Ricerca sull'influenza delle saldature sullo stress delle pile di tubi in acciaio durante la guida

introduzione

Le pile di tubi in acciaio sono ampiamente utilizzate nei progetti di ingegneria civile, in particolare nelle basi offshore, Costruzione del ponte, e edifici grattacieli. Queste pile sono spinte a terra usando i martelli a impatto, un processo che li sottopone a significative sollecitazioni dinamiche. Spesso, Le pile dei tubi in acciaio sono fabbricate o estese saldando più sezioni insieme, introdurre le saldature come punti critici di preoccupazione. Saldature, sebbene necessario per raggiungere la lunghezza del mucchio desiderata, può alterare significativamente la distribuzione dello stress e l'integrità strutturale della pila durante la guida. Imperfezioni nelle saldature, sollecitazioni residue dal processo di saldatura, e il carico dinamico durante la guida in pila può esacerbare le concentrazioni di stress, potenzialmente portando alla fatica, cracking, o fallimento.

Questa ricerca esplora l'influenza delle saldature sulla sollecitazione di pile di tubi in acciaio durante la guida, Concentrarsi sulla distribuzione dello stress, Concentrazione nelle regioni di saldatura, comportamento a fatica, e strategie pratiche di mitigazione. Attraverso l'analisi teorica, Modellazione numerica, e casi studio, Lo studio mira a fornire una comprensione completa degli effetti legati alla saldatura e proporre metodi per migliorare le prestazioni del mucchio.

Sfondo teorico

Meccanici della guida in pila

La guida in pila comporta l'uso di martelli a impatto per impartire energia cinetica alla pila, costringendolo a terra. Questo processo genera un'onda di sollecitazione a compressione che si propaga lungo la lunghezza della pila. L'onda di stress si riflette ai confini (ad es., la punta della pila o le discontinuità come le saldature), portando a stati di stress complessi. Le sollecitazioni primarie durante la guida in pila includono:

Sollecitazione di compressione assiale: Generato dall'impatto del martello.
Stress di trazione: Risultante da riflessi d'onda, in particolare nei terreni duri in cui la punta della pila incontra un'alta resistenza.
Sollecitazione di taglio: Indotto dalla resistenza o dalla disallineamento del suolo laterale durante la guida.
Sollecitazione di flessione: Che si verifica se la pila non è perfettamente verticale o se sono presenti carichi laterali.

La massima sollecitazione in una pila durante la guida può essere approssimata usando l'equazione dell'onda unidimensionale:

UN_massimo = (E / UN) * (v_imp / C)

Dove:

UN_massimo: Stress massimo (PA)
E: Modulo di elasticità dell'acciaio (tipicamente 210 GPA)
UN: Area trasversale della pila (m²)
v_imp: Velocità di impatto del martello (SM)
C: Velocità d'onda in acciaio, C = √(E / R), dove ρ è la densità dell'acciaio (~ 7850 kg/m³)

Per un tipico mucchio di tubi in acciaio con una velocità d'onda di approssimativamente 5100 SM, anche una velocità di impatto moderata (ad es., 5 SM) può generare sollecitazioni che superano 500 Mpa, avvicinarsi o superare la resistenza alla snervamento di molti voti in acciaio.

Imperfezioni di saldatura e loro ruolo nella distribuzione dello stress

Le saldature introducono diversi fattori che influenzano lo stress durante la guida:

Discontinuità geometriche: Perle di saldatura, Anche quando si scarica a terra, Crea cambiamenti localizzati nella sezione della pila, portando a concentrazioni di stress.
Sollecitazioni residue: Il processo di saldatura induce sollecitazioni residue dovute all'espansione termica e alla contrazione, spesso avvicinandosi alla resistenza alla snervamento del materiale.
Eterogeneità materiale: La zona coltivata dal calore (Haz) adiacente alla saldatura presenta proprietà meccaniche alterate, come la ridotta duttilità o una maggiore durezza, che può influire sulla distribuzione dello stress.
Saldatura imperfezioni: Difetti come la porosità, inclusioni di scorie, o la penetrazione incompleta indebolisce la saldatura e aumenta le concentrazioni di stress.

Il fattore di concentrazione dello stress (SC) in una saldatura può essere definita come:

SCF = σ_{massimo, saldare} / UN_nominale

Dove:

UN_{massimo, saldare}: Sollecitazione massima alla saldatura
UN_nominale: Stress nominale nella pila lontano dalla saldatura

I valori tipici SCF per le saldature nelle pile di tubi in acciaio vanno da 1.5 A 3, A seconda della qualità della saldatura e della geometria.

