250m3液化石油氣罐是較大型的臥式儲罐，其制造工藝要求高。由于受廠家退火爐長度的限制，250m3儲罐無法進(jìn)行整體退火工藝，故采用分筒節(jié)退火，再對組裝環(huán)焊縫進(jìn)行局部退火處理，以消除組裝焊縫的殘余應(yīng)力。本文采用盲孔法對環(huán)焊縫進(jìn)行退火前后焊接殘余應(yīng)力測試，分析局部退火工藝效果。
殘余應(yīng)力測試原理及應(yīng)用儀器
采用盲孔法測試焊縫殘余應(yīng)力，就是在有殘余應(yīng)力的部位鉆一個小孔，因小孔附近的殘余應(yīng)力被釋放，孔區(qū)附近的殘余應(yīng)力場發(fā)生變化，只要測出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量，即可計(jì)算出鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值。
儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK多點(diǎn)殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。在軟件進(jìn)行設(shè)置后，自動實(shí)時計(jì)算殘余應(yīng)力，并實(shí)時顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，測量結(jié)果直觀明了。
測點(diǎn)的選擇：由于只有一條組裝環(huán)焊縫，焊縫兩面焊成型，故在罐體內(nèi)壁及外壁焊縫上對應(yīng)并對稱各分布四個測點(diǎn)。
測量結(jié)果分析
從表1可以看出，環(huán)向殘余應(yīng)力退火前后均大于軸向殘余應(yīng)力，測量結(jié)果符合焊接殘余應(yīng)力的基本規(guī)律：最大殘余應(yīng)力方向與焊縫長度方向一致，且為拉應(yīng)力；垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)小于平行焊縫方向的殘余應(yīng)力，因此測試數(shù)據(jù)是合理的。
測點(diǎn) | 退火前 | 退火后 | 消除率 | ||||
釋放應(yīng)變 | 殘余應(yīng)力 | 釋放應(yīng)變 | 殘余應(yīng)力 | ||||
內(nèi)壁面 | 1 | 軸向 | 85 | -13 | -24 | 114 | 增加 |
環(huán)向 | -220 | 370 | -96 | 204 | 44.9 | ||
2 | 軸向 | 16 | 14 | / | / | / | |
環(huán)向 | -65 | 116 | / | / | / | ||
3 | 軸向 | 36 | 52 | -12 | 140 | 增加 | |
環(huán)向 | -176 | 319 | -168 | 336 | 未消除 | ||
4 | 軸向 | 18 | 121 | -11 | 123 | 未消除 | |
環(huán)向 | -225 | 427 | 145 | 291 | 31.9 | ||
外壁面 | 5 | 軸向 | 110 | -9 | 120 | -133 | 增加 |
環(huán)向 | -296 | 501 | -146 | 202 | 59.8 | ||
6 | 軸向 | 110 | -56 | 94 | -97 | 未消除 | |
環(huán)向 | -228 | 367 | -125 | 179 | 51.5 | ||
7 | 軸向 | 88 | -1 | 103 | -101 | 增加 | |
環(huán)向 | -245 | 417 | -143 | 214 | 50.2 | ||
8 | 軸向 | 100 | -9 | 162 | -163 | 增加 | |
環(huán)向 | -294 | 504 | -220 | 316 | 37.2 | ||
從表1所列的環(huán)焊縫退火前后的實(shí)測值變化情況可看出:
1. 退火前，外壁面第8點(diǎn)殘余應(yīng)力值最大，達(dá)504MPa，退火后，其值約316MPa。減少了188MPa，降低幅度為37%；外壁面第5點(diǎn)是退火降低殘余應(yīng)力幅度最大的，由501MPa降低到202MPa，減少了299MPa，降低幅度達(dá)60%。
2. 除外壁面第3點(diǎn)外，環(huán)向殘余應(yīng)力退火后消除率為31.9%-59.5%；
3. 軸向殘余應(yīng)力基本上沒有消除，外壁面環(huán)焊縫軸向殘余應(yīng)力在退火前為較小的壓應(yīng)力，經(jīng)退火后變?yōu)檩^大的壓應(yīng)力。
4. 退火前組裝環(huán)向焊接殘余應(yīng)力大部分在31-500MPa之間，明顯高于罐體其他環(huán)焊縫186-343MPa的殘余應(yīng)力值。
將表1的殘余應(yīng)力值在退火前后的對比用圖1表示，取消退火后無法正常測量的第二點(diǎn)，1、3、4為內(nèi)壁測量點(diǎn)，5、6、7、8為外壁測量點(diǎn)，測量點(diǎn)分界線與殘余應(yīng)力分界線將圖1分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個區(qū)域。
圖1 組裝環(huán)焊縫殘余應(yīng)力在退火前后的對比
從圖1可以看出；高殘余應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)I區(qū)，原因之一是環(huán)焊縫內(nèi)壁焊縫坡口比外壁坡口小的多，而且外壁焊縫冷卻速度比內(nèi)壁快。其退火降低殘余應(yīng)力效果非常明顯，降幅在37%-60%之間，平均降幅達(dá)50%。
軸向殘余應(yīng)力值在退火后增大，最大增幅可達(dá)170MPa，該殘余應(yīng)力不是最大殘余應(yīng)力，可能對焊縫抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕有利。
組裝環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力高于其他環(huán)焊縫，主要是因?yàn)椴捎脧?qiáng)制對接，兩個筒節(jié)強(qiáng)行對中后進(jìn)行焊接，而且筒體內(nèi)壁面只能手工焊接。
結(jié)論
由以上數(shù)據(jù)表明，盲孔法可用于液化石油氣儲罐組裝環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力測試中，所測結(jié)果符合焊接殘余應(yīng)力的基本規(guī)律，測試數(shù)據(jù)合理。高殘余應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在外壁面環(huán)向方向上，其退火后殘余應(yīng)力降幅在37%-60%之間，最大減幅達(dá)299MPa，平均降幅50%；退火后內(nèi)壁面環(huán)向平均殘余應(yīng)力減少27%。整個環(huán)焊縫局部退火工藝可消除30%-60%的環(huán)向殘余應(yīng)力應(yīng)力值，其效果非常明顯，達(dá)到了消除焊接殘余應(yīng)力的要求，儲罐兩筒節(jié)的組隊(duì)滑焊縫，殘余應(yīng)力值比罐體其它環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力值要大，應(yīng)注意改善焊接組對的工藝方法。
