混凝土裂纹成因分析

混凝土裂纹成因分析（精选6篇）

混凝土裂纹成因分析 篇1

于现代化的城市建设之中, 混凝土结构材料经常被运用, 然而在这些材料进行生产及其利用的过程中, 混凝土结构往往会产生裂缝问题。混凝土结构出现裂缝后对其整体建筑结构的美观来说会造成一些影响, 并且还会对其结构的常规安全利用和耐久性都会造成一定影响。相对严重的是, 在裂缝的程度达到特定的最大值的时候, 会造成结构不安全。在长期的实践研究中我们证实到:混凝土结构产生裂缝是很难避免的, 但在施工过程中, 通过一系列方法, 把它的不利程度控制到合理的范围中。

1 混凝土结构裂缝成因

混凝土属于脆性材料, 其抗拉能力相对来说是非常底的。在施工或者使用过程中, 在湿度与温度出现变化或者地基产生不规则沉降的情况下, 相对就比较容易出现裂纹。

1.1 材料质量

混凝土出现裂缝, 材料质量也有一部分原因。因此, 在材料的采购过程中必须加大监察和检测力度。做到在材料方面把控最严, 尽最大可能减少出现裂缝的直接因素。

1.2 结构受荷

结构产生裂缝受诸多方面原因的影响, 在施工过程中或者后期运营过程中由于不同原因都会产生裂缝。如:拆模时机没有把握好、材料储存方式和环境不对、吊装时候的吊点没有找准以及垫块的方位和施工过程中存在超载等等因素, 这些均会导致裂缝。其中钢筋混凝土梁、板这些受弯构件很常见, 经过使用荷载的作用, 会造成各种裂缝。对于普通钢筋混凝土构件来说, 其受到大于30%~40%的设计荷载的情况下, 裂缝变会产生, 用肉眼看不到, 同时构件的极限破坏荷载通常大于设计荷载的1.5倍。所以在一般情况之下, 其可以在出现裂缝的情况下正常工作。

1.3 设计构造

裂缝产生的诸多原因中, 设计构造方面占有非常重要的因素。如出现构件断面突变、开洞、留槽不对造成应力过于集中没有进行正确的构造处理、现浇主梁于搁次梁的地方未增加箍筋或者吊筋、未进行结构缝的合理设置, 这些均会使混凝土造成开裂。因此在设计构造过程中, 必须做到仔细检测, 认真处理, 尽量避免因为人为方面的因素出现裂纹。

1.4 温度变形

混凝土具有热胀冷缩的特性, 其线膨胀系数一般为1×10-5/℃。在环境温度发生变化的情况下, 就可能发生温度变形, 从而产生附加应力, 使混凝土结构由此在负荷情况下工作。当这种应力超过混凝土的最大抗拉强度时, 就会产生裂缝。在工程中这类裂缝较多见, 譬如现浇屋面板上的裂缝, 大体积混凝土的裂缝等。

1.5 湿度变形

混凝土结构通常都是处于露天环境中, 所以在空气以及气候环境的变化下, 对其影响也是显而易见的。结构在处于空气里结硬的情况下, 体积会慢慢变小, 这种现象称为干缩, 针对此现象, 可在混凝土掺加膨胀剂, 则可以使混凝土在空气中或者水中几乎不会产生收缩的现象。

1.6 地基变形

对于钢筋混凝土结构而言, 不均匀沉降会导致开裂。地基变形状况往往取决于裂缝本身的方向、大小以及形状, 地基变形因为产生比较大的应力, 让裂缝通常属于贯穿性的。

1.7 施工工艺

混凝土结构是属于后期人为的混合型材料, 因此在人为生产过程中, 其密度和均匀性决定了它质量的优劣状况。因此, 在混凝土施工生产中的每个工序里出现的误差, 都会直接或者间接的造成裂缝的出现。所以在施工过程中, 必须把每一道工序都做到零误差。

2 混凝土结构裂缝的预防

经过上面探究, 工程裂缝里面的许多部分能利用施工与设计办法促使解决。

2.1 采取材料方面的措施

2.1.1 水泥

水泥作为混凝土结构最为重要的粘合剂, 它的使用情况也尤为重要。需要根据不同的工程情形, 使用水化热不高、强度不低的水泥, 禁止运用质量不过关的水泥。

2.1.2 细骨料

一般情况下使用天然砂。应该使用颗粒较粗以及空隙较小的2区砂、运送混凝土应利用中砂。对于粗骨料:适用表面粗糙、级配良好、空隙率小、没有碱性反应。尤为重要的是两种骨料都必须符合技术规范规定。

2.2 混凝土进行配料、搅拌以及运输、浇筑方面的措施

(1) 配合设计应尽量采有低水灰比、低水泥用量、低用水量。投料计量应准确, 搅拌时间应保证;禁止任意增加水泥用量。

(2) 混凝土运送的时候, 确保车鼓处于6转/mi n, 进入工地之后, 保证搅拌车高速运转于4~5 min, 确保混凝土浇筑前充分再次混合合理。塌落度一旦出现损失, 加入适量外加剂, 保证理想效果。

(3) 浇筑分层必须合理, 振捣应均匀、适度、不得随意留置施工缝。

2.3 采取设计方面的措施

(1) 建筑平面造型当达到使用要求的时候, 力求简单, 平面复杂的建筑物, 容易产生扭曲等附加应力而造成墙体及楼板开裂;掌握建筑物的长高比, 增强整体刚度和调整不均匀沉降的能力。

(2) 合理进行变形缝的设计, 合理选用位置以及宽度, 构造保持合理。

(3) 对每个部位承重结构的受力状况进行调节, 保持荷载分布合理, 尽可能避免受力相当集中。

(4) 确保伸缩缝间距。对体形复杂、地基不均匀沉降值大的建筑物要正确控制, 能与别结构缝一起运用。

2.4 采取施工方面的措施

(1) 强化混凝土的早期养护, 合理增加养护时间, 进而降低混凝土的收缩变形。

(2) 钢筋绑扎位置应合理, 保护层厚尽可能正确, 别高于规范规定;钢筋表层要干净, 钢筋代换要分析对构件抗裂性能产生的影响。

(3) 强化地基的验收, 对于繁杂地基, 要补充勘探。认真处理异常地基, 尽量让处理之后的承载力和此项工程有效地基承载力一致。

3 结语

通过对混凝土裂缝形成的原因以及预防措施作了简要的探讨, 认为只要采取以防为主, 在大体积混凝土结构的设计、混凝土材料的选择、配合比优化、拌制、运输、浇筑、保温养护, 以及加强施工过程中各环节的控制, 采取了一系列的技术措施, 并施工中多观察、多比较, 出现问题后多分析、多总结, 结合多种预防处理措施, 相信混凝土的裂缝是完全可以控制的。

参考文献

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社, 1997.

