越小，則重疊越少，失效概率 越小。24/128增加R和S差值或減小R和S的離散程度，可以提高構件的可靠程度。以Z表示R和S差值，即Z=R-S， Z也是服從正態(tài)分布的隨機變量，圖8-4 可靠指標與失效概率關系示意圖其概率密度分布曲線如圖8-4，則Z0 事件的概率就是構件的失效概率，可表示為： 25/128按上式計算失效概率pf比較麻煩，故又建立了一種可靠指標的計算方法。由于失效

13、概率pf與Z的平均值Z值和標準差Z值有關，取其比值可以反映失效概率情況，即為可靠性指標，即(8-1)(8-2)26/128Z=Z,可以看出 大 ，失效概率小。和 pf 一樣可作為風險接受準則和可靠性評價指標，已在航空、核電和海洋工程等方面得到普遍應用。表8-1列出了常用的結構可靠指標 與失效概率 pf 。注：風險可接受準則有許多表達形式，目前多應用可靠指標與失效概率pf來表示。（見表8-1）27/128失效后果嚴重程度失效類型與可靠指標b與失效概率 第類失效塑性失效第類失效韌性撕裂失效第類失效脆性斷裂PfPfPf不嚴重 對人員傷害、對環(huán)境污染程度均很小，經(jīng)濟損失也小3.0910-33.7110

14、-44.2610-5嚴 重對人員可能造成傷害、甚至導致死亡，對環(huán)境可能存在污染，有明顯的經(jīng)濟損失3.7110-44.2610-54.7510-6很嚴重很大可能性導致一些人員傷害或死亡，明顯的環(huán)境污染和巨大經(jīng)濟損失4.2610-54.7510-65.2010-7表8-1 結構可靠指標與失效概率Pf28/1288.1.4 可靠性、安全性與完整性的關系 可靠性與安全性成為現(xiàn)代工程結構的兩大關鍵特性?？煽啃耘c安全性的含義及目的是有差異的，可靠性是指結構在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。安全性是指結構在各種環(huán)境作用下，不發(fā)生事故的能力?？煽啃匝芯康膶ο笫枪收希淠康氖菧p少故障的發(fā)生，安全

15、性研究的對象是危險，其目的是減少事故的發(fā)生。29/128 對于工程結構而言，一切都不可靠，則系統(tǒng)都是不安全的；一切都可靠，系統(tǒng)也不一定絕對安全；某部分不可靠，系統(tǒng)不一定不安全?？煽啃允枪こ探Y構安全性的基礎，是防范風險的重要保證。完整性是指結構實現(xiàn)其強度、剛度、損失容限、耐久性、功能性等要求的能力。結構完整性所涉及的內(nèi)容一方面考慮了傳統(tǒng)的剛度和強度的要求，另一方面又強調(diào)了耐久性和損失容限的抗斷裂性能，并要求從這兩方面同時保證結構的使用性能。完整性是指結構實現(xiàn)其強度、剛度、損失容限、耐久性、功能性等要求的能力。結構完整性所涉及的內(nèi)容一方面考慮了傳統(tǒng)的剛度和強度的要求，另一方面又強調(diào)了耐久性和損失容

16、限的抗斷裂性能，并要求從這兩方面同時保證結構的使用性能。30/128結構完整性是由材料性能、結構形式、制造工藝、載荷類型、環(huán)境介質(zhì)以及使用和維護等多種因素所決定的。完整性是結構抵抗破壞的重要屬性，結構的可靠性和安全性在很大程度上依賴于結構的完整性。國際焊接學會推出的焊接結構“合于使用”評定指南中定義：合于使用是指結構在規(guī)定的壽命期內(nèi)具有足夠的可以承受預見的載荷和環(huán)境條件的能力，即“合于使用”是結構完整性要求所要達到的目標，是完整性評定所要探索的內(nèi)容。31/128根據(jù)工程結構的經(jīng)濟可承受性要求，完整性應保證結構的可用性（適用性或合于使用性），要證明結構的功能或能力是否足夠完成使用要求。針對工程結

17、構而言，可靠性與失效對應,安全性與風險對應，完整性與損傷對應。損傷的程度對結構的完整性產(chǎn)生影響，損傷是結構的功能退化過程，損傷的極限是失效，而造成損傷的原因是結構所承受的載荷與環(huán)境等各種構成危險的因素。因此，結構安全性的關鍵是結構的完整性。 32/1288.2 焊接結構的焊接性分析為了全方位了解影響焊接結構使用性能和完整性的各種復雜因素和交互作用，了解制造因素和目標性能的關系，可以從焊接結構形成過程的熱學、組織和力學三個環(huán)節(jié)分析構件的焊接性能。33/1288.2.1 構件焊接性構件焊接性是指對于一定的材料和結構形狀，通過焊接技術手段獲得優(yōu)質(zhì)使用性能焊接結構的可行性。與“材料焊接性”的概念相比，

18、構件焊接性的含義更廣泛，它可以包含以下三方面內(nèi)容，其關系可用圖8-5表示。34/128（1）材料的焊接適應性 這一內(nèi)容涉及焊接結構所使用的母材和焊接填充材料的種類、化學成分和原始狀態(tài)等，它們主要影響熔化凝固后形成的焊接接頭顯微組織和缺陷種類。 圖8-5 構件焊接性的定義35/128（2）設計的焊接可靠性 這一內(nèi)容涉及焊接結構的形狀、尺寸、板材厚度、約束條件、焊縫和焊接接頭形式等，它們主要影響焊接接頭中的焊接變形和殘余應力、應力集中和工作應力分布等。（3）制造的焊接可行性 這一內(nèi)容涉及焊接方法、焊接速度、焊接操作方式、坡口形狀、焊接順序、多層焊、定位焊、預熱和焊后熱處理等，它們主要影響焊接接頭的

