焊接结构承压管道有限元与可靠性分析*

张胜跃，卿 黎，张宇栋

（昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明650093）

焊接结构承压管道有限元与可靠性分析*

张胜跃，卿 黎，张宇栋

（昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明650093）

针对工业设备上常见的焊接结构承压管道，应用模糊灰关联FTA安全系统工程理论，以水火管锅壳锅炉为例，通过对失效致因和故障模式的研究，建立以焊接结构承压管道失效为顶事件的模糊灰关联FTA模型，利用有限元法建立焊接结构承压管道模型辅助分析对其更深层次的系统性影响，并综合考虑工况环境、外部载荷等多因素耦合作用，确定导致事故的主要潜在风险项，为承压管道设备安全保障活动的经济决策提供依据。研究结果表明，以水火管锅壳锅炉的 “焊接结构承压管道”失效故障模式的发生概率约为8.19%，系统的可靠度约为91.81%。

焊接结构承压管道；模糊灰关联FTA；水火管锅壳锅炉；有限元法；可靠度

随着我国经济发展水平的日益提高，对连续化安全生产的要求和当前能源形势的需求，大容量、复杂化的承压类特种设备愈益普遍地应用于生产生活中的许多领域。在此背景下，焊接结构承压管道在现代工业中扮演了十分重要的角色，并作为通用的能源以重要支系统组成存在于大型复杂系统中[1]。当前，焊接结构承压管道在船舶、锅炉、机车、航天工程、暖通工程等运用十分广泛，其中，尤其以锅炉设备上的焊接结构承压管道是最常见的结构。由于压力锅炉工作环境非常恶劣，其内部构件又作为承压构件其热变形比其他焊接构件要复杂得多，而且目前在焊接结构承压管道方面的数值模拟研究相对较少，而在实际应用中很多情况下对焊接结构承压管道焊接接头的焊接质量要求非常高，特别是在大型压力构件内，其焊接质量的好坏不仅影响经济效益而且有时直接关系到人民的生命财产安全[2-3]。

国内外针对承压管道设备的安全研究主要聚焦于管道设备结构部件失效概率的研究[4-5]，承压管道的传统安全设计思想主要基于强度理论，在设计环节考虑材料的塑性和韧性额定指标、安全冗余和部件实际工况进行定量应力分析，当前多数国家和地区都基于《管道风险管理手册》对承压管道设备进行半定量的安全风险评价，该方法重点集中于各类风险因素的权重确定。本研究利用有限元软件Simufact.Welding对焊接结构承压管道的焊接温度场与焊接应力场进行三维数值模拟仿真[6-7]，对构件的接头的细节部位进行分析，为分析评价承压管道的故障模式、安全及可靠性提供更加科学地支撑。

1 承压特种设备故障模式的原理

承压特种设备主要运行原理是利用废热获取热源，通过传热过程将锅炉内部的水和蒸汽加热汽化。锅炉运行时，使锅炉中的水或者汽水混合物在闭合回路中持续规律地流动，受热面吸收的热量不断地被水或汽水混合物带走，使受热面金属得到冷却，进而确保锅炉安全正常地工作。图1所示为一台水火管锅壳锅炉焊接结构承压管道结构简图，对水火管锅炉进行安全事故风险分析，自顶向底筛分出能引发爆炸事故、重大事故和一般事故的危险因素[8]。

图1 水火管锅壳锅炉结构示意图

2 有限元分析

以水火管锅壳锅炉内使用的12Cr1MoVG钢为建立T形焊管模型（尺寸为22 cm×15 cm×25 cm），其中模拟焊接过程中所产生的残余应力分布如图2所示；焊接过程所造成的金属材料形变量矢量模拟结果如图3和图4所示；焊接热循环曲线如图5所示；焊接工艺参数见表1。

图2 T形接头焊接残余应力分布

图3 T形接头焊接残余应力集中区域

图4 T形接头焊接残余应力矢量方向

图5 T形接头处60 s热循环曲线

表1 焊接工艺参数

在通常状况之下，处于高温以及腐蚀工况环境中运行的高强度钢焊接结构部件断裂事故频发，多由材料内部存在的裂纹和缺陷在外力作用下迅速扩展而造成，且呈现工作应力低于材料屈服强度而产生破裂的低应力脆断特点，其中以T形管接头相连接的结构部件占焊接结构承压管道的多数且应力分析最为复杂。利用有限元可以更为直观地分析其导致焊接结构承压管道失效的更深层次原因，其中焊接残余应力又是最重要的原因之一。

3 模糊灰关联FTA分析

考虑到事故树中，基本底事件的模糊性与系统安全及可靠性分析的灰色特征，应用本文提出的模糊灰关联FTA方法对“焊接结构承压管道”失效事件进行定性和定量的分析研究，利用灰色关联的分析方法对故障树基本事件的重要度进行分析。

以锅炉“焊接结构承压管道”失效为顶上事件，识别基本底事件及其逻辑关系并建立事故树如图6所示，对应各事件的名称见表2。进一步进行模糊灰关联FTA定性和定量分析[8-10]，可以确定水火管锅炉“焊接结构承压管道”失效的主要影响事件，从而识别故障致因。