[2]王贵明.混凝土裂缝的成因及其预防措施[J].建材技术与应用, 2004 (3) .

[3]杨红霞, 郑光明.混凝土温度收缩裂缝的产生机理及对策[J].延安大学学报:自然科学版, 2004 (2) .

[4]富文权.混凝土工程裂缝分析与控制[M].中国铁道出版社, 2002.

[5]鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展[J].混凝土, 2002 (5) .

[6]段峥.现浇大体积混凝土裂缝的成因与防治[J].混凝土, 2003 (5) .

[7]戴镇潮.大体积混凝土的防裂[J].混凝土, 2001 (9) .

混凝土裂纹成因分析 篇2

温度裂缝的预防措施在于： 第一，在水泥的选取上尽可能选用中热或低热水泥，比如粉煤灰水泥、矿渣水泥等; 第二，对水泥用量进行减少，并将水灰比进行降低，通常混凝土水灰比会不超过 0. 6; 第三，对骨料级配进行改善，加入减水剂或者粉煤灰已达到水泥用量减少的目的，同时让水化热降低; 第四，尽可能采用新设备与新技术，对混凝土搅拌工艺进行改进; 第五，向混凝土中适量掺入具备缓凝、减水及增塑功效的外加剂，以此改善拌合物的`保水性与流动性，在水化热得到降低的同时，将热峰出现时间进行有效推迟; 第六，要对施工工序进行合理的安排，进行分层分块的浇筑，促进散热，并减小约束; 第七，对于大体积的混凝土而言，可以在其内部进行冷却管道的设置，通过冷气或冷水冷却，缩小混凝土外部与内部的温差; 第八，加强温度监控工作，做好及时的相关保护措施; 第九，养护工作必须加强，在浇筑结束之后，及时覆盖上麻片或草帘等，重视洒水养护，并根据实际情况控制好养护时间。

5 结束语

混凝土作为主要工程材料之一，生产工艺较为简单，原料来源也广泛，抗压性能较强且负载大，并且价格较低，在我国市政项目的建设中得到广泛使用。然而在市政工程施工过程当中，混凝土的裂缝问题已成为无法避免的一种病害现象，一直对施工单位形成长期的困扰，裂缝不但会导致市政工程中各建筑物抗压、抗渗、承载能力的下降，而且会对工程质量以及建筑物的外观形成不利影响，甚至有可能为市政工程本身的建设发展造成严重危机。因而，为了促进市政工程项目建设工作的顺利进行，建设单位必须在实践过程中不断进行经验的积累，对市政工程混凝土施工中出现的裂缝及其成因问题进行认真的研究与分析，通过合理科学的预防措施与应对方法，结合实际情况提出相应的解决方案，防止裂缝现象的产生，确保市政工程质量。

参考文献

[1]李枝春。 对市政桥梁工程大体积混凝土施工质量控制的研究[J].中国科技纵横，.

[2]李效凯，试论市政工程中水泥混凝土施工质量控制[J]. 中国科技博览，2010.

[3]姜斌，路桥施工过程中混凝土结构的裂缝研究与探讨。 科技致富向导，.

[4]钢筋混凝土结构设计规范。 中国建筑工业出版社，.

桥梁裂纹成因分析与研究 篇3

桥梁是连接道路交通的重要枢纽,在交通和交通发展中起着举足轻重的作用。 桥梁病害的大量存在不仅影响交通路线的畅通,还可能危及人们的生命财产安全。 其中,由疲劳损伤、钢丝锈蚀、混凝土开裂诱发的桥梁裂纹是最为普遍的,轻则导致结构承载能力降低,重则桥梁结构直接破坏,威胁过往车辆及行人的生命财产安全。如2001年四川省宜宾市金沙江南门大桥两端先后发生断裂,两辆汽车坠入江中,一艘小型船只被毁,造成宜宾市区南北公路交通中断[1];1951年加拿大魁北克市的杜佩利西斯全焊接钢板梁大桥整跨断毁,落于冰冻的河中[2]。因此本文从多方面对桥梁裂纹的种类和产生原因进行了探讨,对今后桥梁病害的综合治理具有重要意义。

2常见裂纹类型及形成原因

桥梁裂纹的成因复杂而繁多,甚至多种因素相互影响,因此当裂纹产生时, 不能一概而论认为是质量问题。如对于普通钢筋混凝土构件来说,在一定范围内, 其裂纹的存在是允许的,但当裂缝超过一定限度时,就会对结构耐久性产生影响。

2.1常见裂纹类型

桥梁裂纹的分类按不同的分类方式有多种:

从安全角度可分为工作裂纹和非正常裂纹;按客观成因可分为先天裂纹、原生裂纹和后天裂纹;从力学机理角度可分为弯曲裂纹、剪切裂纹等;从结构承载力的影响的角度可分为结构裂纹和非结构裂纹[3]。按其表现形式可以归纳为:表面裂纹、贯穿裂纹和深层裂纹等[4]。贯穿裂纹延伸至整个桥梁结构的断面,破坏了结构的整体性,对桥梁的寿命造成潜在危险。深层裂纹一般直观上不可见,只有通过探测仪器才可以发现。按其几何形式来看,常见的有:纵向裂纹、横向裂纹和斜裂纹。在实际的桥梁检测中,以纵向裂纹最为常见,而以桥梁跨中横向裂纹最为危险。