19、形成能力、缺陷類型和綜合力學性能等。36/128（1）影響強度性能的因素從狹義上來說，構件焊接性可理解為所需求的強度性能。焊接接頭的強度受到化學成分和溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型、預熱溫度等的影響。強度行為可用一些主要的物理特征值來描述，而這些主要特征值又可能涉及另一些次要的或工藝的特征值。8.2.2 影響構件焊接性的因素37/128圖8-6 影響焊接接頭強度的主要因素38/128圖8-6為一幅僅限于影響焊接接頭強度性能的不完全的可變因素圖，由此可看出“構件焊接性”的復雜性。(2) 影響焊接變形和應力的因素焊接殘余應力和焊接變形是構件焊接性的重要組成部分，它直接影響

20、到冷、熱裂紋的產(chǎn)生和構件的使用性能并妨礙制造過程。47/128焊接變形與應力是由多種因素交互作用而導致的結果。圖8-7給出了引起焊接變形和應力的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系。焊接時的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接變形與應力的決定性因素，熱輸入是通過材料性能因素、制造工藝因素和結構設計因素所構成的內(nèi)拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運動，最終形成了焊接變形和應力。影響熱源周圍金屬運動的內(nèi)拘束度主要取決于材料的熱物理參數(shù)和力學性能，而外拘束度主要取決于制造工藝因素和結構設計因素。48/128圖8-7 影響焊接變形和應力的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系49/1288.2.3 熱-力-組織的交互關系以往對“構件焊接性”的

21、描述多數(shù)為定性的語言描述，目前已經(jīng)發(fā)展了一些實驗方法，可以針對某一具體情況或特定的性能參數(shù)來定量描述，但宏觀上全面對焊接性進行定量描述卻十分復雜，也十分困難。隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機和數(shù)值模擬技術的進步，可將焊接性分解成溫度場、變形和應力場以及顯微組織狀態(tài)場，這對于定量分析焊接問題具有重要意義。50/128 注： 實線箭頭表示存在強烈的影響，虛線箭頭表示影響較弱，在工程上可以忽略其間的相互關聯(lián)。圖8-8 溫度場、變形和應力場及顯微組織狀態(tài)場51/128顯微組織的轉變不僅決定于材料的化學成分，也決定于焊接熱循環(huán)過程。為強調(diào)相變行為的影響，并顯示有限元分析中的基本輸入和輸出參數(shù)，可以對圖8

22、-8加以擴展形成如圖8-9所示“熱-力-組織”的關系圖，使各種影響因素之間的關系更為清晰和細致。52/128圖8-9 顯微組織轉變對焊接性的影響53/128從前述內(nèi)容可以看出，焊接結構的性能和質(zhì)量問題涉及到三個主要方面：熱場 即溫度場，主要涉及傳熱學知識；變形和應力場 涉及有力學知識，包括流體力學、材料力學、彈塑性力學、斷裂力學；顯微組織狀態(tài)場 對應有金相學知識，包括金屬學、焊接冶金學、金屬力學性能等。54/1288.3 焊接結構的完整性評定8.3.1 焊接結構的完整性概念（1）結構完整性管理基于安全性考慮，工程結構完整性管理在國際上受到高度重視。結構完整性管理特別強調(diào)檢測的作用，檢測如同人的

23、體檢，就是檢查結構的損傷情況，為完整性診斷提供“病情”。依據(jù)結構可靠性、安全性與完整性的辨證關系，結構完整性管理主要任務包括結構失效模式分析、風險分析及完整性評價。55/128結構在制造及運行過程中不可避免地存在或出現(xiàn)各種各樣的缺陷、材料組織性能劣化以及外力損傷等對結構使用性能構成影響的因素。特別是隨著結構服役時間的增長，損傷的累積會導致裂紋的形成與擴展，裂紋擴展到臨界尺寸形成斷裂，這一過程是結構由初始狀態(tài)向破壞（或失效）狀態(tài)的演變。結構完整性管理就是要監(jiān)控結構全壽命周期的完整性狀態(tài)的變化過程。因此，結構完整性管理也可以稱為完整性狀態(tài)管理。56/128結構完整性管理是一項系統(tǒng)工程方法，是多學科

24、交叉的集成管理，具有綜合性與科學性。積極開展結構完整性管理研究與應用，對保證結構的安全性與經(jīng)濟性具有極其重要的意義。 57/128（2）焊接結構的完整性 焊接結構的完整性特點 焊接結構的顯著特點之一就是整體性強，焊接結構的完整性就是要保證焊接結構在承受載荷和環(huán)境介質(zhì)作用下的整體性要求。焊接結構的整體性要求包括接頭的強度、結構的剛度與穩(wěn)定性、抗斷裂性和耐久性等。焊接接頭的性能不均勻性、焊接應力與變形、焊接接頭應力集中以及焊接缺陷等因素對焊接結構的完整性都有不同程度的影響，充分考慮這些因素是焊接結構完整性分析的重點內(nèi)容。58/128焊接結構完整性指標 完整性指標是評價焊接結構完整程度的依據(jù)，但目前

