[发明专利]利用断裂力学对薄壁离心混凝土钢管焊接缺陷评定方法

说明书

本发明公开了利用断裂力学对薄壁离心混凝土钢管焊接缺陷评定方法，包括COD法和应力强度因子法，所述COD法包括以下步骤：S1：计算焊接缺陷的当量裂纹尺寸A；S2：计算应变ε；S3：计算计算最大容许缺陷尺寸Am；S4：焊接缺陷进行评定；所述应力强度因子法包括S6：按不同裂纹种类计算等效拉应力；S7：计算应力强度因子；S8:进行缺陷安全评定，本发明通过应用断裂力学对薄壁离心混凝土钢管焊接缺陷处进行评定，判断含缺陷的结构是否安全，确保投入生产的薄壁离心混凝土钢管不会产生安全隐患。

技术领域

本发明涉及薄壁离心混凝土技术领域，具体为利用断裂力学对薄壁离心混凝土钢管焊接缺陷评定方法。

背景技术

离心混凝土钢管结构是钢管与混凝土组合结构中的一个分支，自20世纪80年代以来在送变电杆塔、各种设备构架、多层工业厂房等领域得到了广泛的应用。目前正在逐步推广应用到多、高层建筑、公路拱桥、地下工程和构架与网架结构中。离心钢管混凝土杆塔已在我国二十多个省(市、区)的2000多个发电和输电线路工程和各类通信工程中得到了广泛的应用，特别是近年来发展更为迅速。

2009年11月，河南省大部分地区出现降温、冻雨天气，在这次大风、冻雨恶劣天气影响下，某供电公司由于110kV变电站站外进线杆塔覆冰严重，造成2基薄壁钢管塔倒塔，倒塔后根据现场勘察，倒落地面的2基铁塔均为薄壁离心混凝土钢管塔，出站2#塔距地面4-5米处折断，出站3#塔距地面7-8米处折断，导地线及光缆全部落地，出站1#塔地线横担受轻微变形。

经过相关部门的验证，薄壁离心混凝土钢管塔严重的加工质量问题是本次倒塔事件的主要原因，焊接工艺失控导致倒塔断裂的焊缝无打底焊道，只由占焊缝厚度三分之一的上表面盖面焊接层，焊缝强度严重不合格。

因此，人们十分重视材料的断裂问题，尤其是材料的脆性断裂，因为构件的断裂常常是产生重大事故的直接原因。材料的断裂问题涉及范围很广，根据讨论问题的出发点和目的的不同，可分为断裂力学、断裂物理及断裂化学[19]。其中，断裂力学是一个很重要的方面。

所谓断裂力学，就是从材料或构件中存在宏观裂纹这一点出发，应用弹性力学和塑性力学理论，研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件及规律的学科。

断裂力学集中研究裂纹顶端的应力应变场，找出带裂纹构件的承载能力 (P, σ)和材料抗脆性断裂性能之间的关系。从而对含裂纹构件的最大承载能力、裂纹容限及寿命进行计算[20]。

断裂力学研究的主要内容:

(1) 线弹性断裂力学(LEFM)；

(2) 弹塑性断裂力学(EPFM)；

(3) 概率断裂力学(PFM)；

(4) 微观断裂力学(MFM)；

其中线弹性断裂力学(Linear Elastic Fracture Mechanics)于本世纪60年代初提出，70年代初成熟。这是断裂力学中最成熟的部分，即假设材料为理想线弹性体，应力与应变之间呈线性关系，应用线弹性力学来分析材料或构件在低应力下裂纹的扩展及脆断问题。断裂力学研究初期，由于高强低韧材料构件发生低应力脆断事故多，故研究重点也在此。这种钢材在线弹性范围内断裂，断口无明显塑性变形，可用线弹性理论进行研究[21]。

线弹性断裂力学在评价材料抗开裂性能及预测材料寿命等方面已经得到广泛的应用。但是，它也存在着很大的局限性。它仅仅适用于脆性材料(如陶瓷、玻璃、岩石和冰)的断裂和高强度钢之类的脆性断裂，即在裂纹失稳扩展前裂纹尖端区域无塑性变形或无明显的塑性变形，基本上属于弹性变形的情况。对于大多数金属材料而言，裂纹在扩展前，裂纹尖端总是存在或大或小的塑性区，当塑性区尺寸与裂纹长度相比很小时(属小范围屈服)，经过修正，线弹性断裂力学的分析方法可以应用。