2.2裂缝形成原因

尽管桥梁裂缝的种类繁多,但就其产生的原因[5,6],大致有如下几种。

2.2.1荷载引起的裂缝

桥梁结构构造与受力较复杂,在车辆荷载的反复作用下易疲劳失效。20世纪90年代建成的虎门大桥、宜昌长江大桥的已出现疲劳开裂问题[7]。桥梁荷载引起的裂纹,主要有直接应力裂纹、次应力裂纹两种。直接应力裂纹是指外荷载引起的直接应力超过《桥规》的规定值所产生的裂缝,从设计计算到使用阶段,其中任何一个环节出现问题,都可能导致桥梁产生这类裂缝;次应力裂纹是指由外荷载引起的次生应力产生裂纹,由于结构实际工作状态同常规计算的出入、计算时考虑不周或施工等原因都会引起次应力裂缝。

2.2.2变形引起的裂缝

大量的调查与实测研究证明裂纹的出现并非仅由荷载作用引起。温度变化、 混凝土收缩徐变及地基不均匀沉降等都是产生桥梁裂纹的原因。

(1)温度变化引起的裂纹

混凝土构件由于其具有热胀冷缩性质,温度发生变化时,结构各部分材料都将发生变形,若变形受到约束,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生裂缝。引起温度变化主要因素有:年温差、日照、骤然降温、水化热、 蒸汽养护或冬季施工措施不当等,对桥梁混凝土箱梁使用性能影响较大的是短期温差作用。此外,结构混凝土内部存在非稳态和非线性的温度场,由此产生的过大温差使许多设计上认为完善的预应力混凝土箱梁产生了严重裂缝,有的桥梁甚至被迫停运修复,造成严重的经济损失。近年各国工程界进行了大量的理论、试验研究及现场实测,已取得了一定成果,将温度作用的计算方法纳入桥梁设计规范[8]。

(2)混凝土收缩徐变引起的裂纹

由于混凝土材料特性的原因,塑性收缩和缩水收缩都将使混凝土发生变形, 从而导致桥梁结构出现裂缝。研究表明,影响混凝土收缩裂纹的主要因素有:水泥品种、标号及用量、骨料品种、水灰比、外掺剂、养护方法、外界环境、振捣方式及时间。由温度和收缩徐变引起的裂纹,通过增配构造钢筋可明显改善。

(3)地基变形引起的裂纹

基础的不均匀沉降,使结构中产生附加应力,当这个力超出混凝土结构的抗拉能力,就会导致结构开裂。对于拱桥等有水平推力结构,更是使其产生水平位移裂缝的主要原因。基础不均匀沉降的原因众多,如:地质勘察精度不够、试验资料不准;地基地质差异太大;结构荷载差异太大;结构基础类型差别太大;桥梁基础基于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质;桥梁建成后,原有地基条件变化。因此,对建桥前期的地质勘查工作、设计和施工工作的合理监督和管理可有效避免这类裂纹产生。

2.2.3钢筋锈蚀引起的裂纹

在钢筋混凝土结构中,混凝土保护层厚度不足、混凝土质量较差都会引起钢筋锈蚀,从而导致桥梁结构承载能力下降,并诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。由于钢筋锈蚀甚至断裂导致的桥梁断裂例子众多。因此防止这类病害的产生或加剧,就要从防止钢筋锈蚀入手。要防止钢筋锈蚀,设计时应根据规范要求控制裂纹宽度、采用足够的保护层厚度;施工时应控制混凝土的水灰比,加强振捣,保证混凝土的密实性,防止氧气侵入,同时严格控制含氯盐的外加剂用量。

2.2.4施工材料质量引起的裂纹

配置混凝土所采用材料质量不合格,也可能导致结构出现裂纹。

2.2.5施工工艺及质量引起的裂纹

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生纵向、横向等各种裂纹。

3结语

针对由直接应力引起的裂纹,可在运营维护期间严格实行交通管制,限制超载超限过桥车辆,尽量使桥梁避免超负荷工作状态;可通过把桥面板顺桥向整体刚度设计得尽可能小一些,来减少变形引起的裂纹;地基的不均匀沉降不可避免,但可通过监测获取信息,进而及时采取措施进行综合整治;由钢筋锈蚀引起的桥梁开裂,通过设计阶段的优化和施工阶段的严格控制可有效防止;混凝土桥梁疲劳开裂问题较为复杂,可综合运用先进的疲劳损伤、疲劳荷载、疲劳应力监测技术,实时获取混凝土桥梁疲劳损伤监测信息。

参考文献

[1]姚志强,阮小平,邓清.拱桥吊杆变形差异引发桥面断裂及类似事故的预防措施[J].公路,2002,(7).

[2]李志国.既有钢桥裂纹及加固研究[D].西南交通大学:西南交通大学,2006.

[3]胡隽.钢筋混凝土桥梁裂缝研究[D].杭州:浙江大学.2005

[4]蒙云,卢波.桥梁加固与改造[M].北京:人民交通出版社.2004

[5]赵建华.断裂力学在桥梁裂纹检测分析中的应用[D].长安大学:长安大学,2009.

[6]刘松平.钢筋混凝土桥梁裂缝成因分析与加固措施研究[D].浙江大学:浙江大学,2013.

[7]GE Y J,XIANG H F.Concept and Requirements of Sustainable Development in Bridge Engineering[J].Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China,2011,5(4).