25、尚未建立完善的焊接結構完整性指標體系。根據(jù)結構完整性的要求，結合焊接結構的特點，焊接結構完整性指標應當包括強度、剛度、斷裂韌度、損傷容限、疲勞性能和耐腐蝕性能等。每一項指標都受到焊接接頭區(qū)不均勻性和焊接殘余應力的影響，因此，焊接結構完整性指標的確定要比均質(zhì)材料結構復雜得多。59/128焊接結構的完整性計劃 焊接結構的完整性計劃要根據(jù)產(chǎn)品結構的性能要求，在設計、制造、使用及維護各個階段制定具體的分析方法、試驗項目和評價準則等，以保證焊接結構的完整性目標。根據(jù)焊接結構完整性的影響因素，可歸納出焊接結構完整性計劃的主要任務，見表8-2。60/128表8-2 焊接結構完整性計劃的主要任務任務1任務2任

26、務3任務4任務5設計資料結構/材料制造與質(zhì)量控制疲勞與斷裂控制使用與維護 焊接結構完 整性總計劃設計使用壽 命與使用要求 結構與焊接熱 力分析服役條件使用壽命結構類型與力學 分析接頭設計 焊接條件 材料強度與韌性 轉變溫度 焊接性分析 可檢測性分析材料驗收焊接工藝評定工藝規(guī)程焊接應力與變形控制焊接缺陷預防焊接檢驗返修載荷與環(huán)境條件強度與應力分析缺陷容限分析疲勞壽命評估結構件模擬試驗全尺寸結構過載 試驗 運行試驗 損傷監(jiān)測 完整性評價 維修規(guī)程 員工培訓 操作規(guī)程 安全守則 措施改進61/128（3）焊接結構的“合于使用”性焊接結構的完整性與合于使用性之間既有差異，又是統(tǒng)一的。焊接結構完整性的目

27、標力求將風險降到最低，“合于使用”原則是考慮如何在經(jīng)濟可承受的條件下保證結構的功能。保證結構的完整性是確?！昂嫌谑褂谩钡幕A。焊接結構的絕對完整往往是很難做到的，其完整程度被接受的準則是“合于使用”性，或者說其損傷程度不影響使用性能。合于使用評定就是分析損傷對焊接結構完整性的影響，確定焊接結構的完整程度。因此，“合于使用”評定是焊接結構完整性研究的主要內(nèi)容之一。62/128目前，焊接結構完整性評定方法都是建立在“合于使用”原則的基礎上。在焊接結構的發(fā)展初期，要求結構在制造和使用過程中均不能有任何缺陷存在，即結構應完美無缺，否則就要返修或報廢。后來大量研究表明，即使焊接接頭中存在一定的缺陷，對焊

28、接接頭的強度的影響很小，而返修卻會造成結構或接頭使用性能的降低，因此，出現(xiàn)了“合于使用”的概念。在斷裂力學出現(xiàn)和廣泛應用后，這一概念更受到了人們的注意與重視，成為焊接結構完整性研究的重要課題。63/128“合于使用”評定又稱工程臨界分析(Engineering Critical Assessment，ECA)，是以斷裂力學、彈塑性力學及可靠性系統(tǒng)工程為基礎的工程分析方法。在制造過程中出現(xiàn)了缺陷，根據(jù)“合于使用”原則確定該結構是否可以驗收；在使用過程中，評定所發(fā)現(xiàn)的缺陷是否允許存在；在設計新的焊接結構時，規(guī)定了缺陷驗收的標準。國內(nèi)外長期以來廣泛開展了斷裂評估技術的研究工作，形成了以斷裂力學為基礎

29、的“合于使用”評定方法。多個國家建立了適用于焊接結構設計、制造和驗收的“合于使用”原則的標準。64/1288.3.2 含缺陷焊接結構評定原理及程序（1）評定原理含缺陷焊接結構安全評定均是基于斷裂力學的原理和“合于使用”評定的要求進行的。在建立載荷應力、當量缺陷尺寸和材料斷裂韌度的關系基礎上，比較當量缺陷尺寸與允許缺陷尺寸的大小，從而得出缺陷是否安全的結論。65/128其具體過程如下：通過表觀和無損檢測方法分析結構中缺陷是否存在，明確缺陷類型。根據(jù)缺陷的性質(zhì)、形狀、位置和尺寸將具體缺陷換算成貫穿板厚的裂紋，稱為當量或等效裂紋，用貫穿裂紋的長度表示當量缺陷的尺寸 。 通過力學實驗或有限元計算方法確

30、定當量裂紋所承受的工作應力，用s表示。通過斷裂力學實驗測試材料的斷裂韌度，例如KIC、CTOD、J積分等。66/128利用斷裂力學公式，如 , 來計算允許缺陷尺寸 ，對 和 進行比較，如果 ，則此缺陷是安全的，或者說是可以驗收；反之，則此缺陷是不安全的，或者說是不可以驗收的。這一過程可用圖8-10來表示。67/128圖8-10 含缺陷結構安全評定程序68/128同樣，在獲得缺陷當量裂紋尺寸 和斷裂韌度KIC后，也可以通過 計算出許用應力m ，對現(xiàn)有工作應力 和許用應力m進行比較，如果工作 m，則此缺陷是安全的，或者說是可以驗收。更廣義的說，就是比較裂紋驅(qū)動力和材料阻力的大小，來判斷缺陷的安全與

31、否。69/128（2）典型評定程序?qū)嶋H上，由于結構中的缺陷種類很多、位置關系復雜，載荷應力多種多樣，并且焊接接頭性能不均勻，使得缺陷的安全評定并非如上所述那樣簡單，而是變得非常復雜。如圖8-11是較為廣泛應用的英國中央電力局帶缺陷結構的完整性評定方法CEGB-R/H/R6失效評定程序圖，可以看出其復雜性。70/128圖8-11 失效評定流程圖71/128圖8-11中，a為實際裂紋尺寸；a0為初始裂紋尺寸；ag=a0+ag；aj=a0+aj；a為裂紋延性擴展量； ag為裂紋延性擴展的最大值； aj為裂紋延性擴展的假定值；KIC為脆斷起始時的線彈性平面應變斷裂韌性；KC為脆斷起始時的斷裂韌性（非標

