Pesquisa sobre a influência das soldas no estresse de estacas de tubos de aço durante a condução de pilha

Introdução

Pilhas de tubos de aço são amplamente utilizadas em projetos de engenharia civil, particularmente em fundações offshore, Construção da ponte, e arranha-céus. Essas pilhas são levadas para o chão usando martelos de impacto, um processo que os sujeita a tensões dinâmicas significativas. Muitas vezes, As pilhas de tubos de aço são fabricadas ou estendidas soldando várias seções, Apresentando soldas como pontos críticos de preocupação. Soldas, Embora necessário para alcançar o comprimento da pilha desejado, pode alterar significativamente a distribuição de estresse e a integridade estrutural da pilha durante a direção. Imperfeições em soldas, tensões residuais do processo de soldagem, e a carga dinâmica durante a condução da pilha pode exacerbar as concentrações de tensão, potencialmente levando à fadiga, rachadura, ou falha.

Esta pesquisa explora a influência das soldas no estresse de estacas de tubos de aço durante a condução de pilha, focando na distribuição do estresse, concentração em regiões de solda, comportamento de fadiga, e estratégias práticas de mitigação. Através da análise teórica, Modelagem numérica, e estudos de caso, O estudo tem como objetivo fornecer uma compreensão abrangente dos efeitos relacionados à solda e propor métodos para melhorar o desempenho da pilha.

Antecedentes teóricos

Mecânica de condução de pilha

A condução de pilha envolve o uso de martelos de impacto para transmitir energia cinética à pilha, forçando -o no chão. Este processo gera uma onda de tensão compressiva que se propaga ao longo do comprimento da pilha. A onda de estresse reflete nos limites (por exemplo., a ponta da pilha ou descontinuidades como soldas), levando a estados de estresse complexos. As tensões primárias durante a condução da pilha incluem:

1. Tensão compressiva axial: Gerado pelo impacto do martelo.
2. Estresse de tração: Resultante de reflexões de ondas, particularmente em solos duros, onde a ponta da pilha encontra alta resistência.
3. Tensão de cisalhamento: Induzido por resistência lateral ao solo ou desalinhamento durante a direção.
4. Tensão de flexão: Ocorrendo se a pilha não for perfeitamente vertical ou se houver cargas laterais.

A tensão máxima em uma pilha durante a direção pode ser aproximada usando a equação de onda unidimensional:

Onde:

• um_máx.: Tensão máxima (PA)
• E: Módulo de elasticidade do aço (tipicamente 210 GPA)
• A: Área transversal da pilha (m²)
• v_imp: Velocidade de impacto do martelo (EM)
• c: Velocidade de onda em aço, c = √(E / r), onde ρ é a densidade do aço (~ 7850 kg/m³)

Para uma pilha de tubos de aço típica com uma velocidade de onda de aproximadamente 5100 EM, até uma velocidade de impacto moderada (por exemplo., 5 EM) pode gerar tensões excedendo 500 Mpa, aproximando -se ou excedendo a força de escoamento de muitos graus de aço.

Imperfeições de solda e seu papel na distribuição do estresse

As soldas introduzem vários fatores que influenciam o estresse durante a condução da pilha:

1. Descontinuidades geométricas: Biços de solda, Mesmo quando o solo nivelado, Crie mudanças localizadas na seção transversal da pilha, levando a concentrações de estresse.
2. Tensões residuais: O processo de soldagem induz tensões residuais devido à expansão térmica e contração, muitas vezes se aproximando da força de escoamento do material.
3. Heterogeneidade material: A zona afetada pelo calor (Haz) adjacente à solda exibe propriedades mecânicas alteradas, como ductilidade reduzida ou dureza aumentada, que pode afetar a distribuição do estresse.
4. Imperfeições de solda: Defeitos como porosidade, inclusões de escória, ou penetração incompleta enfraquecer a solda e aumentar as concentrações de estresse.