液化石油气球罐裂纹的成因分析 篇4

1 裂纹类型

球罐裂纹按发生的原因来分可以大致归纳为原材料裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、过载裂纹、疲劳裂纹和腐蚀裂纹。典型的腐蚀裂纹有应力腐蚀裂纹和氢致裂纹。

(1) 原材料裂纹主要指母材在加工轧制过程中形成的缺陷, 也包括焊接和热处理对母材的影响。 (2) 焊接裂纹主要指球罐在组装焊接时产生的缺陷。 (3) 热处理裂纹即焊后消除应力的热处理过程产生的, 常发生在焊缝的热影响区。 (4) 过载裂纹指外加载荷超过金属的强度极限而产生的裂纹, 常发生在部件受力最大部位或应力集中部位, 且裂纹形貌纹理细长、尖锐, 无分枝或分枝很少。 (5) 疲劳裂纹是因为结构不合理或材料存在缺陷, 造成局部压力过高, 经过反复加卸载和应力不断交变产生的裂纹。 (6) 腐蚀裂纹是在金属被腐蚀过程中产生的裂纹, 典型的腐蚀裂纹是应力腐蚀裂纹和氢致裂纹。

2 应力腐蚀裂纹的成因分析

应力腐蚀裂纹是指金属在某种特定环境 (介质) 与相应应力水平的共同作用下发生的断裂, 是一种危险很大的失效模式, 具有很强的隐蔽性, 裂纹缓慢增长过程不表现出任何其他的宏观迹象, 完全呈脆性破坏, 在球罐的失效破坏中占有重要地位。据统计, 应力腐蚀破坏占腐蚀破坏的42.2%极易造成重大损失。

2.1 应力腐蚀开裂的特征

(1) 拉伸应力的存在。其应力可以是外应力, 也可以是内应力, 其大小直接影响腐蚀开裂的历程, 存在一个界限应力的强度当应力满足这个临界条件时, 才会发生应力腐蚀开裂, 拉应力愈大, 发生应力腐蚀开裂的速率就快。 (2) 低应力的脆性断裂。发生应力腐蚀的断口一般都是沿晶开裂或穿晶开裂, 往往没有任何先兆。 (3) 应力腐蚀断裂时间。应力腐蚀断裂是一种延迟破坏, 其裂纹的扩展速度较之一般的腐蚀速度快得多, 它取决于本身材质、介质类型、浓度、温度和应力的大小, 应力腐蚀开裂速度可达10-6~10-3mm/min。 (4) 材质本身的影响与腐蚀介质的组合。材料本身的组织状态对应力腐蚀影响很大, 通常认为纯组份金属不发生应力腐蚀, 只有在一定介质组合下才会发生应力腐蚀, 稳定的组织对应力腐蚀敏感性较小。材料硬度也是发生应力腐蚀的重要因素, 硬度高则应力腐蚀敏感性大因此很多国家对球罐中存有H2S的腐蚀介质做出规定, 例如美国要求抗应力腐蚀的焊缝金属硬度≤HB200, 中国要求材料焊缝金属硬度≤HRC22[1]。

2.2 应力腐蚀的开裂机理

应力腐蚀开裂是局部腐蚀和应力共同作用下发生的物理化学过程, 具有一定的匹配性和选择性。金属材料在拉应力和腐蚀介质的共同作用下, 经过一定的时间后金属表面的氧化膜会受到侵蚀破坏, 形成微小蚀点, 相对未破坏点而言, 小蚀点就成为阳极, 阳极处的金属成为离子被溶解、腐蚀电流流向阴极使H+放电成为H2逸出。由于阴阳两极密度不同, 很快形成微小沟形裂纹或裂痕, 这些微小裂纹的尖端在拉应力的不断作用下和敏感介质的反复诱导下, 必然会使微小裂纹不断地扩展并形成新的阳极。随着阴阳两极周而复始地电解当裂纹扩大到一定临界值时必然会加速发展造成脆断。

2.3 应力腐蚀的预防措施

发生应力腐蚀的条件是材料、介质、拉应力的共同存在和相互作用, 因此应力腐蚀的预防措施也要从上述三个因素中寻找消除办法, 首先在选择材料上要选用那些应力腐蚀敏感性低的材料;二是要采用热处理工艺来降低材料发生应力腐蚀的敏感性, 如降低残余应力, 减小硬度等, 材料表面的硬度愈高发生应力腐蚀的临界应力值愈低, 残余拉应力愈大发生应力腐蚀的开裂愈易;三是通过加缓蚀剂或保护层采用阳极保护等措施, 来阻止介质参与应力腐蚀, 如喷丸处理等;四是严格控制腐蚀性介质的浓度。

3 球罐氢致裂纹的成因分析

3.1 焊接区氢的扩散逸出及来源

在1个大气压的氢气压力下, 氢在纯铁中的平衡溶解度, 400℃时约为0.3m L100g, 室温时约为0.0005m L/100g, 但钢材焊接区的氢含量在室温下却有数毫升~10m L/100g, 因此过剩的氢就以原子状态聚积在晶内缺陷或者以分子状氢存在于晶界上。在焊接区的冷却过程中氢从表面逸出的同时还向母材的热影响区扩散, 随着时间的推移氢的扩散情况则因焊条与母材组合的不同而有明显的差别。对低碳钢, 氢向母材扩散比较容易, 熔合区的氢含量随着时间的推移逐渐减少;对高碳钢, 热影响区内产生马氏体组织, 氢的扩散系统小, 氢母材扩散阻力大, 相对氢含量就少。

3.2 氢致裂纹的成因分析

钢的氢脆是氢致裂纹的主要成因, 当钢中含有饱和氢的情况下, 在常温状况就会发生裂纹、塑性降低或产生白点等问题。一般来说, 高强度钢焊接区的各种冷裂纹都是由于钢的氢脆性引起的, 并伴以不断的扩展。由于氢的扩散需要一定的时间, 因此发生氢致裂纹要经历一个时期, 显现出所谓延迟裂纹。

3.3 影响氢致裂纹的因素

(1) 熔合区的塑性影响。如果热影响区的粗晶段的塑性不足, 必然会产生根部裂纹。在氢脆的作用下, 塑性降低, 当硬度在某个临界值以上时就发生裂纹, 钢种不同, 硬度的临界值也不同。 (2) 扩散氢含量的影响。氢的扩散是焊接过程不可避免的一种现象, 由于在液体金属状况下, 氢扩散的阻力小, 溶解度高, 扩散氢含量增多就易产生裂纹。 (3) 拘束应力。对球罐而言, 拘束应力主要指残余应力, 它的来源一是强制组装的残余应力;二是焊接时因焊接区和母材区存在较大的温度梯度而变形产生的残余应力, 较大的残余应力多发生在组装的卡具点处, 焊接的熔合区及其热影响区, 多呈拉伸应力, 是直接导致氢致裂纹的主要因素。因此在球罐投用前都需做整体热处理, 其目的就是消除残余应力。