32、準值）；K0.2為條件斷裂韌性；Kg為裂紋延性擴展ag后的斷裂韌性；K為裂紋延性擴展后的斷裂韌性。72/1288.3.3 焊接結構“合于使用”評定方法近年來國際上廣泛地將缺陷評定及安全評定稱之為完整性評定或“合乎使用”評定，它不僅包括超標缺陷的安全評估，還包括環(huán)境（介質(zhì)與溫度）的影響和材料退化的安全評估。按“合乎使用”原則建立的結構完整性技術及其相應的工程安全評定規(guī)程（或方法）越來越走向成熟，形成了一個分支學科，在廣度和縱深兩方面均取得了重大發(fā)展。73/128在廣度方面新增了高溫評定、各種腐蝕評定、塑性評定、材料退化評定、概率評定和風險評估等；在縱深方面增加了彈塑性斷裂、疲勞、沖擊動載、止裂評

33、定、極限載荷分析、微觀斷裂分析等。表8-3列出了常用焊接結構“合于使用”評定方法。74/128名稱制定單位應用及特點評定選擇 CEGBR/H/R6帶缺陷結構的完整性評定方法英國中央電力局 采用失效評定曲線對含缺陷結構的完整性進行評定。也適于裂紋止裂法、接頭匹配效應、局部方法和有限元方法等。 用代表斷裂驅(qū)動力與斷裂韌性的比率Kr和施加載荷與塑性失穩(wěn)載荷的比率Lr形成的失效評定曲線進行。有三種評定選擇： 選擇1：當僅知道材料屈服應力時； 選擇2：要知道材料的應力-應變關系曲線； 選擇3：要有材料性能、裂紋尺寸等詳細數(shù)據(jù)，可降低評定結果的保守性。 SINTAP歐洲工業(yè)結構完整性評定規(guī)程歐洲工業(yè)委員會

34、 由歐盟9個國家的17個組織共同完成。適用于一般工業(yè)結構缺陷的安全評定。 對脆性斷裂、延性撕裂和塑性失穩(wěn)等進行評定。 分7個評定水平： 水平0：只知道材料屈服應力時； 水平1：當材料屈服應力、最大拉伸應力以及焊縫強度非匹配程度小于10%時； 水平2：考慮焊縫強度非失配的評定； 水平3：知道材料的應力-應變曲線； 水平4：需要對裂尖拘束狀況的斷裂韌性估計； 水平5：J積分評定； 水平6：破裂前泄露（LBB）評定，可對部分穿透及穿透裂紋的穩(wěn)定與擴展進行評定。表8-3常用焊接結構“合于使用”評定方法75/128BS7910金屬結構中缺陷驗收評定方法導則英國標準委員會適用于一般金屬結構中平面型缺陷的安

35、全評定。主要在斷裂、疲勞、蠕變裂紋擴展、腐蝕、鼓脹、泄露、屈服等方面進行評定。分三個級別評定：1級評定：簡單評定，適用于材料性能數(shù)據(jù)有限時的評定，包括1A（失效評定圖法）和1B（當量裂紋法）；2級評定：常規(guī)評定，包括2A（不需要應力-應變數(shù)據(jù)）和2B（需要應力-應變數(shù)據(jù)）；3級評定：高級評定，主要對高應變硬化指數(shù)的材料或分析裂紋穩(wěn)定撕裂斷裂。包括3A（不需要應力-應變數(shù)據(jù)）、3B（需要應力-應變數(shù)據(jù)）和3C（J積分方法）。API579推薦用于合乎使用的實施方法美國石油學會對石油化工壓力容器、管道和儲罐等在役設備缺陷及其材料的退化損傷進行安全評估。主要評定均勻腐蝕、局部減薄、槽坑缺陷、點蝕、鼓泡

36、及分層、高溫蠕變等缺陷的安全性。從損傷機制、材料行為、運行條件、無損傷探傷、應力分析以及統(tǒng)計分析（工程可靠性模型）等方面對結構的完整性進行評定，分為三級評定：第1級：免于評定的標準；第2級：需要知道材料許用應力或現(xiàn)場取樣測試，按相關公式進行強度校核；第3級：高級分析，對第2級評定無法進行或通不過的，或常規(guī)強度計算公式已不適用的，采用有限元計算等分析方法進行強度校核。GB19624在用含缺陷壓力容器安全評定中國國家標準化管理委員會對在用含缺陷壓力容器、壓力管道進行安全評定的方法。主要評定裂紋、未熔合、未焊透、凹坑、氣孔、夾渣和咬邊等缺陷的安全性。 依據(jù)“合于使用”和“最弱環(huán)”原則，用于判別在用含

37、缺陷壓力容器在規(guī)定的使用工況條件下能否繼續(xù)安全使用。缺陷采用歸一化方法處理，主要進行斷裂失效評定、塑性失效評定和疲勞失效評定。前兩者有簡化評定、常規(guī)評定、凹坑評定、氣孔夾渣評定四種類型；后者有平面缺陷和體積缺陷兩種類型的疲勞失效評定。76/1288.4 焊接結構失效分析焊接結構失效是指在使用過程中，由于焊接結構的尺寸、形狀、組織和性能發(fā)生變化而不能完成指定的任務或喪失了原設計要求的現(xiàn)象，大多數(shù)情況是指由于焊接接頭部位開裂或斷裂引起的失效。雖然可以考慮焊接結構構件焊接性的諸多因素,也盡可能合理評價焊接結構的完整性，但由于不可預測的影響因素較多，焊接結構失效現(xiàn)象仍然會發(fā)生。正確認識和充分考慮焊接結

