0 前 言

隨著國內(nèi)引調(diào)水工程供水流量的增大， 管道直徑也越來越大， 例如目前正在設(shè)計(jì)施工的引漢濟(jì)渭二期工程鋼管直徑達(dá)3.4 m， 壓力等級(jí)1.0～1.6 MPa。 按常規(guī)的施工方法， 鋼管環(huán)縫連接大多會(huì)選擇對(duì)接焊方式

。 由于長距離輸水鋼管一般具有管徑大、 內(nèi)壓相對(duì)較低的特點(diǎn)， 導(dǎo)致鋼管徑厚比較大， 上述引漢濟(jì)渭二期工程輸水管道， 初步估算低壓段（1.0 MPa） 鋼管壁厚隨埋深變化范圍為12～16 mm， 徑厚比達(dá)到了212.5～283.3。 這將使環(huán)焊對(duì)接時(shí)， 面臨鋼管管口對(duì)接不準(zhǔn)、 焊接難度大、 時(shí)間長、 焊縫部位防腐工作量大且效果差等問題， 進(jìn)而導(dǎo)致鋼管焊接質(zhì)量存在隱患， 甚至出現(xiàn)鋼管失效事故

， 這對(duì)于長距離輸水管道的建設(shè)和運(yùn)行十分不利。

近些年， 市政輸水管道工程建設(shè)出現(xiàn)了承插柔性接口型式的鋼管， 它不僅保留了鋼管全部優(yōu)點(diǎn)， 還發(fā)揮了球墨鑄鐵管柔性承插接口的優(yōu)勢(shì)。 但上述柔性承插接口多用于鋼管管徑相對(duì)較小 （目前最大不超過2.2 m） 的市政給排水工程， 承受壓力一般不超過1.6 MPa， 否則柔性承插接口的密封效果可能達(dá)不到要求

。承插搭接焊工藝是將一段管道插入另一段管道并采用角焊縫焊接的管道連接工藝， 該工藝集合了柔性承插接頭安裝方便靈活

、 焊接密封效果好的優(yōu)點(diǎn)， 是未來大直徑鋼管的最佳連接方式和發(fā)展方向之一。 然而， 焊接接頭的幾何形狀不連續(xù)性是造成接頭應(yīng)力集中的主要原因， 通常搭接焊相較于對(duì)接焊的接頭應(yīng)力集中程度更高， 相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度更低

。 國外也有發(fā)生承插搭接焊鋼管接頭斷裂的案例， 如1980 年—1982年美國某2.74 m 管徑的承插搭接焊鋼管接頭連續(xù)發(fā)生4 次斷裂失效事故

。

承插搭接焊有3 種不同的焊接類型， 分別為內(nèi)外雙焊接、 內(nèi)焊接和外焊接。 通常認(rèn)為單焊接具有足夠的強(qiáng)度， 內(nèi)外雙焊接相較于單焊接的接頭強(qiáng)度大概只提高10%， 國外僅在某些特殊情況下應(yīng)用內(nèi)外雙焊接

。 國內(nèi)輸水管道領(lǐng)域?qū)Τ胁宕罱雍腹艿澜宇^的研究工作開展的總體較晚， 在設(shè)計(jì)、 施工方面還缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。 此外， 國外該焊接工藝的應(yīng)用管徑通常較小， 應(yīng)用內(nèi)焊接的管道管徑多在0.6～0.75 m

。 因此， 該工藝對(duì)于國內(nèi)水利水電工程中的大直徑埋地鋼管是否安全適用， 尚需開展深入的研究。 為此， 本研究采用有限元分析研究了承插搭接焊接頭不同焊接類型 （內(nèi)外雙焊接、 內(nèi)焊接和外焊接） 以及不同角焊縫型式（凸角、 平角和凹角） 在軸向拉伸載荷作用下的力學(xué)性能， 進(jìn)行綜合比較分析， 以選擇較優(yōu)的焊接方案。

1 計(jì)算模型及方案

采用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行分析， 有限元整體模型及接頭局部放大的情況如圖1 所示。 研究所采用的鋼管直徑為3.4 m， 壁厚和焊縫焊腳長均為16 mm， 搭接長度為100 mm，承口擴(kuò)徑轉(zhuǎn)彎半徑為60 mm， 圓心角為30°。計(jì)算模型均采用8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID 45 模擬

， 沿壁厚方向等長度劃分出6 個(gè)單元， 并對(duì)鋼管接頭部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理， 模型總計(jì)52 352 個(gè)單元和59 392 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 經(jīng)網(wǎng)格敏感性分析可以得出， 該網(wǎng)格密度具有較高的精度。鋼管采用Q345C 材質(zhì)， 屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量為2.06×10

MPa， 泊松比為0.3， 密度為7 850 kg/m

。

假定模型左端全約束， 右端施加軸向拉力，接頭兩側(cè)長度取3 倍管徑， 以消除邊界條件的影響。 搭接區(qū)承口和插口鋼管間設(shè)置面-面接觸單元， 采用庫侖摩擦模型模擬接觸面的相互關(guān)系

