中国核工业第五建设有限公司 上海市 201512
摘要：本文结合当下的焊接结构疲劳设计理论和方法进行了深入的分析，得出裂纹的出现首先是焊接接头的疲劳导致，随后裂纹扩大到母材并最终导致导流叶片掉落，并提出对导流叶片的工艺改进，并把对疲劳失效的定性描述转化成可以证明的科学的定量描述，通过焊缝处的名义应力，计算出导流叶片在改进前和改进后的寿命对比。
关键词：导流叶片 焊接疲劳 脱落
1 导流叶片焊缝应力及寿命分析理论基础
1.1 焊缝应力理论基础
1.1.1 名义应力概念
从工程的角度，焊接接头上的应力类型分为名义应力、热点应力和结构应力，上述应力中只有名义应力是可以使用材料力学公式计算得出，梯度几乎为零的“相对平坦区域”的应力是名义应力（或称标称应力），其适用于焊接接头几何形状简单和焊缝所受荷载相对简单的结构，热点应力及结构应力更接近于实际焊缝的受力，但均需利用有限元软件分析，较为复杂；因此在本文中的分析和计算是基于名义应力。
1.1.2 名义应力计算
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1.2 焊缝的疲劳寿命分析
焊接结构疲劳设计与评估是基于大量疲劳试验数据而建立的，当前的疲劳设计与疲劳评估方法可以分为三类：第一类是基于名义应力（用材料力学公式计算出的应力）和热点应力的疲劳设计与评估方法，第二类是基于结构应力的疲劳设计与评估方法，前者是传统的评估方法，后者是新一代的评估方法；传统的评估方法受限较多，因为不管名义应力或者热点应力，本质上是结构表面上的应力，不能代表焊趾或者焊根所在截面上的应力分布，结构应力评估可以有效的解决此问题，但考虑到导流叶片的模型相对较为简单，且使用结构应力评估需要建立有限元分析模型，在本文中使用第一种方法评估。
BS7068标准中的抗疲劳设计与评估方法最初是英国焊接研究所在Gurney博士的带领下为了评估焊接接头质量进行了一系列焊接接头的疲劳试验，从而通过疲劳试验判断焊接质量属于哪个等级而开展的，后来这些疲劳试验数据开始被用于土木工程中钢结构的疲劳评估，接着又拓宽到器材工业等领域钢结构的疲劳评估，由于他对焊接结构的疲劳评估规定得比较详细，1993年上升为应该标准，在基于名义应力法的第一类标准中最具有代表性。
综上所述，该标准评估条件相对比较简单，适合本文中的焊缝疲劳寿命分析，寿命分析步骤如下：
(1)根据焊接接头的几何形状，以及外部可能施加的疲劳载荷这两个因素，选定疲劳级别；
(2)根据对应疲劳级别的基本S-N曲线数据表，选择对应疲劳等级的数据；
(3)根据确定名义应力（用材料力学公式计算出的应力）变化范围Sr时的疲劳寿命N的计算公式计算疲劳寿命N：
lgN=lgC0-dσ-mlgSr
N---焊接疲劳寿命
C0---S-N曲线中高低位置，为常数
d----标准正态偏量
σ----标准偏差
m----双对数坐标下S-N曲线斜率
2.施工工艺中主要存在的问题：
2.1.导流叶片与连接板固定方式问题
导流叶片的两端不与加强板、连接板固定，存在部分悬空的情况。对于在风管系统中设置在靠近风机出口处的导流叶片其流经的风速最大可大于10m/s，导流叶片悬空处将产生严重扰流和震动，且导流叶片厚度只有0.8mm，其作用力对导流叶片处焊缝的疲劳失效有重大影响。
2.2.导流叶片处焊缝高度问题
该类焊接应遵循AWS标准的要求，焊缝“高度同导流叶片厚度”与标准要求相符，主要为考虑到焊缝高度大于母材厚度时，可能导致母材被焊透或损害其强度的情况出现；但在实际施工中，0.8mm的焊缝高度很难得到有效控制：实际操作过程中都大于原设计要求；虽然现场照片显示焊缝处并未被直接破坏，但其靠近焊接处的强度可能受焊接应力的影响而降低，现场导流叶片的实际情况，其脱落（折断）位置也均发生在焊缝根部附件处。