4 结语

(1) 裂纹成因的研究表明焊接残余应力过大和H2S的浓度超标是造成裂纹的根源, 也是导致球罐体质下降 (如氢的损伤和脆化) 的主要因素。硬度是一个重要的衡量指标。 (2) 整体热处理方法是消氢和降低残余应力的最有效措施之一, 也是改善球罐体质的有效途径, 热处理后的残余应力可以得到了较大程度的释放, 对改善球罐的可焊性也有一定的益处。

摘要：针对液化石油气球罐开罐检验中存在的大量裂纹, 通过分析应力腐蚀和氢致裂纹的产生机理查找球罐裂纹产生的原因, 提出采用整体热处理方法来达到消氢和降低残余应力的目的, 提高和改善球罐的内在体质, 并摸索出一套修复和防止液化石油气球罐产生裂纹的较为系统方法。

关键词：球罐,裂纹,应力腐蚀,氢致开裂

参考文献

混凝土裂纹成因分析 篇5

水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生, 对机组安全运行构成很大威胁, 也给电厂带来极大的经济损失, 因此, 分析裂纹产生原因, 并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查, 对及时处理缺陷, 消除事故隐患是十分必要的。

2 叶片裂纹主要成因分析

2.1 水力分析

混流式水轮机转轮叶片由上冠和下环固定。与转桨式水轮机不同, 桨叶无法根据水流工况的变化进行调节, 在非设计工况下运行时, 破坏了无撞击进口和法向出口的最优工作条件, 使水流环量大小和方向发生变化, 在转轮叶片出水边、尾水管内形成不稳定旋涡。当水流绕流叶片, 由出口边 (圆形出水边) 流出时, 便会在出口边产生卡门涡列, 旋涡交替出现形成对叶片侧向的交变力, 并形成有规则的周期性振动, 其振动频率与叶片出口边的厚度及流速有一定的关系, 当冲击频率与叶片自振频率相同便产生共振。涡列频翠可表达为:

式中W2为出口相对速度;δ2为出口边厚度。

当涡列频率与叶片自振频率相同产生强烈振动时, 容易造成叶片过度疲劳, 导致转轮叶片出现开裂、穿透性裂纹, 这是混流式水轮机固有的缺点, 目前尚不能完全消除。

2.2 应力分析

2.2.1 卡门涡列

疲劳裂纹主要由交变应力引起, 当叶片出水边卡门涡列频率与叶片自振频率耦合而引起共振, 应力急剧增加, 使叶片疲劳开裂。混流式转轮最大应力点一般发生在叶片出水边与上冠连接处, 不管静应力还是动应力都是此点最高;叶片出水边靠近下环处是另一个易于出现裂纹处。混流式叶片与上冠下环的焊接, 一般都属于T型接头焊接, 存在较大的应力集中, 如果过渡不圆滑, 应力集中更大。叶片裂纹几乎全部发生在应力集中区, 说明应力集中的危害是很大的。

2.2.2 尾水管脉动压力

混流式水轮机偏离设计工况下, 尾水管中有涡带产生, 涡带运动干扰水流而引起脉动压力, 这种脉动还可能因涡带空腔与水体共振而增强。尾水管压力脉动能以某种形态传递到转轮叶片上, 转轮流道内还可能作用着水流脱流造成的脉动压力, 并直接作用在叶片上。显然, 这些脉动压力将引起叶片的交变应力。有资料表明俄罗斯克拉斯诺雅尔斯克水电站水轮机转轮在非设计工况下, 动应力达最大静应力的15%。可见尾水管压力脉动能引起一定幅值的交变应力, 若这种激振频率与叶片或下环的固有频率耦合时, 必将诱发更大的动应力, 造成叶片开裂。

3 裂纹无损探伤检查

在大修时对转轮进行无损探伤检查, 及时处理缺陷, 消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现, 但较细小的缺陷和内部的缺陷必须用无损探伤检查。常用的无损检测方法有以下几种:磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。裂纹易于产生的应力集中部位, 如叶片进水边正面 (压力分布面) 靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等部位, 由于透照布置比较困难, 不能用射线透照法进行无损探伤。根据水轮机转轮叶片表面比较粗糙、结构复杂和厚度变化大的特点, 一般应采用渗透、磁粉、超声波和金属磁记忆的方法进行无损检测。

3.1 超声波检测

超声波探伤方法对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检出率较高, 适宜检验较大厚度的工件, 但是对于铸钢、奥氏体不锈钢材, 由于粗大晶粒的晶界会反射声波, 在屏幕上出现大量的“草状回波”, 容易与缺陷波混淆, 影响检测可靠性, 限制了超声波探伤方法在铸钢制水轮机转子叶片上无损检测的应用。探测频率越高, 杂波就越显著, 为了减小晶界反射波的影响, 我们采用了低频探头 (2.5MHz) 对铸钢转子进行超声波探伤, 发现反射信号以后再用高频探头 (5MHz) 进行定量, 实践证明这是可行的。铸钢件超声波探伤衰减很大, 探伤时只有满足以下条件才能检测, 则底波与林状回波至少应有30分贝差。

3.2 渗透探伤

渗透探伤方法简单易行, 显示直观, 适合于大型和不规则工件的检查和现场检修检查。但是, 渗透探伤方法是利用渗透能力强的彩色渗透液渗入到裂纹等缺陷的缝隙中, 再利用吸附能力强的白色显像剂, 将渗透液吸出来以显示缺陷的, 因此, 只能检查表面开口的缺陷。

3.3 磁粉探伤

磁粉探伤方法是利用工件磁化后, 在材料中的不连续部位 (包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性) , 磁力线会发生畸变, 部分磁力线有可能逸出材料表面形成漏磁场, 这时在工件上撒上磁粉, 漏磁场就会吸附磁粉, 形成与缺陷形状相近的磁粉堆积, 从而显示缺陷。因此, 磁粉探伤适用于铁磁材料探伤, 可以检出表面和近表面缺陷, 但是有些部位由于难以磁化而无法探伤。