。鋼材本構(gòu)采用線彈性模型， 并假定焊縫強(qiáng)度與鋼管相同， 忽略焊接缺陷及殘余應(yīng)力的影響。 擬定的計(jì)算方案見表1， 相應(yīng)的焊接類型和角焊縫型式如圖2 所示。 計(jì)算時(shí)在模型右端施加單位荷載， 即軸向均布荷載1 MPa， 重點(diǎn)研究接頭處的應(yīng)力集中及分布規(guī)律。 此外， 還進(jìn)行了軸壓荷載受力計(jì)算， 但因接頭應(yīng)力發(fā)展規(guī)律類似， 故對(duì)軸壓結(jié)果不再贅述。

在模型的化學(xué)計(jì)量學(xué)處理方法的選擇方面，分別比對(duì)了n階導(dǎo)數(shù)、是否使用矢量歸一化法、smoothing 值“9/13/17/21/25”的選擇，經(jīng)比對(duì)，最終發(fā)現(xiàn)：在使用 “一階導(dǎo)數(shù)+矢量歸一化+平滑點(diǎn)數(shù)17”（first derivative+Vector Normalization+Smoothing Point 17）作為NIR光譜的預(yù)處理方法時(shí)，可以使模型較好地識(shí)別雷公藤樣本，并使其它藥材與雷公藤的最大一致性指數(shù)值區(qū)別更大。由“一階導(dǎo)數(shù)+矢量歸一化+平滑點(diǎn)數(shù)17”處理后的雷公藤木質(zhì)部模型驗(yàn)證結(jié)果，如圖6所示。

2 承插搭接焊接接頭受力分析

2.1 接頭應(yīng)力分析

對(duì)承口擴(kuò)徑段而言， 外焊接的應(yīng)力最低， 變化范圍??； 內(nèi)焊接的應(yīng)力最高， 內(nèi)外雙焊接的應(yīng)力也處于較高水平， 并且兩者變化范圍大， 變化趨勢(shì)較為相似（圖6）。

2.2 焊接類型的影響

內(nèi)焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)規(guī)律表現(xiàn)為內(nèi)外雙焊接＜內(nèi)焊接（圖4）， 外焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)規(guī)律表現(xiàn)為內(nèi)外雙焊接＜外焊接（圖5）。 說明內(nèi)外雙焊接均優(yōu)于內(nèi)或外單獨(dú)焊接， 但若外焊接與內(nèi)焊接比較， 則外焊接優(yōu)于內(nèi)焊接。

由于焊縫處和承口擴(kuò)徑段的應(yīng)力水平較高，為更精細(xì)了解接口處的應(yīng)力分布特點(diǎn)， 提取各方案下內(nèi)焊縫、 外焊縫和承口擴(kuò)徑段的Mises 應(yīng)力， 如圖4～圖6 所示。

接頭部位Mises 應(yīng)力分布如圖3 所示， 由于計(jì)算施加的是單位面力荷載， 因此圖中各點(diǎn)的應(yīng)力值也就相當(dāng)于該點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)。 由圖3 可知， 無論是哪種焊接類型， 接頭最大應(yīng)力部位均出現(xiàn)在承口擴(kuò)徑段， 這是管壁受力最為不利的區(qū)域。 對(duì)于內(nèi)外雙焊接和內(nèi)焊接， 應(yīng)力集中系數(shù)最大點(diǎn)均出現(xiàn)在內(nèi)焊縫焊腳處， 分別為5.66～6.10和6.25～6.77； 而外焊接應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在擴(kuò)徑段， 但應(yīng)力集中系數(shù)僅為4.02～4.06。

綜合比較， 鋼管接頭的應(yīng)力水平在凹角焊縫時(shí)最高， 平角焊縫次之， 凸角焊縫最低， 即凸角焊縫受力最優(yōu)， 平角焊縫次之， 凹角焊縫最差。

王家會(huì)站按精度劃分屬于三類精度站，根據(jù)該站各年汛期總水量Wf，計(jì)算頻率并繪制曲線，取汛期徑流量頻率p為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的徑流量相近的年份為豐、平、枯水典型年。依據(jù)汛期徑流量頻率p為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的徑流量相近的年份為豐、平、枯水典型年，分別為2008年、2006年、2002年。

承插搭接焊在國外已廣泛應(yīng)用

， 近年國內(nèi)也有一些工程應(yīng)用該連接工藝。 例如天津市咸陽路污水處理廠配套管網(wǎng)工程， 采用了長度5 km 的DN2 200 mm 承插搭接焊涂塑復(fù)合鋼管， 管壁厚度14 mm， 鋼管連接采用內(nèi)焊接工藝， 如圖7 所示。該管網(wǎng)工程建設(shè)過程中多次穿越道路、 地鐵和河流， 該工程的成功建設(shè)和運(yùn)行， 說明目前大直徑輸水鋼管工程中采用承插搭接焊工藝具有一定的可行性， 但國內(nèi)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步完善。