Analisi dello stress in pile di tubi in acciaio saldato

Distribuzione dello stress lungo la pila

Durante la guida del mucchio, L'onda di sollecitazione si propaga come impulso di compressione dalla testa della pila alla punta. A una saldatura, L'onda incontra una discontinuità, portando a una riflessione e trasmissione parziali. L'onda riflessa può creare sollecitazioni di trazione, Soprattutto se la saldatura è vicino alla punta della pila o in una regione di discrepanza ad alta impedenza.

Prendi in considerazione una pila di tubi in acciaio con una saldatura a circonferenza (saldatura circonferenziale che unisce due sezioni). L'impedenza z della pila è data da:

Z = ρ * C * UN

Una discrepanza di impedenza alla saldatura (ad es., a causa di un tallone di saldatura più spessa o differenze di materiale nella HAZ) Causa la riflessione delle onde. Il coefficiente di riflessione R è:

R = (Z₂ – Z₁) / (Z₂ + Z₁)

Dove z₁ e z₂ sono le impedenze su entrambi i lati della saldatura. Una r diversa da zero indica una riflessione parziale, Contribuire alle sollecitazioni di trazione che possono iniziare il cracking alla saldatura.

Concentrazione dello stress alle saldature

La presenza di una saldatura aumenta le sollecitazioni locali a causa di discontinuità geometriche e materiali. Per una saldatura a circonferenza, La concentrazione di stress è più pronunciata sulla punta della saldatura, dove si verifica la transizione tra il metallo di saldatura e il materiale di base. Analisi degli elementi finiti (FEA) Gli studi indicano che l'SCF sulla punta della saldatura può essere elevato come 2.5 Per una tipica saldatura manuale, e fino a 3.0 per saldature con sottosquadro significativo o mancata corrispondenza.

Tavolo 1 Fornisce valori SCF tipici per diverse condizioni di saldatura in pile di tubi in acciaio, Basato su studi empirici e numerici.

Condizione di saldatura	Gamma SCF	Note
Saldatura perfetta (Flush di terra)	1.2–1.5	Discontinuità geometrica minima
Saldatura manuale (As-belded)	1.8–2.5	Saldatura e leggero discrepanza
Saldatura con sottosquadro	2.0–3.0	Riser di stress significativo in punta di saldatura
Saldatura con disallineamento	2.5–3.5	Ulteriore sollecitazione di flessione dovuta all'offset

Sollecitazioni residue dalla saldatura

La saldatura introduce sollecitazioni residue a causa del ciclo termico di riscaldamento e raffreddamento. Queste sollecitazioni sono tipicamente trazione nella saldatura e nelle haz, Equilibrato dalle sollecitazioni di compressione nel materiale di base circostante. Per una girth saldatura in un mucchio di tubi in acciaio, Lo stress residuo di picco può affrontare la resistenza alla snervamento dell'acciaio (ad es., 350–500 MPa per voti comuni come S355).

Durante la guida del mucchio, Queste sollecitazioni residue si sovrappongono alle sollecitazioni dinamiche, potenzialmente spingendo lo stress totale oltre la resa del materiale o la massima resistenza alla trazione. Lo stress combinato σ_totale può essere approssimato come:

UN_totale = m_dinamico + UN_residuo

Dove σ_dinamico è lo stress dalla guida in pila, e σ_residuo è lo stress residuo preesistente. Se_totale supera il limite di affaticamento del materiale, L'iniziazione di crack diventa probabile.

Modellazione numerica degli effetti di saldatura

Analisi degli elementi finiti (FEA) Approccio

Per quantificare l'influenza delle saldature sullo stress durante la guida, Analisi degli elementi finiti (FEA) è impiegato. Un tipico modello FEA include i seguenti componenti:

Geometria: Un modello 3D del mucchio di tubi in acciaio con una saldatura a girth, compreso il tallone della saldatura, Haz, e materiale di base.
Proprietà dei materiali: Comportamento elastico-plastica per acciaio, con proprietà distinte per il metallo saldato e ilz.
Condizioni al contorno: Un carico dinamico applicato sulla testa della pila per simulare l'impatto del martello.
Saldatura imperfezioni: Modellato come discontinuità geometriche (ad es., sottosquadro) o difetti materiali (ad es., Riduzione della tenacità nella haz).