综上所述, 为了保证水电机组的安全运行, 考虑到各种探伤的优点和局限性, 水轮机转子应进行如下检验:

a) 对叶片清理后进行宏观检查;

b) 对可以磁化的部位进行磁粉探伤, 不能磁化的部位进行渗透探伤, 近来金属磁记忆和涡流探伤技术日渐成熟, 也可以用来进行表面探伤;

c) 对叶片进水边正面 (压力分布面) 靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等应力集中部位和表面发现缺陷的部位进行超声波探伤。检验中发现的裂纹等危险性缺陷应进行处理。

4 裂纹处理

4.1 阻止裂纹延伸

通常裂纹的两端尾部内应力接近材料的极限强度, 在外力或热应力的影响下还会继续延伸。因此, 必须在裂纹两端打止裂孔, 孔径应不小于6mm, 裂纹清理过程中如发现纹路有新的的发展趋势应停止清理, 再追加止裂孔, 一般孔深应比裂纹深度大4~6mm。

4.2 裂纹清理及开坡口

裂纹铲除常用两种方法:风铲和炭弧气刨。风铲铲除裂纹所形成的坡口较规则, 易于保证焊接质量, 但劳动强度大, 速度慢, 铲头可根据裂纹深度的不同而选用, 坡口要求规则平滑并用30%的硫酸或硝酸酒精清洗;炭弧气刨可对较深的裂纹进行多次吹割, 这种方法操作简便, 速度快, 但坡口内往往有渗碳层, 要用异型砂轮磨削。为了防止过热引起变形和裂纹扩展, 炭弧气刨必须间断使用。坡口的形式应遵守焊接工艺的一般要求, 主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定。裂纹清除后应进行着色探伤以确认裂纹是否全部清除干净。

4.3 补焊工艺

叶片补焊可采用两种方法, 一是同种材料热焊, 这种方法工艺较复杂, 要进行焊前预热和焊后热处理, 焊接条件较恶劣, 但是由于补焊焊缝的填充材料和被补焊母材基本一致, 因此, 在使用过程中出现问题的可能性较小;另一种是奥氏体焊条进行冷焊。冷补焊工艺简单, 生产周期短。冷补焊焊接过程中不发生相变, 且焊缝的塑性较好。因此, 该方案可不预热, 简化了补焊工艺, 避免了铸钢件受到大的热作用, 从而减小了被焊件的应力和变形。奥氏体焊条冷焊工艺简单, 但是补焊金属强度低于母材, 且由于不预热冷焊, 近缝区的冷却速度较大, 不可避免在补焊的近缝区产生淬硬组织, 给补焊接头的性能带来不利影响。

4.3.1 冷焊工艺

裂纹确认清除干净、开坡口后, 按下列顺序进行补焊:

a) 对补焊区域进行预热, 预热温度为100~150℃, 对挖补区域可采用局部加热, 可用履带加热器进行加热, 若无履带加热器, 也可用乙炔焰在坡口处来回移动加热。

b) 用A.307焊条进行补焊, 每焊一层, 用小风铲锤击一遍, 以减少焊接残余应力, 最后一层不锤击, 若已裂穿, 第一层也不要锤击。焊前焊条要经过200~300℃的温度烘焙l~2 h。

c) 焊接采用小规范, 电流为100~ll0A, 电压为24~26v, 层间温度控制在150~20℃。

d) 焊后要用石棉盖好, 缓冷处理。

e) 用砂轮机将焊接部位修平, 再用无损探伤方法检查, 确保无裂纹等缺陷存在。

f) 将补焊部位磨光, 修磨时应注意, 若补焊部位在转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角部位, 应将R角修整到符合设计要求, 达到原叶片表面型线和表面光洁度, 以免引起应力集中, 再次开裂。

4.3.2 热焊工艺

热焊时采用与叶片材料相同或接近的焊条, 焊补部位的性能比异种钢焊接要好, 但是工艺比较复杂, 施焊条件恶劣, 工艺如下:a) 叶片预热温度150~200℃, 以减少补焊区的应力集中及改善焊缝的金相组织。b) 用与叶片材料相同或接近的焊条进行焊接, 电流为130~140A, 电压为24~26V, 层间温度控制在150~200℃。每焊一层, 用小风铲锤击一遍, 以减少焊接残余应力, 最后一层不锤击, 若已裂穿, 第一层也不要锤击, 以改善焊接内应力。c) 焊后缓冷至150~200℃, 加热到600℃, 保温2h进行回火处理。

焊后的打磨处理和无损探伤检查与冷焊方法相同。

5 结语

从上述分析可知, 水轮机叶片裂纹一般情况下主要是疲劳裂纹, 是由于叶片承受的应力超过材料的极限所致。裂纹的产生与设计、制造、运行和材料等因素有关。减少裂纹产生的对策应从减少叶片承受的应力和改善材料的性能综合考虑, 不应片面强调其中的一种因素, 这样才能达到预期目的。

摘要：根据混流式水轮机结构特点, 对水轮机转轮叶片裂纹成因及对策进行分析, 供大家参考。

关键词：混流式水轮机,叶片裂纹

参考文献

混凝土裂纹成因分析 篇6

1 450斜裂缝

分布状况:

450斜裂缝绝大部份分布于框架柱之间的轻质填充墙中部。从平面图来看其裂缝走向为从左上到右下或从右上到左下。通过剥开外抹灰观察, 发现其内部墙体已经开裂, 即加气砼填充墙被拉裂。

裂缝原因分析:

1.1 结构的不完善性所引起

建筑结构体系大多为框架结构。在进行结构设计计算中是将非承重填充墙、内隔断、玻璃幕墙视为与结构主体存在充分的间隙或是柔性支承。也就是说在进行结构抗水平荷载计算中, 认为水平力全部由框架承担。非承重填充墙、内隔断、玻璃幕墙等不参与结构主体进行抗水平力, 其实质是框架在水平力作用下产生水平侧移时, 框架与内部填充墙有充分的间隙不与内部填充墙相接触。这样的假定与实际情况完全不相符。施工时考虑到墙体稳定性和房屋的使用功能, 不可能使内部墙体与框架主体之间有充分的间隙。由材料的性质决定, 框架主体与内部填充墙之间的接触也不可能为柔性支承。因此当结构在地震荷载或风荷载作用下产生水平位移时, 框架主体的水平荷载将有一部分再分配到内部填充墙内。实际上砌体墙在平面内刚度很大, 与同条件下没有砌体墙的柔性框架相比, 框架填充墙中, 墙体对框架刚度能够起到相当大的增强作用, 而且支撑也很坚韧, 正是在这种内填充墙对框架整体刚度墙的有利作用下, 导致内填充墙体将承受很大一部份的水平力。