3导流叶片断裂原因剖析及结构改进措施
3.1 裂纹原因剖析
上述裂纹的产生，从现场的照片来看，裂缝的起源产生于焊根附近，然后随着裂纹的扩大，延伸到母材，最终造成叶片的撕裂并脱落；裂纹的起源是首先是由于焊缝的疲劳造成的失效，并形成了裂纹并最终扩散到母材，上述焊缝虽然目视检查焊缝没有明显的问题，但由于焊接接头中的整体和局部的不连续性，即使焊接质量很好、零缺陷的焊缝，在焊趾上也存在围观裂纹，通过足够精密的仪器就能证明这样的事实。焊接接头的疲劳破坏模式可以归纳为两种：第一种破坏模式是焊缝附近沿板的厚度方向的破坏模式，他的疲劳破坏起始于焊趾；第二种破坏模式是焊缝破坏，他的疲劳破坏起始于焊根，穿过焊缝金属。根据现场情况判断，导流叶片焊缝破坏模式属于第一种，裂纹从焊趾处沿板的厚度方向扩展。
3.2 后续结构改进措施
根据脱落（折断）原因的分析，对导流叶片的以下参数进行了修正：a.增加连接板和加强板的宽度；b.增加导流叶片的厚度；c.增加焊缝高度；
通过增加导流叶片的厚度，可以增加其强度，相匹配的焊缝高度也可增加，降低因焊接施工质量造成叶片抗疲劳强度下降的风险，综合考虑国标及美标中对于焊接钢板厚度的限定，将导流叶片的厚度增加至16GA（1.6mm）。
叶片厚度的增加，将导致叶片间的空气流道变窄，需要评估其对气流阻力的影响，经过调研美国及国内的各类标准和手册，其中均未提及单层导流叶片厚度会对弯头局部阻力造成直接的影响。
国内外关于单层与双层导流叶片局部阻力系数的对比研究认为，双层叶片的局部阻力较单层叶片更大；关于不同叶片间距局部阻力系数的对比研究认为，过小或过大的叶片间距都将增大局部阻力，叶片间距可能存在最优值。
局部阻力造成的压力损失计算中在的设计要求已经考虑了15%的系统裕量，由导流叶片厚度变化可能增加的压力损失可以被包络，因此对整个系统的风量和阻力影响不大。
为尽量保证变更后的弯头局部阻力系数与各设计手册中已有的参考工况相接近，适当调整叶片间距由38mm至40mm，以弥补叶片增厚后造成的流道变化。
最终确定将导流叶片厚度由0.8mm增加为1.6mm，连接板宽度由58mm增加为90mm，导流叶片间距由38mm增加为40mm，导流叶片与加强板和连接板的焊缝高度由0.8mm增加为1.6mm。
4结论
VHS系统风机VHS-MA-02B出口处的弯头导流叶片，现场在2016年6月28日，使用改进的导流叶片更换后，运行至今时间超过1年，至今未发生掉落，证明导流叶片的改进工艺是可以延长运行寿命的，具体实际运行寿命与计算的寿命的对比有待于以后的验证。
通过此次导流叶片的掉落和更换事件，也证明了标准中对于导流叶片的设置是存在问题的，对于推动标准的修订，及后续其他项目的通风系统的导流叶片设置和民用工程中通风系统的导流叶片设置提供了一定的借鉴意义。
参考文献
[1]ASHRAE，Handbook Fundamentals，2005
[2]BS 7608-2014+A1-2015 Fatigue design and assessment of steel structures
[3]GB50017-2003，钢结构设计规范
[4]闫坤，基于BS7068标准的点焊试样疲劳寿命预测，加热工工艺，2016.6
论文作者:梅玉芳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：叶片论文; 应力论文; 疲劳论文; 厚度论文; 裂纹论文; 寿命论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;