焊接结构设计指南在钢焊管节点疲劳寿命预测中的应用，第一部分：单通道恒定和变幅载荷

《Welding in the World》：Application of weldment design guidelines to fatigue life prediction of steel welded tubular joints, part I: single-channel constant and variable amplitude loading

　　

大多数基于设计指南的研究集中在单轴恒定幅值（Constant Amplitude, CA）载荷条件下焊接接头的寿命预测，而剪切和变幅（Variable Amplitude, VA）载荷情况较少受到重视。此外，寿命预测程序主要应用于完全焊透的焊接结构（weldments），关于部分焊透焊接接头的信息有限。在本两部分出版物中的第一部分，研究人员回顾了英国标准（British Standard, BS）7608、国际焊接学会（International Institute of Welding, IIW）和欧洲规范3（Eurocode 3, EC3）等流行设计指南，并将其应用于钢焊管节点在单通道轴向载荷和扭转以及恒定和变幅载荷条件下的疲劳寿命预测。基于这些指南的多通道轴向和扭转载荷情况的分析将在第二部分中介绍。焊接接头具有起弧/收弧和部分焊透特征。完全焊透焊缝的标准疲劳等级对部分焊透管状焊接接头产生了合理的精度，且IIW比EC3和BS-7608给出了更准确的寿命估计。基于三种指南的VA估计在2倍因子内准确，而剪切寿命估计更为保守，大多在5倍因子内。根据EC3的VA估计不太保守，因为其使用了单位损伤累积值，而其他指南使用0.5。三种指南在VA寿命估计上的差异归因于分析建议的损伤累积值的变化以及在高周疲劳（High-Cycle Fatigue, HCF）范围内CA设计曲线向VA应用的扩展。

**论文解读：焊接结构设计指南在钢焊管节点疲劳寿命预测中的应用**

**研究背景与问题**

焊接是制造过程中连接部件的主要方法，然而在服役载荷波动下，循环损伤约占焊接结构所有机械失效的90%。因此，焊接接头的疲劳与失效评估是确保可靠性能的设计关键步骤。影响焊接接头疲劳行为的因素可分为内在变量（如焊缝几何特征、焊接残余应力、缺陷和材料不均匀性）和外在变量（如载荷条件和服役环境）。由于涉及众多因素，权威机构提供了多种设计指南以简化和标准化疲劳评估，如英国标准（British Standard, BS）7608、国际焊接学会（International Institute of Welding, IIW）和欧洲规范3（Eurocode 3, EC3）。这些指南基于安全寿命设计策略，提供预定义的应力-寿命（S-N）曲线（即疲劳等级），适用于高周疲劳（High-Cycle Fatigue, HCF）工况。然而，现有研究大多集中在单轴恒定幅值（Constant Amplitude, CA）载荷条件下，对剪切和变幅（Variable Amplitude, VA）载荷的研究不足；且寿命预测程序主要应用于完全焊透的焊接结构，关于部分焊透焊接接头的信息非常有限。部分焊透接头虽然具有更高的制造效率，但常被分配较低的疲劳等级，尤其是当无损检测（Nondestructive Testing, NDT）不可行时。因此，有必要系统地评估现有设计指南在部分焊透和VA载荷条件下的适用性。

**研究内容与结论**

本研究发表于《Welding in the World》，是两篇系列论文的第一部分。研究人员回顾了BS-7608、IIW和EC3三种设计指南，并基于名义应力方法，将其应用于钢焊管节点在单通道轴向和扭转（含剪切分量）CA和VA载荷下的疲劳寿命预测。实验数据集来自作者先前生成的研究（参考文献[10]），包括具有起弧/收弧点、50%部分焊透的对接V形坡口钢管焊接接头，以及部分完全焊透、退火和打磨处理的试样。疲劳试验涵盖CA和VA轴向、扭转以及扭转叠加静态拉伸条件。研究得出主要结论：完全焊透焊缝的标准疲劳等级对部分焊透管状焊接接头具有合理精度，其中IIW的寿命估计比EC3和BS-7608更准确；VA寿命预测均在2倍因子内，而剪切寿命预测更为保守（大多在5倍因子内）；EC3因使用单位损伤累积值（Damage Sum Value, D_Cr = 1）导致VA预测保守性较低，而其他指南推荐D_Cr = 0.5；三种指南VA预测差异源于建议的损伤累积值不同以及CA设计曲线在HCF范围内的扩展方式。