O fator de concentração de estresse (Scf) em uma solda pode ser definida como:

Onde:

• um_{máx., soldar}: Tensão máxima na solda
• um_nominal: Estresse nominal na pilha de distância da solda

Os valores típicos de SCF para soldas em estacas de tubos de aço variam de 1.5 para 3, dependendo da qualidade da solda e geometria.

Análise de estresse em pilhas de tubos de aço soldados

Distribuição de estresse ao longo da pilha

Durante a condução de pilha, A onda de estresse se propaga como um pulso compressivo da cabeça da pilha para a ponta. Em uma solda, A onda encontra uma descontinuidade, levando a reflexão e transmissão parciais. A onda refletida pode criar tensões de tração, Especialmente se a solda estiver perto da ponta da pilha ou em uma região de incompatibilidade de alta impedância.

Considere uma pilha de tubo de aço com uma solda de circunferência (solda circunferencial unindo duas seções). A impedância z da pilha é dada por:

Uma incompatibilidade em impedância na solda (por exemplo., Devido a uma contração de solda mais grossa ou diferenças de material no HAZ) causa a reflexão da onda. O coeficiente de reflexão r é:

Onde z₁ e z₂ são as impedâncias em ambos os lados da solda. Um r diferente de zero indica reflexão parcial, contribuindo para tensões de tração que podem iniciar rachaduras na solda.

Concentração de estresse nas soldas

A presença de uma solda aumenta as tensões locais devido a descontinuidades geométricas e materiais. Para uma solda de circunferência, A concentração de estresse é mais pronunciada no dedo do pé de solda, onde a transição entre o metal soldado e o material de base ocorre. Análise de elementos finitos (FEA) Estudos indicam que o SCF no dedo da solda pode ser tão alto quanto 2.5 Para uma solda manual típica, e até 3.0 Para soldas com redução significativa ou incompatível.

Mesa 1 Fornece valores típicos de SCF para diferentes condições de solda em pilhas de tubos de aço, baseado em estudos empíricos e numéricos.

Tensões residuais de soldagem

A soldagem introduz tensões residuais devido ao ciclo térmico de aquecimento e resfriamento. Essas tensões são tipicamente de tração na solda e haz, equilibrado por tensões compressivas no material de base circundante. Para uma solda de circunferência em uma pilha de tubo de aço, o pico de estresse residual pode se aproximar da força de escoamento do aço (por exemplo., 350–500 MPa para notas comuns como S355).

Durante a condução de pilha, Essas tensões residuais sobrepojam as tensões dinâmicas, potencialmente empurrar o estresse total além do rendimento do material ou da resistência à tração final. O estresse combinado σ_total pode ser aproximado como:

Onde σ_dinâmico é o estresse da condução da pilha, e σ_residual é o estresse residual pré-existente. Se_total excede o limite de fadiga do material, A iniciação de crack se torna provável.

Modelagem numérica de efeitos de solda

Análise de Elementos Finitos (FEA) Abordagem

Para quantificar a influência de soldas no estresse durante a condução de pilha, Análise de elementos finitos (FEA) é empregado. Um modelo FEA típico inclui os seguintes componentes:

1. Geometria: Um modelo 3D da pilha de tubos de aço com uma solda de circunferência, incluindo a contam de solda, Haz, e material base.
2. Propriedades dos materiais: Comportamento elástico-plástico para aço, com propriedades distintas para o metal de solda e haz.
3. Condições de contorno: Uma carga dinâmica aplicada na cabeça da pilha para simular o impacto do martelo.
4. Imperfeições de solda: Modelado como descontinuidades geométricas (por exemplo., Undercut) ou defeitos materiais (por exemplo., tenacidade reduzida no HAZ).