Argomento di studio: Fea di un mucchio di tubi in acciaio saldato

Prendi in considerazione una pila di tubi in acciaio con le seguenti proprietà:

Diametro: 1.2 m
Spessore della parete: 25 mm
Materiale: Acciaio S355 (Snervamento 355 Mpa, Ultimata resistenza alla trazione 510 Mpa)
Tipo di saldatura: Weld Girth, manuale, con leggero sottosquadro (SCF = 2.5)

La pila viene spinta in uno strato di sabbia a medio-denso usando un martello da 10 tonnellate con una velocità di impatto di 4 SM. Il modello FEA utilizza un risolutore esplicito dinamico per simulare la propagazione delle onde di stress.

Risultati

Distribuzione dello stress: La massima sollecitazione dinamica nella pila lontano dalla saldatura è approssimativamente 450 Mpa (compressione). Alla punta della saldatura, Lo stress picchi a 1125 MPA a causa della SCF di 2.5.
Riflessione delle onde: La saldatura provoca un file 15% Riflessione dell'onda di stress, conducendo a uno stress di trazione di 70 MPA immediatamente dopo l'impulso di compressione.
Implicazioni di fatica: La natura ciclica della guida in pila (Migliaia di colpi di martello) induce danni alla fatica, con la punta della saldatura è la posizione più vulnerabile a causa delle elevate concentrazioni di stress.

Tavolo 2 Riassume i risultati FEA per diverse condizioni di saldatura.

Condizione di saldatura	Stress massimo in punta di saldatura (Mpa)	Stress di trazione dalla riflessione (Mpa)	Vita a fatica (Cicli)
Saldatura perfetta	600	50	10⁶
Saldatura manuale (As-belded)	900	65	10⁵
Saldatura con sottosquadro	1125	70	10⁴

Studio parametrico

È stato condotto uno studio parametrico per valutare l'influenza della geometria di saldatura, proprietà del materiale, e condizioni di guida sullo stress. I risultati principali includono:

Geometria di saldatura: Profili di saldatura più fluidi (ad es., Flush di terra) Ridurre l'SCF e aumentare la durata della fatica del 50-100%.
Proprietà dei materiali: Maggiore tenacità nel Haz (ad es., ottenuto attraverso il trattamento termico post-salvato) riduce il rischio di iniziazione crack.
Condizioni di guida: Velocità di impatto inferiore riducono le sollecitazioni di picco ma possono aumentare il numero di colpi richiesti, potenzialmente peggiorare il danno da fatica.

Comportamento a fatica alle saldature durante la guida

Meccanismo di fatica

La guida in pila è intrinsecamente ciclica, con ogni colpo di martello che rappresenta un ciclo di stress. Le saldature sono particolarmente sensibili alla fatica dovuta a:

Alte concentrazioni di stress: Come mostrato nella tabella 1, Gli SCF a saldatura amplificano l'intervallo di sollecitazione.
Sollecitazioni residue: Le sollecitazioni residue di trazione abbassano la soglia di stress media per l'inizio della fessura.
Variabilità materiale: Il HAZ ha spesso una ridotta resistenza alla fatica dovuta a cambiamenti microstrutturali.

La vita a fatica N di un'articolazione saldata può essere stimata utilizzando l'approccio della curva S-N:

N = (Ds / C)^-m

Dove:

Ds: Gamma di stress (Mpa)
C: Coefficiente di resistenza alla fatica (materiale-dipendente)
m: Esponente di fatica (Tipicamente 3-5 per saldature in acciaio)

Per una saldatura tipica in acciaio S355, C potrebbe essere 100 Mpa, e m = 3. Con una gamma di stress di 200 Mpa (Considerando sollecitazioni dinamiche e residue), la vita a fatica è approssimativamente 125,000 cicli, che può essere superato in condizioni di guida difficili.

Influenza delle imperfezioni della saldatura

Imperfezioni di saldatura come undercut, porosità, o la mancanza di fusione agisce come iniziatori di crack, riducendo significativamente la vita a fatica. Per esempio, una saldatura sottosquad con un SCF di 3.0 può ridurre la vita a fatica di un ordine di grandezza rispetto a una saldatura perfetta, Come mostrato nella tabella 2.

Implicazioni pratiche e strategie di mitigazione

Controllo della qualità della saldatura

Per ridurre al minimo gli effetti avversi delle saldature sullo stress durante la guida, Il controllo di qualità rigoroso è essenziale:

Ispezione della saldatura: Utilizzare test non distruttivi (NDT) Metodi come i test ad ultrasuoni per rilevare i difetti.
Geometria di saldatura: Saldare saldature a filo per ridurre le concentrazioni di sollecitazione.
Trattamento termico post-salvato (Pwht): Applicare PWHT per alleviare le sollecitazioni residue, in particolare per pile a parete spessa.

considerazioni sul design

I progettisti possono mitigare i problemi relativi alla saldatura:

Ottimizzazione del posizionamento della saldatura: Posizionare saldature lontano dalle regioni ad alto stress, come vicino alla punta della pila dove i riflessi sono più forti.
Selezione del tipo di saldatura: Utilizzare saldature per culo a pennello completo anziché saldature di filetto per un migliore trasferimento di carico.
Selezione dei materiali: Scegli i voti in acciaio con alta tenacia e resistenza alla fatica per il HAZ.