38、構的不足之處，熟悉其失效類型，分析已有斷裂構件或試件的失效原因，反饋于設計、制造和使用過程，才能防止發(fā)生失效，保證焊接結構的可靠運行。 77/1288.4.1 失效分析的思路失效分析的總體思路或方法有如下幾種：系統(tǒng)方法就是把失效類型、失效模式、斷口形貌特征、服役條件、材質(zhì)情況、制造工藝水平、使用和維修情況等放在一個研究系統(tǒng)中，從總體上加以考慮，以尋找具體失效原因的方法。78/128比較方法將失效結構與一個沒有失效而又能對應的完好結構進行比較，從中找出差異，以便確定失效的原因。歷史方法根據(jù)同樣結構同樣服役條件下的已有運行情況和變化規(guī)律，來判斷失效結構的引發(fā)原因，這要依賴已有失效資料的積累，運用歸

39、納法和演繹法來進行分析。79/128邏輯推理法根據(jù)背景資料和失效現(xiàn)場的調(diào)查材料，以及材料測試獲得的信息，進行分析、比較、綜合、歸納和概括，做出判斷和推論，得出可能的失效原因。在焊接結構失效分析中，要結合具體失效對象，靈活選擇分析方法，也可幾種方法兼顧并用。抓住失效中起主要作用的因素進行解剖，深入分析斷裂源、斷裂機理及其導致的開裂原因。80/1288.4.2 失效分析的步驟和內(nèi)容（1）現(xiàn)場調(diào)查研究發(fā)生失效后，盡早開始失效分析工作尤為重要，調(diào)查研究階段要盡量從現(xiàn)場、設計、施工和相關記錄中掌握失效事故的具體數(shù)據(jù)和信息，盡可能早地獲得第一手資料。搜集資料的順序沒有固定的規(guī)律可循，原則是快速、全面、細致

40、和耐心。81/128確定失效是在何時、何地和如何發(fā)生的；確定失效的部位、殘骸碎片的相對位置，部件的畸變和損傷情況，照相記錄和繪制草圖。訪問有關操作者和見證人，了解失效過程、失效現(xiàn)場及其變化情況，尤其是在當事人對事件記憶猶新的時候，盡可能迅速地得到有關失效情況的所有口頭報告和相關物證。要對現(xiàn)場進行詳細的錄像或拍照，以備研究之用。82/128收集和保護失效部位的斷口試樣，要采用對斷口部位無損傷的方法截取試樣。要了解斷口是否做過處理，收集和保護之前是否有外力損傷和介質(zhì)腐蝕。查找失效結構的原始背景資料，包括焊接結構的設計圖紙、相關標準、焊接接頭的工作應力計算、焊接生產(chǎn)制造工藝過程、焊接接頭質(zhì)量檢測報告

41、、焊接結構運輸和安裝的記錄資料。83/128了解結構的工作歷史和工況條件，如工作負載、載荷狀態(tài)、工作介質(zhì)、環(huán)境溫度和工作時間，是否與規(guī)定的工況條件相符合。運行過程中是否出現(xiàn)過異?，F(xiàn)象，是否有同類型結構發(fā)生過同樣或其他類似的失效。盡可能收集構件在運行過程和失效時的監(jiān)控數(shù)據(jù)或影像資料，掌握焊件的實際運行情況和實際使用時間。84/128(2) 樣品初步檢驗從事故現(xiàn)場盡可能多地收集結構斷裂殘骸。對斷裂殘骸進行初步分析，并從中選取分析樣品。初步檢驗是外觀檢驗，包括記錄焊件上的特征，如污物、腐蝕產(chǎn)物等，失效部位形狀、尺寸和位置，并畫出草圖或照相記錄。用肉眼或放大鏡初步檢驗失效焊件的變形程度、斷口形貌和裂紋

42、擴展方向等。根據(jù)初步分析結果，選取分析樣品，所選的樣品應包括一次失效試件和一次開裂源。85/128用于確定一次開裂源的方法有：根據(jù)裂紋走向特點確定裂紋源；根據(jù)變形程度確定裂紋源；根據(jù)腐蝕程度確定裂紋源，從焊件的最薄弱處找裂紋源。(3) 無損檢測分析在失效分析中，無損檢測主要用于測定焊件表面缺陷和內(nèi)部缺陷，通過檢測焊接缺陷的尺寸和分布，確定缺陷在失效中的作用。常用的無損檢測方法有無損探傷，包括X射線法、超聲波檢驗、磁粉探傷、滲透法和渦流法等。也可以調(diào)用已有的無損檢測存檔資料，進行對比分析。86/128結構工作應力對構件失效具有重要的影響,必要時可以采用無損檢測方法測定構件中的應力。常用方法有小孔

43、法和X射線應力測定法。還可以采用有限元數(shù)值模擬方法進行應力分析和計算等。(4) 試樣斷口分析 斷口分析是查明斷裂起源、斷裂途徑和斷裂類型的有效手段，是斷裂失效分析的重點。斷口分析確定的斷裂源和途徑，成為金相分析和工況分析的重點。分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。87/128宏觀分析是指用肉眼直接觀察，或用放大50倍以下的放大鏡觀察，是失效分析的基礎。宏觀分析中，首先應確定失效的起源，接著是根據(jù)斷口特征，對加載方式、應力大小、材料的相對韌性與脆性等給予說明。宏觀斷口分析還可以發(fā)現(xiàn)其他細節(jié)，如表面硬化、晶粒大小和內(nèi)部缺陷，設計或制造過程中產(chǎn)生的應力集中、裝配缺陷等，所有這些都能為查明失效原因提供證據(jù)

