大型液化石油气储罐焊接残余应力测试研究

 250m³液化石油气罐是较大型的卧式储罐，其制造工艺要求高。由于受厂家退火炉长度的限制，250m³储罐无法进行整体退火工艺，故采用分筒节退火，再对组装环焊缝进行局部退火处理，以消除组装焊缝的残余应力。本文采用盲孔法对环焊缝进行退火前后焊接残余应力测试，分析局部退火工艺效果。

残余应力测试原理及应用仪器

采用盲孔法测试焊缝残余应力，就是在有残余应力的部位钻一个小孔，因小孔附近的残余应力被释放，孔区附近的残余应力场发生变化，只要测出该局部区域的应变变化量，即可计算出钻孔处释放前的残余应力值。

仪器采用南京聚航科技有限公司的JHMK多点残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成。在软件进行设置后，自动实时计算残余应力，并实时显示和保存应力应变数值，测量结果直观明了。

测点的选择：由于只有一条组装环焊缝，焊缝两面焊成型，故在罐体内壁及外壁焊缝上对应并对称各分布四个测点。

测量结果分析

从表1可以看出，环向残余应力退火前后均大于轴向残余应力，测量结果符合焊接残余应力的基本规律：最大残余应力方向与焊缝长度方向一致，且为拉应力；垂直焊缝方向的残余应力远小于平行焊缝方向的残余应力，因此测试数据是合理的。

 

从表1所列的环焊缝退火前后的实测值变化情况可看出:

1. 退火前，外壁面第8点残余应力值最大，达504MPa，退火后，其值约316MPa。减少了188MPa，降低幅度为37%；外壁面第5点是退火降低残余应力幅度最大的，由501MPa降低到202MPa，减少了299MPa，降低幅度达60%。

2. 除外壁面第3点外，环向残余应力退火后消除率为31.9%-59.5%；

3. 轴向残余应力基本上没有消除，外壁面环焊缝轴向残余应力在退火前为较小的压应力，经退火后变为较大的压应力。

4. 退火前组装环向焊接残余应力大部分在31-500MPa之间，明显高于罐体其他环焊缝186-343MPa的残余应力值。

将表1的残余应力值在退火前后的对比用图1表示，取消退火后无法正常测量的第二点，1、3、4为内壁测量点，5、6、7、8为外壁测量点，测量点分界线与残余应力分界线将图1分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个区域。

图1 组装环焊缝残余应力在退火前后的对比

 

从图1可以看出；高残余应力区出现I区，原因之一是环焊缝内壁焊缝坡口比外壁坡口小的多，而且外壁焊缝冷却速度比内壁快。其退火降低残余应力效果非常明显，降幅在37%-60%之间，平均降幅达50%。

轴向残余应力值在退火后增大，最大增幅可达170MPa，该残余应力不是最大残余应力，可能对焊缝抗疲劳、抗应力腐蚀有利。

组装环焊缝的残余应力高于其他环焊缝，主要是因为采用强制对接，两个筒节强行对中后进行焊接，而且筒体内壁面只能手工焊接。

结论

由以上数据表明，盲孔法可用于液化石油气储罐组装环焊缝的残余应力测试中，所测结果符合焊接残余应力的基本规律，测试数据合理。高残余应力区出现在外壁面环向方向上，其退火后残余应力降幅在37%-60%之间，最大减幅达299MPa，平均降幅50%；退火后内壁面环向平均残余应力减少27%。整个环焊缝局部退火工艺可消除30%-60%的环向残余应力应力值，其效果非常明显，达到了消除焊接残余应力的要求，储罐两筒节的组队滑焊缝，残余应力值比罐体其它环焊缝的残余应力值要大，应注意改善焊接组对的工艺方法。