**关键技术方法**

研究采用名义应力法进行疲劳寿命预测。首先，根据焊接接头几何特征与指南中记录的细节类型进行比对，选择相应的疲劳等级（BS-7608：轴向Class D、剪切Class S2；IIW：轴向FAT71（经平均应力修正后FAT71或FAT112）、剪切FAT80；EC3：轴向细节类别71、剪切类别80）。对于CA载荷，直接应用S-N曲线评估；对于VA载荷，采用雨流计数法（Rainflow cycle-counting）提取载荷谱，并利用线性损伤法则（Linear Damage Rule, LDR）进行损伤累积，损伤累积值（D_Cr）分别为BS-7608和IIW取0.5，EC3取1。IIW还提供了将VA应力谱转换为等效CA应力范围的公式（式3和4）。实验数据来源于作者已有的焊接管节点疲劳试验，包括不同载荷类型（纯轴向、纯扭转、扭转加静拉伸）和不同焊接状态（部分焊透、完全焊透、退火、打磨）。

**研究结果**

**3.1 英国标准7608（British Standard 7608）**
BS-7608推荐焊接接头类型6.5（部分焊透）对应轴向Class D。疲劳数据表明，标准Class D（d=2）对部分焊透及退火试件的轴向CA预测良好，大多位于3倍安全因子内；对轴向平均应力试验，非保守倾向在5倍因子内。对于打磨完全焊透接头，推荐类型6.4的Class C，或对未改进接头按磨削修正（斜率从3改为3.5，107次循环处提高50%），预测均与实验数据保守吻合于3倍因子内。剪切载荷下，标准Class S2严重低估纯扭转寿命（超过一个数量级），但中值曲线与实验更好相关；对于扭转加静拉伸情况，标准曲线预测在5倍因子内。VA分析采用Class D和S2，雨流计数与D_Cr=0.5，预测精度与CA相似。

**3.2 国际焊接学会（IIW）推荐**
IIW推荐FAT71（适用NDT可行时）用于部分焊透焊接接头。轴向CA数据（含平均应力）与FAT71曲线吻合于3倍因子内。对完全反向（R=-1）加载，将增强因子f(R)=1.3（退火时1.6）应用于FAT71，预测保守；打磨接头采用FAT112且f(R)=1.6，在低周疲劳（Low-Cycle Fatigue, LCF）区域过高估计约5倍，长寿命区精度提升。剪切FAT80对纯扭转过度保守，对扭转加静拉伸预测较好（5倍因子内）。VA预测采用雨流计数与D_Cr=0.5，且等效CA公式（式3、4）与直接损伤累积结果精度相似。

**3.3 欧洲规范3（Eurocode 3）**
EC3指定轴向细节类别71用于部分焊透接头，无打磨接头推荐。退火试件的平均应力效应通过有效应力范围（拉伸部分加60%压缩部分）考虑，预测保守。剪切类别80用于扭转，对纯扭转保守，对扭转加静拉伸在5倍因子内。VA分析采用细节71和80，雨流计数与D_Cr=1。由于D_Cr单位值，其VA预测比其他指南保守性低，但轴向VA预测与IIW接近，因设计曲线延伸方式不同补偿了D_Cr差异。

**讨论**
标准轴向疲劳曲线（至少95%存活率）对部分焊透接头给出了合理精度，因为曲线的过度保守性有效补偿了焊根缺陷。剪切标准曲线对纯扭转过于保守，但对含高应力比（R）的扭转加静拉伸数据良好，因曲线本身已考虑高R效应。IIW指南在预测精度上最优，BS-7608最保守。EC3因D_Cr=1使VA预测保守性较低。三种指南的VA预测差异主要源于建议的损伤累积值以及CA曲线向HCF区域VA应用的延伸方式。

**结论**
1. IIW和EC3在疲劳等级命名、安全系数引入和VA分析上类似，并可考虑平均应力效应；IIW和BS-7608考虑加工和对中影响，并建议在LCF区域受母材曲线限制；EC3使用单位损伤累积值，IIW和BS-7608使用0.5；BS-7608提供不同可靠度的设计曲线，灵活性更高。
2. 完全焊透焊缝的标准设计曲线（≥95%存活率）对部分焊透焊接接头寿命估计具有合理精度，因曲线的过度保守性补偿了部分焊透引起的焊根缺陷。
3. 总体而言，IIW在预测部分焊透接头寿命时精度最高，EC3最保守。对于打磨焊接接头，BS-7608轴向预测优于IIW，而EC3无相关推荐。
4. 剪切疲劳等级与扭转加静拉伸实验数据相关性更好，因高R效应已内置于设计曲线；纯扭转条件下推荐使用BS-7608的剪切中值曲线。
5. 所有指南的轴向VA预测均在2倍因子内准确，剪切VA预测保守（大多在5倍因子内）。EC3因使用单位损伤累积值而保守性较低，VA预测差异归因于损伤累积值和CA曲线在HCF区域VA应用的扩展方式。