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 事件背景上世紀九十年代，大連鍋爐廠設計生產(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，用于設備檢修。人孔兩側(cè)各設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，初步認定是原設計上存在缺陷。管板煙管拉桿人孔圖1 鍋爐管板結(jié)構(gòu)簡圖分析認定，連接焊縫開裂是由于拉桿承受了過大的軸向拉應力所致。按照拉伸強度的概念，為了降低拉桿的工作應力，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系？（4） 鍋爐管板的彎曲剛度對上述問題有什么影響？4 相關分析方法（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模型根據(jù)管板受力圖，可建立力的平衡關系： （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，而遠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力與其橫截面面積之間不是比例關系。增加拉桿橫截面面積的改進方案并不能有效地減小拉桿的工作應力。相反地，若適當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，其壁厚可以適當大一些，但總截面面積應顯著減小，具體結(jié)果可以通過精細的數(shù)值計算完成。當然，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。