44、。因此，宏觀分析應當格外仔細進行。88/128宏觀檢查可以取得以下信息：內(nèi)部質(zhì)量，包括偏析、疏松、夾雜、氣孔等；氫脆，包括白點等；軟硬部位的區(qū)分及硬化層的深度，斷裂的斷口特征，焊接質(zhì)量等。還可以顯示損壞部位表面的研磨燒傷、碾碎和其他表面損傷，利用印痕技術可用來顯示一些元素在試樣上的分布。89/128 微觀分析是借助于顯微鏡分析、電子顯微鏡(SEM、TEM)觀察、電子探針(EPMA)分析、俄歇能譜(AEM)分析、X射線衍射分析等儀器，來分析斷口及其附近材料的顯微結構、顯微組織和微區(qū)性能的變化。對斷裂的起因、擴展方式和斷裂類型進行更深入的分析和判斷。90/128(5) 成分、性能及金相分析 主要包

45、括材料的成分、性能、組織、結構及缺陷等的分析，特別是對關鍵部位，如斷裂源和斷裂途徑的分析?；瘜W成分分析包括常規(guī)的、局部的、表面的和微區(qū)的化學分析。91/128金相組織檢驗就是檢驗焊件有關材料的顯微組織和缺陷，具體包括：組織種類與形態(tài)、晶粒度、第二相粒子的大小及分布、晶界的析出相和寬度、夾雜物的種類、形態(tài)、大小及分布等。對與斷口表面垂直的截面進行金相檢驗，對裂紋的擴展路徑和二次裂紋分析具有重要意義。裂紋尖端的金相分析，對于研究裂紋的擴展和止裂有重要意義。金相分析在失效分析中十分重要。有些構件的失效通過金相分析可以確定失效原因，如材質(zhì)問題引起的失效。92/128性能試驗主要指力學性能試驗。在焊件的

46、斷裂分析中，力學性能試驗主要是檢驗斷裂件材料的強度、延性、硬度、韌度等指標是否達到必要的數(shù)值或設計要求。硬度試驗是應用最廣的測試方法，它簡便易行，試樣制備容易，便攜式硬度儀只需對試樣表面進行簡單的處理，就可以測出其硬度值。應當指出，小試樣的試驗結果不可能完全代表實際大型構件的性能，試驗結果還與取樣的位置有關，如軋制狀態(tài)的母材金屬，在平行和垂直軋制方向的性能不同。93/128因此，應慎重選擇力學性能試驗，并仔細分析和用好試驗結果。對于腐蝕斷裂，需對腐蝕物、氧化物、沉淀物以及介質(zhì)進行分析。(6) 工況條件分析 也就是進行工作條件的分析，目的是尋找失效的外因。包括對工作溫度、化學介質(zhì)環(huán)境、化學介質(zhì)濃

47、度、焊件承載等進行分析以及對焊件進行應力分析、斷裂力學分析、溫度和化學介質(zhì)影響的分析等，這對于判斷失效模式具有重要的意義。94/128(7) 模擬試驗 模擬試驗就是再現(xiàn)構件的破壞過程，以驗證已做出的初步判斷和分析結果是否正確。對失效現(xiàn)象進行全面的模擬是很難實現(xiàn)的，通?？蓪ζ渲械囊粋€或兩個重要參數(shù)進行模擬，例如，可以模擬溫度、介質(zhì)濃度、加載方式等。 (8) 分析所有物證、得出結論和撰寫報告 對調(diào)研、試驗、模擬的結果進行綜合分析，確定斷裂原因，提出可行的防止措施，最后寫出失效分析的書面報告。報告應包括：對失效構件的概述；失效時的服役條件;服役前的履歷；構件加工過程；失效構件的力學、斷口、金相分析結

48、果；冶金質(zhì)量評價；失效的模式、原因總結；防止類似失效的建議；研究單位、研究者、報告時間等。95/128焊接結構失效類型不同，其失效分析步驟和內(nèi)容也不盡一致，還要考慮經(jīng)濟因素。也就是說,上述所列的實驗步驟和內(nèi)容不一定全部要進行，可以有選擇性，只要能夠找到失效的原因，并且得到用戶或制造廠等的認可就可以。往往焊接結構失效分析要與事故責任、責任追究和經(jīng)濟賠償?shù)裙芾韱栴}緊密相關。因此，分析者一定要以科學技術知識為根本，認真負責、保持公正、實事求是地進行分析和得出可靠的結論。96/1288.4.3 焊接結構失效原因分析進行焊件的失效分析時，必須從設計、材料、工藝、使用等方面進行，大量的事實表明，設計是主導

49、，材料是基礎，工藝是保證，使用是監(jiān)護。這幾個環(huán)節(jié)中，任何一個或幾個環(huán)節(jié)的疏忽或不慎，都會造成焊接結構的失效?？梢愿鶕?jù)失效模式，分析失效的原因，提出相應的預防和改進措施。97/128 (1) 失效模式分析在失效過程中，焊件的局部或整體的形狀、尺寸、性能和組織狀態(tài)發(fā)生了變化，失效模式反映了構件失效的物理和化學變化過程。分析失效模式就是利用物理、化學和力學儀器對失效部分進行觀察、測試和分析，以盡可能準確地描述失效模式。焊接結構失效是內(nèi)在和外在因素共同作用的結果。內(nèi)在因素是指焊接結構的母材金屬、焊縫金屬和熱影響區(qū)的材質(zhì)、狀態(tài)和性能，焊接接頭的外觀形狀，內(nèi)部外部焊接缺陷等。 98/128外在因素是指焊件

