摘要：先泄后断(lbb)技术已经广泛地应用于焊接压力容器及管道的设计中，该理论是指在压力容器和管道中的裂纹达到失稳状态以前.可以检测到通过该裂纹的流体的泄漏。使用计算机程序模拟了通过裂纹的流体泄漏速率；通过有限元分析程序fluent，对简单情况下的单相流体在压力管道中裂纹不同张开方向上的泄漏速率进行模拟计算，并对其结果进行比较分析。得出泄漏速率与裂纹张开位移(cod)和裂纹长度的关系均不是线性关系.并且cod的扩展对泄漏速率的影响要大于裂纹长度对其的影响。因此，cod的扩展值是影响管道内流体泄漏速率的主要因素。关键词：先泄后断；焊接管道；泄漏速率；fluent中图分类号：tg457.6文献标识码：a管道中的焊接结构在焊接过程中常常由于焊接接头组织性能的劣化以及其它原因不可避免地产生各种缺陷，使焊接接头成为结构的薄弱环节，从而影响管道的正常运行。为了保证其
安全运行，并使其具有合理性和科学性，进行先泄后断的安全收稿日期：20061221：修回日期：20070718基金项目：国家自然科学基金资助项目(50375109)评定具有重大的经济效益和社会效益。先泄后断(leak.before.break，lbb)是指表面裂纹在外加载荷和其它因素作用下逐渐发展.穿透壁厚形成贯穿裂纹.造成管道内介质泄漏。当泄漏量达到一定程度后。即可被相应的泄漏监测系统发现。但壁面方向裂纹长度仍有足够的安全裕度.达到一定长度后才会发生失稳扩展从而导致管道彻底断裂。如果从发现泄漏到管道毁灭性破坏之间有足够长的时间采其中①，②位于反应层1，③，④位于反应层2，⑤位于反应层3；在不锈钢侧反应层，根据①的元素比，可以判断①为fe在b—ti中的固溶体，fe一化合物，黑灰色；②含w(ti)48.7o％，w(c)46.58％，可以判断为tic；在中间反应层，黑色的(相w(ti)54.88％，w(c)42.40％，比例接近tic；(区域为cu固溶体，并有扩散而来的少量o，ti，a1等元素；在陶瓷侧反应层，从表3中⑤的成分来看，由于此处从陶瓷侧扩散来的o含量较高，可初步推断灰色基体⑤为ti—o相。3结论(1)试验采用扩散钎焊实现复合陶瓷与不锈钢的连接.工艺参数为：加热温度11001150oc：压力1o20mpa；保温时间4o70min；保护气体为氮气。(2)选用ti—cti作中间层扩散钎焊a1：o一tic复合陶瓷与不锈钢，可有效地缓和接头残余应力，并且与陶瓷具有良好反应能力，可获得足够强度的复合陶瓷，不锈钢扩散钎焊接头。(3)a1：o一tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头形成3个扩散反应层，其中一个位于cr18一ni8不锈钢侧.厚度约为17.5m；靠近陶瓷侧的反应层厚度约为7.5m，中间反应层厚度约为5m。(4)通过电子探针分析，ai：otic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头的元素分布表明，a1：0，tic复合陶瓷与不锈钢接头扩散反应形成产物主要有：靠近陶瓷一侧是tic.ti一0和—a1；靠近不锈钢一侧是fe在b—ti中的固溶体，fe一化合物和tic；中间一层是cu固溶体和cu—fri相。参考文献：[1]刘会杰，冯吉才.陶瓷与金属的连接方法及应用[j].焊接，1999，43(6)：59.[2]veerrh.diffusionbondingofzirconiumtosiliconni—trideusingnickelinterlayer[j].joumalofmaterialscience，1998，33：4525—4530.[3]treheud.metal—ceramicsaidstatebonding：mechanismsandmechanics[j].senptametallu哂caletmaterialia，1994，31(8)：10551060.[4]akselsenom.diffusionbondingofceramics[j].journalofmaterialsscience，1992，27：569579.[5]袁庆龙，苏永安，唐宾，等.ti／cu／ti火焰加热扩散钎焊界面组织分析[j].焊接学报，2004，25(4)：15—18.[6]孙荣禄，杨文杰，张九海.钛合金与不锈钢扩散焊接头的组织和性能[j].