Estudo de caso: Fea de uma pilha de tubo de aço soldada

Considere uma pilha de tubos de aço com as seguintes propriedades:

• Diâmetro: 1.2 m
• espessura da parede: 25 milímetros
• Material: Aço S355 (força de rendimento 355 Mpa, força de tração final 510 Mpa)
• Tipo de solda: Solda de circunferência, manual, com um leve undercut (Scf = 2.5)

A pilha é conduzida para uma camada de areia densa média usando um martelo de 10 toneladas com uma velocidade de impacto de 4 EM. O modelo FEA usa um solucionador explícito dinâmico para simular a propagação da onda de estresse.

Resultados

1. Distribuição de estresse: A tensão dinâmica máxima na pilha de distância da solda é aproximadamente 450 Mpa (compressão). No dedo do pé de solda, o estresse atinge o pico em 1125 MPA devido ao SCF de 2.5.
2. Reflexão da onda: A solda causa um 15% reflexo da onda de estresse, levando a um estresse de tração de 70 MPA imediatamente após o pulso compressivo.
3. Implicações de fadiga: A natureza cíclica da condução da pilha (milhares de golpes de martelo) induz danos à fadiga, com o dedo da solda sendo o local mais vulnerável devido às altas concentrações de estresse.

Mesa 2 resume os resultados da FEA para diferentes condições de solda.

Estudo paramétrico

Um estudo paramétrico foi realizado para avaliar a influência da geometria de solda, propriedades dos materiais, e condições de condução no estresse. As principais descobertas incluem:

1. Geometria de solda: Perfis de solda mais suaves (por exemplo., arremesso de solo) Reduza o SCF e aumente a vida útil da fadiga em 50 a 100%.
2. Propriedades dos materiais: Maior tenacidade no HAZ (por exemplo., alcançado através do tratamento térmico pós-soldado) reduz o risco de iniciação de trincas.
3. Condições de direção: As velocidades de impacto mais baixas reduzem as tensões de pico, mas podem aumentar o número de golpes necessários, potencialmente piorar danos à fadiga.

Comportamento de fadiga em soldas durante a condução de pilha

Mecanismo de fadiga

A condução da pilha é inerentemente cíclica, com cada golpe de martelo representando um ciclo de estresse. As soldas são particularmente suscetíveis a fadiga devido a:

1. Altas concentrações de estresse: Como mostrado na tabela 1, SCFs em soldas amplificam a faixa de tensão.
2. Tensões residuais: Tensões residuais de tração diminuem o limiar médio de tensão para iniciação de crack.
3. Variabilidade do material: O HAZ geralmente tem resistência à fadiga reduzida devido a mudanças microestruturais.

A vida útil da fadiga n de uma articulação soldada pode ser estimada usando a abordagem da curva S-N:

Onde:

• Ds: Faixa de estresse (Mpa)
• C: Coeficiente de força de fadiga (dependente de material)
• m: Expoente de fadiga (normalmente 3-5 para soldas de aço)

Para uma solda típica em aço S355, C pode ser 100 Mpa, e m = 3. Com uma faixa de tensão de 200 Mpa (considerando tensões dinâmicas e residuais), a vida à fadiga é de aproximadamente 125,000 ciclos, que podem ser excedidos em condições de condução duras.

Influência das imperfeições da solda

Imperfeições de solda, como rebaixamento, porosidade, ou a falta de fusão age como iniciadores de crack, reduzindo significativamente a vida de fadiga. Por exemplo, uma solda minúscula com um SCF de 3.0 pode reduzir a vida útil da fadiga em uma ordem de magnitude em comparação com uma solda perfeita, Como mostrado na tabela 2.

Implicações práticas e estratégias de mitigação

Controle de qualidade da solda

Para minimizar os efeitos adversos das soldas no estresse durante a condução de pilha, Controle de qualidade rigoroso é essencial:

1. Inspeção da solda: Use testes não destrutivos (END) Métodos como testes ultrassônicos para detectar defeitos.
2. Geometria de solda: As soldas de moagem descarregam para reduzir as concentrações de estresse.
3. Tratamento térmico pós-solda (Pwht): Aplique PWHT para aliviar as tensões residuais, particularmente para pilhas de paredes grossas.