砌体墙一方面, 通过其平面内的抗剪能力, 另一方面由于其受力性能类似于框架中的斜压杆, 所以能够对框架起到支撑作用。

从框架在水平力作用下的变形特性不难看出, 由于梁和柱产生双曲率弯曲, 各层柱的上部水平位移以及框架主对角支撑的缩短使柱与墙贴紧, 而使墙在对角方向受压。从受力的方式来看框架填充的墙体可能会发生以下三种不同的破坏形态 (1) 剪切破坏; (2) 斜拉破坏; (3) 局部承压破坏。

(1) 剪切破坏;由于砌体墙缝中的水平剪应力作用, 裂缝沿水平缝产生并突然向下逐层延伸, 形成阶梯形裂缝。也可能沿水平缝产生水平裂缝。

(2) 斜拉坡坏:在垂直于墙体主对角线的拉应力作用下, 墙体斜裂缝沿着与主对角线平行的一条或多条线发展并贯穿墙体, 此垂直拉应力与主压应力轨迹线相垂直, 在墙中间区域附近扩撒, 并向外发展, 因为中间的拉力最大。

(3) 局部承压破坏:由于斜压墙体在端角与主体接触较小, 导致局部压应力过大, 而使墙体在墙角处被框架主体压碎。

当框架在水平荷载作用下, 产生水平侧移导致水平力再分配到内填充墙时, 如果墙所承担的水平力达到一定程度时, 墙体将会在三种坡坏形态的最薄弱部位被破坏引起墙体开裂, 从现场实际情况来看, 墙体的开裂一般都是45斜裂缝。并有少量的纵向阶梯性

水平缝, 这就说明墙体中部的抗拉能力最差, 为最薄弱部位。

框架结构在水平荷载作用下的变形由两部份组成;总体剪切变形和总体弯曲变形, 总体剪切变形由梁柱弯曲变形所导致的框架变形。由于层间剪力一般越靠下层越大, 所以由梁柱弯曲变形所导致的框架层间侧移具有越靠下层越大的特点。因H/B<4, 故总体弯曲变形的影响相对于总体剪切变形很小, 可不考虑, 由总体剪切变形的影响所决定的层间位移, 必然是越靠下层越大, 并且总体剪切变形是由梁、柱弯曲变形导致的, 故梁柱的弯曲变形有越靠下层越大的特点。从我们前面的分析来看, 墙体的开裂是由于结构主体与墙体内接触紧密和层间位移, 使得水平力再分配到墙体上, 从而引起墙体开裂。因此我们可以认为框架结构的填充墙的受力将会是越靠下层越大的特点, 当然也可能会由于施工质量的不均衡性和其它多种因素作用下, 会存在上部某一层或多层的墙体内力大于下部墙体的内力, 但从总的分布规律来看是越靠下层越大的特性。因此框架填充墙的开裂将会是越靠下层, 开裂的可能性会越大。这正好与实际统计的裂缝分布状况相吻合。

在进行框架结构层间水平位移计算时, 认为梁板的刚度为无限大。各柱在水平力作用下, 同层柱的水平位移相等。从此理论出发和前面的填充墙受力分析, 我们可以认为在一榀框架的同层各跨间内填充墙发生开裂概率应是相同的。但从裂缝分布规律来看, 墙体450斜裂缝主要分布于框架的边跨内, 而中跨内几乎没有内墙开裂, 且框架左边跨内的斜裂缝走向为从左上到右下, 框架右边边跨内的450斜裂缝走向全为从右上到左下, 产生这种情况的原因, 是由于实际参与工作的框架的受力变形远比理想的框架受力变形复杂得多。其中最主要困素可能有以下三点 (1) 柱端转角不相等; (2) 温度效应; (3) 梁板并非无限刚性;

(1) 柱端转角不相等:柱端的转角是由梁板的刚性所决定的, 梁板刚度越大, 柱端转角就越小, 相反梁板刚度越小, 则柱端转角越大。从结构上看, 很明显梁板对边柱的约束作用要比梁板对中柱的约束作用小得多。因为边柱只在一边有梁板, 而中柱却两边都有梁板对它进行约束, 而梁板尺寸却大约相同, 故梁板对边柱的约束作用小于梁板对中柱的约束作用。因此, 边柱的柱端转角就肯定大于中柱的柱端转角。从我们前面的分析来看, 转角越大, 结构主体与内填充墙的接触越紧密, 其墙体所承担的水平荷载就越大, 就越易开裂。

(2) 温度效应;当框架与墙体在受到太阳的直接照射下, 将吸收很大一部份辐射能, 温度的升高量很大, 由于温度的升高从而导致框架薄壁柱和内部填充墙的膨胀变形。其中墙体的温度应变很大。这样就使得结构主体与内部墙体, 可能在没有受到水平荷载时便接触充分, 还有可能产生很大温度内应力。当框架在水平荷载作用下产生变形, 此时只要框架一旦产生侧移, 则水平力便有一部份再分配到填充墙上, 此时墙体很易受力开裂。从本工程结构位置上来看, 开裂部位是在框架边跨内, 此边跨正好在梯井边。框架朝向也正好东西向, 此处最容易受到太阳的直接辐射, 其温度的升高量将远大于框架中跨温度的升高量, 其应变量也将大于中跨的应变, 因此在此边跨的墙体与结构主体接触的紧密度将大于中跨墙体与结构主体接触的紧密度。从此意义上, 我们可以看出结构的东西向框架, 其边跨内墙开裂的概率将大于其中部填充墙体的开裂。