图6 “焊接结构承压管道”失效事故树

表2 “焊接结构承压管道”失效事故树事件说明

将事故树转化成等效的布尔代数方程：

由此计算得出“焊接结构承压管道”失效事故树一共有14个最小割集，其中包含有5个一阶割集和9个三阶割集，其中一阶割集为：{X1}1、{X2}2、{X8}3、{X9}4 以及{X12}5；三阶割集为 {X3，X6，X7}6、{X3，X6，X10}7、{X3，X6，X11}8、{X4，X6，X7}9、{X4，X6，X10}10、{X4，X6，X11}11、{X5，X6，X7}12、{X5，X6，X10}13 以 及 {X5，X6，X11}14。

利用最小径集与最小割集的对偶性求得对应的成功树，而后通过布尔代数化简求出最小径集以及等效树，如图7所示。

图7 最小径集等效树

即，事故树的最小径集为：

由基本底事件结构重要度比较原则，得到以下比较结果：

这一结果表明，从逻辑结构上可以看出基本底事件X1、X2、X8、X9以及X12对顶上事件T的影响是最大的，应首先应当给予控制。基于调研以及实验分析的结果，通过对上述“焊接结构承压管道”失效事故树的基本底事件发生概率的统计结果进行相关计算以及模糊数归一化的处理，进而得到处理结果，具体数据见表3。

表3 基本底事件模糊概率数据处理结果

用顶上事件的发生概率衡量事故树的危险性大小。依据事故树的结构，通过最小割集计算“焊接结构承压管道”失效事件的模糊概率为：（0.038 3，0.081 9，0.125 8）。结果表明，焊接结构承压管道失效事件的发生概率为3.83%～12.58%，发生的最可能概率值约为8.19%，即“焊接结构承压管道”系统的可靠度约为91.81%。

4 结 论

基于模糊灰关联FTA与有限元相结合的方法，以水火管锅炉为例对焊接结构承压特种设备的安全性进行了系统的分析研究，对焊接结构承压特种设备系统FTF分析得出：焊接残余应力可以作为模糊灰关联FTA的基本事件，且“焊接结构承压管道”失效故障模式的发生概率约为8.19%，“焊接结构承压管道”系统的可靠度约为91.81%，其中材料缺陷、焊接缺陷具有首要决定性影响。

[1]王晓瑜,张冬洁,徐建炎,等.承压特种设备结构形式及运行特性研究综述 [J].中国有色冶金,2012，41（1）:40-45.

[2]刘清芳,吴孟娴.锅炉压力容器安全[M].北京：首都经济贸易大学出版社，2007:27-67.

[3]徐通模,赵钦新,惠世恩,等.中国锅炉安全科技研究现状与发展[J].中国特种设备安全,2006，22（5）:3-8.

[4]张宇栋,卿黎,牛犇.锅炉压力容器焊接安全评估概率统计模型研究[J].中国安全科学学报,2014，24（10）:113-119.

[5]彭有根.广州地铁二号线车辆车门系统及其控制原理[J].电力机车与城轨车辆， 2005， 28（6）:47-49，52.

[6]陈玉华，王勇，何建军.输气管线在役焊接管道内壁变形的数值模拟[J].焊接学报， 2010，31（1）：227-231.

[7]李美艳，王勇，宋立新，等.管线钢在役焊接接头残余应力的数值模拟[J].焊管，2011，22（3）:93-96.

[8]李增辉.FMEA及FTA在汽车产品开发中的应用研究[D].合肥：合肥工业大学,2006.

[9]高杜生，张玲霞.可靠性理论与工程应用[M].北京：国防工业出版社，2002.

[10]浦维达.汽车可靠性工程[M].北京：机械工业出版社，1998.

Finite Element and Reliability Analysis for Welded Structure Pressure Pipe

ZHANG Shengyue,QING Li,ZHANG Yudong
（Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China）

The welded structure pressure pipe is commonly used in industrial equipment,by adopting fuzzy grey relational FTA safety system engineering theory,taking fire and water tube shell boiler as an example,through analysis on the failure cause and failure mode,it established the fuzzy grey correlation FTA model taking pressure pipeline failure as top event.It utilized finite element method to establish welded structure pressure pipeline model,and used this model to conduct auxiliary analysis for deeper systemic effects.It also determined the main potential risks caused accidents,by overall considering operating condition,many factors coupling effect such as the external load,which provides a basis for economic decision of pressure pipeline equipment security activities.The research results indicated that the probability of occurrence taking fire and water tube shell boiler “welded structure pressure pipe”as failure mode is about 8.19%,the reliability of the system is about 91.81%.

welded structure pressure pipeline;fuzzy grey correlation FTA;fire and water tube shell boiler;finite element method;reliability

TG973.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.002

云南省教育厅科学研究基金重点项目“锅炉压力容器焊接缺陷及焊接接头疲劳分析”（项目号KKJD201521001）；昆明理工大学自然科学研究基金资助项目“锅炉焊接缺陷的分析与安全评定”（项目号KKSY201321083）。

张胜跃（1990—），男，硕士研究生，研究方向为焊接结构可靠性。

2015-10-07

罗 刚