50、的制造和服役條件，如應力、環(huán)境和服役時間等。環(huán)境因素是指溫度和介質(zhì)兩大因素。服役時間不是獨立的誘發(fā)因素，但與其他因素結合，時間往往又是重要因素，時間因素總是分別歸并在前兩個誘發(fā)因素之中。根據(jù)觀察結果，結合有關斷裂力學、材料金相和斷口學、焊接冶金和工藝等知識，綜合確定失效的模式，失效模式的分析是失效分析各環(huán)節(jié)的核心。焊接結構的破壞類型（失效模式）、產(chǎn)生原因（誘發(fā)因素）及產(chǎn)生的后果（表現(xiàn)形式）見表8-4。 99/128選項結構失效分析破壞類型（失效模式）焊接裂紋：凝固裂紋、高溫液化裂紋、高溫失延裂紋、消除應力裂紋、氫致裂紋、淬硬裂紋、熱應力低延裂紋、層狀撕裂、應力腐蝕裂紋等；焊縫中的氣孔和雜質(zhì)；焊

51、接接頭的腐蝕及泄漏，包括點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、沖蝕腐蝕、應力腐蝕等；焊接結構的變形和應力；焊接結構的延性破壞和脆性破壞；焊接結構的疲勞破壞，包括高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、沖擊疲勞、腐蝕疲勞等；焊接結構的磨損破壞，包括黏著腐蝕、磨料磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、汽蝕等。破壞表現(xiàn)形式裂紋；變形；尺寸精度不夠；泄漏破壞表現(xiàn)形式；工藝缺陷；剝離；強度不足或脆化；腐蝕；磨損。表8-4 焊接結構的失效分析100/128失效原因設計載荷計算錯誤；局部應力計算錯誤；接頭形式和坡口形式設計錯誤；焊件形狀不連續(xù)；選材失誤；對焊件的服役條件認識不足；焊接工藝制定不合理。材料母材金屬的材質(zhì)不良：存在冶金成分偏

52、析和脆性；母材金屬焊接性不好：易出現(xiàn)裂紋、脆化、軟化、硬化等；焊接材料不合格、過期失效或焊材與母材金屬匹配不當。工藝焊工技術不良；焊接參數(shù)錯誤：過大或過?。谎b配質(zhì)量不佳，拘束度過大；材料加工、儲存不當；不合理的焊前預熱、焊后熱處理、焊后加熱。使用操作失誤，如偶然的超載；環(huán)境條件不符合要求：溫度不正常、潮濕或存在腐蝕介質(zhì)；超過設計使用壽命；未按規(guī)定檢修。101/128 (2) 失效類型及其斷口特征從宏觀和微觀斷口特征可以判斷焊接結構的失效類型，表8-5列出了焊接結構失效類型及其所對應的斷口特征。失效形式特 征宏觀斷口特征微觀斷口脆性失效 擴展迅速、突然斷裂、無明顯塑性變形；低應力發(fā)生，低溫下易發(fā)

53、生。 斷口平直、表面光亮、呈顆粒狀、有小刻面；解理斷口、放射狀或人字花樣。 解理臺階、河流花樣、舌狀花樣。塑性失效 明顯塑性變形、壁厚減??；有撓曲、變粗、縮頸等。 鋸齒形纖維狀斷口，呈暗灰色、切斷、斷口不平齊，邊緣有45角的剪切唇。 韌窩花樣（等軸韌窩、撕裂韌窩和剪切韌窩）；韌窩內(nèi)部有夾雜物或顆粒存在。表8-5 失效類型及斷口特征102/128疲勞失效 無宏觀塑性變形，突然發(fā)生。 有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)（海灘狀或貝殼狀花樣，扇形或橢圓形，波浪形）、瞬時斷裂區(qū)。瞬時斷裂區(qū)與靜載的相同。 疲勞輝紋、疲勞臺階和二次裂紋。應力腐蝕失效 純金屬不明顯，二元合金敏感；裂紋分叉，細小的裂紋深入內(nèi)部，而表

54、面有腐蝕跡象。 裂紋源為腐蝕坑；裂紋慢速擴展區(qū)為臺階或放射狀條紋；最終快速斷裂區(qū)；脆性特征；有腐蝕特征和氧化現(xiàn)象，呈褐色或暗色 可能是沿晶的，也可能是穿晶的；“腐蝕坑”和“二次裂紋”的形貌；碳鋼和低合金鋼是沿晶開裂的。高溫失效 具有明顯的塑性變形，斷口附近產(chǎn)生許多裂紋，呈現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。 高溫氧化現(xiàn)象，在斷口表面形成一層氧化膜。 大多數(shù)的蠕變斷裂是沿晶斷裂，有局部的脫開及空洞現(xiàn)象，有高溫氧化產(chǎn)物。103/128焊接接頭類型失效源種類電弧焊接頭氣孔、熱裂紋、冷裂紋、夾雜物、未熔合、未熔透、氧化、焊縫成形不良、脆化。埋弧焊接頭夾雜物、氣孔、未熔合、未熔透、焊縫外形差、裂紋。電阻焊接頭夾雜物、氣孔、未熔