(3) 梁、板并非是无限刚性;当框架在受到水平荷载时, 梁将受到轴向压力并传递柱与柱之间的水平力, 以使各柱共同受力工作。梁板在轴间压力作用下必然会产生轴向变形, 在梁板轴向变形的影响下, 柱的水平位移将产生差异。远离水平荷载的柱位移量小, 受水平力作用的柱位移量最大。

因此框架内填充墙的开裂, 在偏水平力方向的边框中产生的可能性最大。这正好与实际的开裂方式, 开裂走向部位和开裂部位相同。

1.2 框架自身受力不均匀导致变形或主框架部分不均匀沉降,

对墙体产生剪切或弯矩作用, 且主框架内填充隔墙整体刚度差, 对剪切或弯矩抵抗力较差, 从而无法有效抵抗不均匀沉降或框架受力不均造成的变形, 进而出现裂缝。

1.3 施工中框架结构由于荷载不断增加而产生的变形未充分考

虑, 尤其是施工中, 填充墙施工前、施工后, 框架结构荷载变动大, 会出现某种程度应力集中, 且若填充墙未充分收缩, 框架变形未稳定, 就开始粉刷, 势必会造成裂缝。

1.4 施工质量未控制好, 使填充墙砌筑强度低, 使其无法抵抗框架变形, 进而产生内部拉应力, 出现裂缝。

1.5 框架内隔墙的宽厚比一般过大, 整体抗剪、抗弯能力差, 容易产生破坏。

2 窗台八字形裂纹

分布状况:窗台八字裂的分布比较散乱。

裂缝原因分析:

2.1 结构设计不完全的因素:

通过剥开外已开裂的窗台八子裂抹灰层观察, 轻质隔墙内部已经开裂, 这说明窗台八字裂的导致因素很可能是由于结构因素影响而造成的。窗洞口的砌体墙受力与前面分析的填充墙的受力形式基本相同。但由于有窗洞存在, 使墙体在洞处的截面产生突变, 在这种截面突变的影响下, 将会在窗口的四个角产生相当大的应力集中。因此有窗洞的填充墙, 在水平荷载用下其薄弱的部位就很可能在窗台的角部, 故在此处很容易受拉产生450斜裂缝, 也就是窗台八字裂。窗台上所加钢筋只起一个抗震的作用其目的是防止窗台墙体在地震作用下被抛出, 对防止洞口的开裂无多大作用。

2.2 窗台下斜裂缝主要出现的底层, 其形成重要原因是也有可能是地基不均匀沉降。

2.3 有些窗台下斜裂缝是由于现浇混凝土楼面与墙体连接处,

因温度升高引起楼面伸长对墙体产生水平推力, 且框架自身变形, 使填充墙产生内应力, 进而在门窗洞口处, 平面转折处等出现应力集中, 从而出现裂缝。

3 界面裂纹

分布状况:界面裂在楼层上呈散乱而无规律分布

有界面裂的部位其裂缝为上下贯通, 从剥开外抹灰观察情况来看, 发现界面处的填充墙与结构主体的界面上并未开裂。开裂只是表面抹灰开裂, 表面抹灰开裂又很特别, 其裂缝只伸入到钢丝网表面, 而钢丝网内表面抹灰却没有开裂。

裂缝原因分析:

在界面处的裂缝, 其内部填充墙与结构主体的界面上并未开裂, 这说明界面裂与结构的影响因素不大, 施工因素的可能性较大, 不难想象, 当结构在水平荷载作用下产生侧移时, 其结构主体在界面上对墙体施加的力为压应力。

从现场统计的裂缝形式上看, 裂缝是在拉应力作用下产生的, 因此结构在水平荷载作用下反而会对界面开裂起到阻止作用。从我们打开现有的界面来看, 发生界面裂的部位要么没有钢丝网, 要么就是钢丝距内表面过近。经打开无界裂的部位观察, 其钢丝网距离表面一般都为抹灰总厚的1/3~1/2。为什么钢丝网贴在此处界面就不会开裂, 下面让我们进行一下受力分析就很明显了。

一方面在界面处, 由于两种材料的吸水性不同, 使得抹灰在两种不同界质表面产生不同的收缩;另一方面就是两种不同性质的材料产生两种不同的温度收缩。这都会引起抹灰层在界面处产生拉应力。由于材料吸水性不同, 使抹灰层在界面处产生的拉应力均匀分布, 由于墙体与砼产生收缩所引起的拉应力是通过抹灰层内表面与内部墙体的粘结剪应力所传递的。

因此两力的合力作用点就肯定是在的抹灰层的中部偏内表面。此时界面处的抹灰层在拉应力作用下一旦开裂, 则此拉应力将全部由钢丝网所承担。如将钢丝网贴得过于偏内表面, 由于拉应力的合力作用点在中部内表面。此时在断面处将生产一个负加弯矩, 在负加弯矩作用下, 其截面将产生变形, 其外表面的开裂, 将明显大于内表面的开裂。此时内表面的开裂将很微弱, 肉眼很难发现。

如果我们排除由于墙体收缩产生的拉应力。此时由于墙体与抹灰层的粘结, 其内表面将产生一粘结剪应力, 以阻止内表面的开裂, 在此种情况下, 界面处的开裂将由外表面发生。并迅速向内发展, 当发展到钢丝网时, 钢丝网将产生一个突变应力增量以承受钢丝网外表面抹灰层的拉应力, 此时钢丝网足以承担此拉应力, 它一般都不会达到屈服, 此时钢丝网内表面抹灰则不会开裂。其实际观察情况也是如此。从以上分析来看钢丝网应贴在合力作用线上;此时即使界面开裂, 其裂缝也很微弱, 用肉眼一般难以发现。从剥开无裂缝界面观察的情况来看, 其钢丝网一般都距内表面为抹灰总厚的1/3~1/2。因此, 钢丝网应贴在距内表面为抹为总厚的1/3~1/2处才能减少界面裂的产生。

4 窗台收缩裂

分布状况:窗台收缩裂的分布很散乱。

产生原因分析:主要为温度变化引起收缩裂纹。