焊接技术，1997，26(4)：46.22·试验与研究·焊接技术第36卷第5期2007年1o月取安全处理措施(如卸压、修理等)，则避免了由于快速整体破坏而引起的灾难性事故，sharples~.提出了先泄后断评定的一般准则，如图1所示。陟蟠魁嫩一＼失稳扩展1c裂纹长度图1先泄后断评定的一般准则这将使在役含缺陷压力容器和管道等承压构件的安全评定更具合理性和科学性，并将带来巨大的经济效益和社会效益。目前，国外一些最新、最有影响的标准如英国的bs一7910“金属结构中缺陷验收方法”和欧洲共同体提出的sinrrap“结构完整性评定方法”提出了先泄后断的评定方法lbb评定方法的一个重要条件是：在管道壁上形成的穿透裂纹在扩展到发生破坏性断裂的临界长度前，泄漏速度足够大.确保能被检测到。lbb分析技术只能在监测装置探测到了泄漏而裂缝尺寸仍然小于临界裂缝长度时，才能应用。因此，在lbb分析技术中，裂缝泄漏率与裂缝几何尺寸之间关系的计算是非常重要的。本文主要采用大型流体有限元计算软件nuente来计算管道环向裂缝中流体的泄漏速率与裂缝几何尺寸之间的关系。1管道裂纹的扩展机制当管道壁上的表面裂纹扩展成穿透裂纹后.在管道所承受的膜应力及弯矩应力的作用下.可有2种扩展机制[53：一是沿环向方向上继续扩展.使裂纹长度增加：二是沿轴向使裂纹张开位移值(crackopeningdisplacement，cod)增加。这2种扩展机制都使裂纹张开面积增加。从而影响泄漏速率的大小2泄漏速率的计算管道中裂纹的泄漏速率计算是以流体力学分析为基础的。流体在压力作用下从开口泄出的量主要取决于管道内部的压力、流动速度、温度以及流动过程中的水阻。在不同条件下的泄漏计算可以采用不同的方法。流体穿过裂缝的泄漏速率计算是一个复杂的问题.涉及到裂纹的几何形状、流过的路径长度、摩擦效应以及流体穿过裂纹的热动力学等方面，和许多不确定的条件有关，是lbb分析中最困难的一部分工作。因为有关泄漏条件的复杂性，所以对其进行简化是很有必要的[68]。针对本文研究的内容.笔者对流体状态进行如下简化：①假定泄漏的流体是单相的、一维的、绝热的：②忽略流体与环境之间的热交换：③假设流体是不可压缩的：④可以不考虑液体的汽化现象。通常都使用简化的流体模型来进行泄漏率的计算。裂纹的模型一般使用截面为椭圆形截面，所以液体泄漏速率取决于裂纹表面的形状和cod。为了研究裂纹扩展方向对泄漏速率的影响，本文使用有限元程序fluent对裂纹体中的流体泄漏速率进行模拟计算。fluent是计算流体力学问题的大型有限元软件，可模拟各种状态下的流体问题。管道模型的主要计算参数如图2中所示。图2臂遵尺寸示意图管道主尺寸：管道半径r=317.55mm，管道壁厚t=12.7mm，6为cod值，为裂纹张开长度，2为裂纹环向张开角度。裂缝几何特征：裂缝取向为环向穿透裂纹.裂纹流道为等截面流道，裂纹张开面积形状取椭圆形：管道中的液体状态：内压p=impa，温度t~60oc，管内液体流nv=2m／s，液体密~,o9.98103kg／m。，为不可压缩理想液体，管道外部压力取一个大气压(110skpa)；分别计算2组穿透裂纹扩展形式下的泄漏速率：(a)穿透裂纹的长度不变(取环向2值为6o。)，裂纹沿轴向张开(cod变化)由0.05mm扩展至0.6mm。(b)穿透裂纹的cod不变(为0.2mm)，裂纹沿长度方向由环向3o。扩展至6o。。3基于fluent有限元程序的建模和网格划分与流速相关的模型只涉及管道内壁和裂纹体.所以建模时可以把管道外壁及厚度省略.直接建立管道内壁和裂纹体的3d模型.为裂纹沿壁厚方向的长度。网格划分全部使用六面体对应网格，划分后的网格模型示意图如图3所示。(a)管道及裂纹网格剖面图(b)管道及裂纹网格侧面图图3有限元模型网格图网格划分后的有限元模型最小体积为1.1576lo。m，最大为1.714410m，共73216个单元，管内流体使用k一￡湍流模型。模型建好之后导／~.fluent主程序进行迭代计算。weldiw,technologvvo1.36no.5oct.2007·试验与研究·23cod值从0.1mm变化至0.6mm，泄漏速率则相应从0.0115kg／s4计算结果及分析增至0.73241kg／s；裂纹环向张开角度由30。增至6o。，泄漏速通过使用有限元程序对c0d和裂纹长度2组数据的计算，率仅由0.03931kg／sn~n0.06363kg／s，由此可见，c0d是影可以得到2组泄漏曲线，如图4，5所示。响管道内流体泄漏速率的主要因素。【∞褂