Considerações de design

Os designers podem mitigar problemas relacionados à solda por:

1. Otimizando a colocação da solda: A posição se solta das regiões de alta estresse, como perto da ponta da pilha, onde as reflexões são mais fortes.
2. Selecionando o tipo de solda: Use soldas de bunda de penetração completa em vez de soldas de fileto para melhor transferência de carga.
3. Seleção de Materiais: Escolha notas de aço com alta resistência e resistência à fadiga para o HAZ.

Técnicas de condução

Ajustar as técnicas de acionamento de estacas também podem reduzir o estresse nas soldas:

1. Energia de impacto mais baixa: Use golpes de martelo menores para reduzir o pico de tensões, Embora isso aumente o número de ciclos.
2. Amortecedor: Empregue almofadas de estacas para amortecer a energia do impacto, reduzindo a amplitude da onda de estresse.
3. Monitoramento: Use monitoramento dinâmico de pilha (por exemplo., Analisador de acionamento de estacas) Para medir as tensões em tempo real e ajustar os parâmetros de direção.

Mesa 3 resume as práticas recomendadas para mitigar problemas de estresse relacionados à solda.

Estudos de caso

Estudo de caso 1: Fundação de turbina eólica offshore

Uma fundação de turbina eólica offshore usava pilhas de tubos de aço de grande diâmetro (2 M diâmetro, 30 mm de espessura da parede) dirigido para um fundo de mar arenoso. As pilhas foram estendidas usando soldas de circunferência. Durante a direção, Rachaduras foram observadas em várias soldas, atribuído a altas concentrações de estresse (SCF ~ 2,8) e tensões residuais de tração (~ 400 MPa). Fea revelou pico de tensões no dedo da solda excedendo 1000 Mpa. A mitigação envolvia a moagem das soldas descarregando e aplicando PWHT, que reduziu o SCF para 1.5 e eliminou rachaduras.

Estudo de caso 2: Bridge Foundation em argila dura

Um projeto da Bridge Foundation usou pilhas de tubos de aço (1 M diâmetro, 20 mm de espessura da parede) conduzido para argila dura. As soldas exibiram danos à fadiga após 8000 golpes, com rachaduras iniciando no HAZ. O monitoramento dinâmico mostrou tensões de tração de 80 MPA devido a reflexões de ondas nas soldas. Ajustar a energia do martelo e usar uma almofada de pilha reduziu a faixa de tensão por 25%, estendendo a vida de fadiga o suficiente para concluir a direção sem falha.

Conclusão

As soldas influenciam significativamente o comportamento do estresse das pilhas de tubos de aço durante a condução de pilha, principalmente através de concentrações de estresse, tensões residuais, e efeitos de reflexão de ondas. O fator de concentração de tensão nas soldas pode amplificar tensões dinâmicas em 1,5 a 3,5 vezes, enquanto tensões residuais de soldagem sobrepor nessas cargas, aumentando o risco de fadiga e rachaduras. Modelagem numérica, como fea, fornece uma ferramenta poderosa para quantificar esses efeitos, revelando pico de tensões de solda que geralmente excedem a força de escoamento do material. A análise de fadiga indica que as soldas são os locais mais vulneráveis ​​para iniciação de crack, particularmente na presença de imperfeições, como rebaixamento ou desalinhamento.

Estratégias de mitigação prática, incluindo melhoridade de solda aprimorada, Técnicas de direção otimizadas, e considerações cuidadosas de design, pode reduzir significativamente os efeitos adversos das soldas. Estudos de caso demonstram que essas estratégias são eficazes em aplicações do mundo real, garantindo a integridade estrutural de estacas de tubos de aço soldadas sob as condições adversas de condução de pilha.

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