Tecniche di guida

La regolazione delle tecniche di guida in pila può anche ridurre lo stress alle saldature:

Energia a impatto inferiore: Utilizzare colpi di martello più piccoli per ridurre le sollecitazioni di picco, Anche se questo aumenta il numero di cicli.
Ammortizzazione: Impiega cuscini da mucchio per smorzare l'energia dell'impatto, Ridurre l'ampiezza delle onde di stress.
Monitoraggio: Usa il monitoraggio dinamico del pile (ad es., Analizzatore di guida in pila) Per misurare le sollecitazioni in tempo reale e regolare i parametri di guida.

Tavolo 3 Riassume le pratiche raccomandate per la mitigazione di problemi di stress correlati alla saldatura.

Strategia	Descrizione	Beneficio atteso
Saldatura	Superficie di saldatura liscia per ridurre la SCF	20–50% di riduzione in SCF
Pwht	Tratta termica per alleviare le sollecitazioni residue	30–60% di riduzione dello stress residuo
NDT	Ispezionare le saldature per i difetti	Rilevamento precoce di iniziatori di crack
Posizionamento della saldatura ottimizzato	Evita saldature vicino alla punta del mucchio o alle zone ad alto stress	10–20% di riduzione dello stress di picco

Casi studio

Argomento di studio 1: Fondazione per turbine eoliche offshore

Una fondazione a turbina eolica offshore utilizzava pile di tubi in acciaio di grande diametro (2 M Diametro, 30 spessore della parete mm) guidato in un letto di mare sabbioso. Le pile sono state estese usando saldature di circonferenza. Durante la guida, è stato osservato un cracking in diverse saldature, attribuito ad alte concentrazioni di stress (SCF ~ 2.8) e stress residui di trazione (~ 400 MPA). FEA ha rivelato le sollecitazioni di picco nella punta della saldatura che supera 1000 Mpa. La mitigazione ha comportato la macinazione del lavaggio delle saldature e l'applicazione di PWHT, che ha ridotto lo SCF a 1.5 ed eliminato il cracking.

Argomento di studio 2: Bridge Foundation in Hard Clay

Un progetto Bridge Foundation ha utilizzato pile di tubi in acciaio (1 M Diametro, 20 spessore della parete mm) spinto in argilla dura. Le saldature hanno mostrato danni alla fatica dopo 8000 colpi, con crepe che iniziano nel Haz. Il monitoraggio dinamico ha mostrato sollecitazioni di trazione di 80 MPA a causa di riflessi d'onda nelle saldature. Regolare l'energia del martello e l'uso di un cuscino da pila ha ridotto l'intervallo di stress 25%, estendendo la vita a fatica sufficientemente per completare la guida senza fallimento.

Conclusione

Le saldature influenzano significativamente il comportamento di sollecitazione delle pile di tubi in acciaio durante la guida, Principalmente attraverso le concentrazioni di stress, stress residui, e effetti di riflessione delle onde. Il fattore di concentrazione dello stress nelle saldature può amplificare le sollecitazioni dinamiche di 1,5-3,5 volte, mentre le sollecitazioni residue dalla saldatura si sovrappongono a questi carichi, Aumentare il rischio di affaticamento e cracking. Modellazione numerica, come Fea, Fornisce un potente strumento per quantificare questi effetti, Rivelando le sollecitazioni di picco alle dita della saldatura che spesso superano la resistenza alla snervamento del materiale. L'analisi della fatica indica che le saldature sono le posizioni più vulnerabili per l'inizio della crepa, in particolare in presenza di imperfezioni come sottosquadro o disallineamento.

Strategie pratiche di mitigazione, Compresa una migliore qualità della saldatura, tecniche di guida ottimizzate, e attente considerazioni sulla progettazione, può ridurre significativamente gli effetti avversi delle saldature. I casi studio dimostrano che queste strategie sono efficaci nelle applicazioni del mondo reale, Garantire l'integrità strutturale di pile di tubi in acciaio saldato nelle dure condizioni di guida.