55、透、焊縫成形差、裂紋。摩擦焊接頭中心缺陷、約束裂紋、焊縫界面碳化物、脆性裂紋、氣孔。電子束焊接頭夾雜物、氣孔、未熔合。 激光焊接頭夾雜物、氣孔、未熔透、基體金屬的開裂。 (3) 失效源的確定失效分析的目的在于找出失效源，不同焊接方法可能出現(xiàn)的失效源不同，表8-6列出了各種焊接接頭的失效源類型。表8-6 各種焊接接頭的失效源104/1288.4.4 焊接結構失效案例分析8.4.4.1 輸電鐵塔的斷裂分析2005年1月30日凌晨4:00左右，北方某市郊區(qū)山坡上的一個25m高的輸電鐵塔沿環(huán)焊縫完全斷裂，同類型同批輸電鐵塔還有100多座正在服役，相關部門要求進行失效分析，找出失效原因，提出防止措施。1

56、05/128（1）現(xiàn)場調(diào)查研究 由于斷裂部分構件已經(jīng)運回制造廠，第一現(xiàn)場的調(diào)研無法實現(xiàn)，只能在第二現(xiàn)場進行調(diào)研。鐵塔分為上下兩部分，上部分長15m，下部分長10m，中間通過法蘭螺栓連接在一起，斷裂焊縫距頂部受力點的距離約25m，如圖8-12所示，斷裂照片如圖8-13所示。根據(jù)天氣記錄，斷裂當日夜晚的氣溫在零下30左右，有56級大風。 106/128圖8-12 鐵塔外形及受力示意圖圖8-13 鐵塔沿環(huán)焊縫斷裂107/128(2) 制造工藝過程 鐵塔上部分長15m，由12mm厚的鋼板卷成的圓筒，由3個筒節(jié)通過兩條環(huán)焊縫焊接而成；下部分長15m，由14mm厚的鋼板卷成的圓筒，由2個筒節(jié)通過一條環(huán)焊縫

57、焊接而成。鐵塔頂部外直徑0.5m，底部外直徑0.8m，由于鐵塔直徑較小，三條環(huán)焊縫焊前均開V形坡口，在外部焊接，焊條手工焊打底，埋弧自動焊蓋面。鐵塔材料為Q235普通碳鋼，焊條為普通酸性焊條E4303，埋弧焊焊絲為H08A材料，均符合工藝規(guī)范要求。108/128為了防止大氣腐蝕，焊接好的整根鐵塔要進行鍍鋅處理，其過程如下：將鐵塔放于鹽酸溶液中除銹，用清水沖洗干燥后，把其放在450左右的鍍鋅液中鍍鋅10分鐘。由于制造場地限制，鍍鋅后鐵塔用冷水急冷降溫。使用過程中，在鐵塔頂部成90夾角的兩個方向上承受有拉力F1和F2，二力之合力F約有3040KN的拉力。109/128(3) 斷裂原因分析通過對斷口

58、分析和制造工藝過程的了解，初步分析了其斷裂原因，有以下幾個方面：焊接缺陷的存在是斷裂的根本原因 從斷口上可以明顯地看到大量的焊接缺陷存在，如圖8-14中焊縫氣孔，手工焊焊縫與埋弧焊焊縫中間有層間未熔合；圖8-15中焊縫夾渣，手工打底焊的坡口未熔合，氣割坡口的痕跡還清晰可見。這些缺陷的存在使焊縫的有效面積減小，焊縫的承受載荷能力降低。110/128圖8-14 焊縫中的氣孔和層間未熔合 圖8-15 焊縫中的夾渣和坡口未熔合111/128酸洗過程是斷裂的前提條件 為了防止大氣腐蝕，焊接好的整根鐵塔要進行鍍鋅處理，為了除去表面銹蝕物，鍍鋅前要進行酸洗除銹，所用溶液為鹽酸。由于焊接缺陷的存在，鹽酸進入缺

59、陷后很難用清水沖洗干凈，隨后的鍍鋅層把鹽酸封閉起來，不能揮發(fā)掉，因此鹽酸熔液不斷侵蝕焊縫，尤其在焊接殘余應力和工作應力作用下，出現(xiàn)應力腐蝕現(xiàn)象，加速缺陷的擴展，使焊縫在實際應用中有效面積減少，如圖8-16和圖8-17所示，焊縫斷口處有明顯的腐蝕痕跡，而內(nèi)部較亮處為鍍鋅層。112/128圖8-17 坡口未熔合的應力腐蝕 圖8-16 酸洗造成的應力腐蝕113/128冷水急冷降溫是斷裂的早期誘因 由于制造場地限制，鍍鋅后鐵塔人為的用冷水急冷降溫，溫度場分布不均勻，可能使未熔合類缺陷產(chǎn)生裂紋，裂紋尖端應力集中增加，焊縫金屬的抗斷裂性能降低。 114/128氣候惡劣是斷裂的外部因素 零下30的低溫使焊縫

60、斷裂部位的脆性有所增加，56級大風給鐵塔施加了額外的載荷，加劇了斷裂的形成。由于上述原因，在鐵塔斷裂之前,焊縫腐蝕缺陷已經(jīng)貫穿整個周長，局部缺陷深度幾乎達到1/2壁厚，一旦遇到較強的外力作用（大風），溫度影響（低溫），斷裂就不可避免地發(fā)生。115/128(4) 斷裂失效類型焊接制造工藝出現(xiàn)偏差，焊工在上崗之前沒有經(jīng)過嚴格的上崗培訓，焊工沒有按照工藝條件進行施焊,焊縫存在大量的缺陷，尤其是未熔合、未焊透類的面狀缺陷，這屬于焊接缺陷引起的失效斷裂。除銹鹽酸被密封于焊接缺陷中，對焊縫形成長久的侵蝕，并與工作應力一起造成應力腐蝕現(xiàn)象，有效工作截面不斷減少，難以承受工作載荷和額外載荷的應力，發(fā)生斷裂。終