3 國內(nèi)承插搭接焊工藝應(yīng)用案例

2.1 研究對(duì)象 本研究針對(duì)大中?。ㄓ祝┮惑w化體育課程體系建設(shè)的國際化問題進(jìn)行研究，比較分析了美國等幾個(gè)國家體育課程體系建設(shè)與實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，探尋我國建設(shè)朝向國家化發(fā)展方向的一體化體育課程體系的重要思路與方法。

4 結(jié) 論

（1） 由于幾何形狀變化， 承插搭接焊埋地鋼管接頭有較高的應(yīng)力集中系數(shù)， 內(nèi)焊接、 外焊接和內(nèi)外雙焊接的接頭應(yīng)力集中系數(shù)最高分別可達(dá)6.77、 4.06 和6.10； 從接頭受力來看， 凸角焊縫最優(yōu)， 平角焊縫次之， 凹角焊縫最差。

隨著我國新能源相關(guān)政策的出臺(tái)，新能源項(xiàng)目迅速發(fā)展，這對(duì)傳統(tǒng)的能源管理模式來講是巨大的挑戰(zhàn)。為了更好的實(shí)現(xiàn)新能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，加快服務(wù)進(jìn)程，各相關(guān)部門和企業(yè)要加強(qiáng)新能源管理力度和執(zhí)行力度，加強(qiáng)合作與溝通，為新能源的前期準(zhǔn)備工作提供必要的條件和良好的設(shè)計(jì)環(huán)境。同時(shí)，還需加大電網(wǎng)規(guī)劃的投入和支持，實(shí)現(xiàn)新能源接網(wǎng)工作的全程管控，確保新能源安全接入電網(wǎng)規(guī)劃，提高新能源的有效使用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最大化和最優(yōu)化。

（2） 內(nèi)外雙焊接的接頭應(yīng)力最小， 對(duì)搭接區(qū)鋼材利用率最高， 但是焊縫工作量最大； 外焊接的接頭部位應(yīng)力分布相對(duì)均勻， 但焊接施工時(shí)需要留槽， 不便施工； 內(nèi)焊接的接頭處管壁應(yīng)力分布不均勻， 內(nèi)焊縫和承口擴(kuò)徑轉(zhuǎn)彎處管壁應(yīng)力最高， 但焊接在管內(nèi)進(jìn)行， 施工時(shí)不需要留槽， 施工相對(duì)方便， 且焊接工作量小于內(nèi)外雙焊接。

（3） 本研究僅對(duì)比了軸向載荷單獨(dú)作用下的計(jì)算結(jié)果， 考慮到埋地鋼管設(shè)計(jì)工況及荷載組合更為復(fù)雜， 包括內(nèi)水壓力、 覆土壓力和不均勻沉降等， 故需進(jìn)一步深入研究。 以期全面反映埋地條件下承插搭接焊鋼管接頭的結(jié)構(gòu)受力特性， 并推動(dòng)承插搭接焊工藝在水利水電工程中的應(yīng)用。

[1] 伍鶴皋，于金弘，石長征，等. 大直徑回填鋼管管土相互作用研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2020，53（10）：1053-1061.

[2] 夏連寧，張亮，李琦，等. 大直徑輸水鋼管承插搭接焊接口設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 焊管，2019，42（5）：60-64.

[3] 夏連寧. 大直徑鋼管承插式連接在輸水管道中的應(yīng)用[J]. 焊管，2015，38（9）：45-50.

[4] 楊健. 大管徑埋地管道承插焊連接施工技術(shù)[J]. 石油化工建設(shè)，2006（1）：54-56.

[5] 方洪淵. 焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：147-152.

[6] MONCARZ P D，SHYNE J C，DERBALIAN G K.Failures o

f 108-inch steel pipe water main[J].Journal of Performance of Constructed Facilities，1987，1（3）：168-187.

[7] WHIDDEN W R. Buried flexible steel pipe: design and structural analysis[M].[s.l.]：American Society of Civil Engineers，2009：193-174.

[8] MASON J A，O’ROURKE T D，JONES S，et al.Compression performance of steel pipelines with welded slip joints[J].Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice，2010，1（1）：2-10.

[9] SYAHRONI N，HIDAYAT M. 3D finite element simulation of T-joint fillet weld: Effect of various welding sequences on the residual stresses and distortions[C]//Numerical Simulation-from Theory to Industry. [s.l.]：Intech Open，2012.

[10] 孫海清，伍鶴皋，郝軍剛，等. 接觸滑移對(duì)不同埋設(shè)方式蝸殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響分析[J]. 水利學(xué)報(bào)，2010（5）：619-623.

[11] 蘇凱，張偉，伍鶴皋，等. 考慮摩擦接觸特性的鋼襯鋼筋混凝土管道承載機(jī)理研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2016（8）：1070-1078.

[12] 沈之基. 我國輸水鋼管同國外的差距及幾點(diǎn)建議(三)——輸水鋼管管端接口技術(shù)[J].焊管，2007（4）：18-20.