某供水工程在輸水線路上設(shè)置兩座配水站，站內(nèi)有七件大型鋼制管件。管件在加工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力一定程度上會(huì)降低構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度、疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，也會(huì)由于殘余應(yīng)力的松弛產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響尺寸精度和使用壽命。為保證管件的結(jié)構(gòu)精度和運(yùn)行安全，了解構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力值，掌握殘余應(yīng)力分布情況就變得尤為重要。
殘余應(yīng)力測(cè)試方法
目前工程上應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測(cè)試方法是盲孔法，就是在被測(cè)點(diǎn)上鉆一小孔，使被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變片測(cè)得釋放的應(yīng)變量，然后根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力。這種方法殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果精度較高。因此，該工程采用盲孔法，對(duì)三通、四通、三岔管焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。
殘余應(yīng)力檢測(cè)儀器介紹
儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力精密鉆孔裝置組成。儀器軟件操作，自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，并實(shí)時(shí)顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，精度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。應(yīng)變片采用三軸應(yīng)變片，可同時(shí)檢測(cè)0°、45°、90°等三個(gè)方向的應(yīng)力數(shù)據(jù)。
管件上應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置
為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，真實(shí)反應(yīng)應(yīng)力分布情況，在大型鋼制管件的每條焊縫上均布有測(cè)點(diǎn)，鋼制四通構(gòu)件一般布設(shè)14-16個(gè)點(diǎn)，三通構(gòu)件布設(shè)11-12個(gè)點(diǎn)。
殘余應(yīng)力檢測(cè)
該工程大型鋼件管件母材厚度為28-30mm，應(yīng)變片打孔半徑1-1.5mm、深度2.5-3mm。布設(shè)點(diǎn)位置首先進(jìn)行拋光，再用JH-496膠水將應(yīng)變片貼牢，按順序?qū)⒘鶎?dǎo)線與應(yīng)變儀連接，調(diào)平應(yīng)變儀后進(jìn)行打孔并測(cè)得數(shù)據(jù)。
應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析
以鋼制四通為例，采用盲孔法測(cè)得構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力大小。
表1 某四通構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力實(shí)測(cè)值
序號(hào) | σ1 | σ2 | Θ/（°） | 序號(hào) | σ1 | σ2 | Θ/（°） |
1 | 197.60 | 126.13 | 2.93 | 11 | 200.96 | 113.07 | -6.4 |
2 | 178.23 | 99.08 | -8.25 | 12 | 379.29 | 197.72 | 35.37 |
3 | 295.80 | 178.22 | -6.89 | 13 | 208.47 | 106.53 | 9.26 |
4 | 199.61 | 106.99 | -3.85 | 14 | 367.18 | 197.24 | 7.69 |
5 | 345.38 | 168.79 | 28.96 | 15 | 271.91 | 110.62 | -17.4 |
6 | 296.19 | 170.98 | -8.83 | 16 | 186.49 | 97.17 | -12.58 |
7 | 190.13 | 106.17 | 35.16 | 17 | 376.94 | 191.35 | 29.04 |
8 | 338.69 | 209.57 | 30.68 | 18 | 201.92 | 150.88 | 26.18 |
9 | 184.30 | 112.29 | 3.11 | 19 | 357.56 | 171.97 | 29.04 |
10 | 244.54 | 115.32 | -1.48 | 20 | 202.00 | 146.60 | 39.30 |
應(yīng)力水平 | 259.59 | 148.48 | / | 母材 | 89.16 | 34.90 | 10.52 |
從表上可以看出，測(cè)得大型鋼制四通管件殘余應(yīng)力為259.59MPa，最大應(yīng)力為379.29MPa，點(diǎn)號(hào)為12點(diǎn)，與之對(duì)應(yīng)的構(gòu)件布設(shè)測(cè)試點(diǎn)號(hào)為C/E3，若把整條橢圓焊縫按照時(shí)鐘點(diǎn)位均布，此位置處于時(shí)鐘的8-10點(diǎn)范圍。
對(duì)7件大型鋼制管件殘余應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)得出，其中有5個(gè)關(guān)鍵最大應(yīng)力分布在焊縫時(shí)鐘8-10點(diǎn)或者2-4點(diǎn)范圍，分布在此位置的幾率為7.14%。其中最大應(yīng)力點(diǎn)也分布在8-10點(diǎn)或者2-4點(diǎn)上下較近區(qū)域。
表2最大應(yīng)力分布位置統(tǒng)計(jì)表
應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位 | 應(yīng)力值 | 時(shí)鐘位置 |
A/E5 | 407.51 | 焊縫內(nèi)側(cè)5點(diǎn)鐘 |
B/A8 | 385.61 | 焊縫內(nèi)側(cè)8點(diǎn)鐘 |
C/D8 | 366.35 | 焊縫內(nèi)側(cè)3點(diǎn)鐘 |
A/E5 | 289.21 | 焊縫內(nèi)側(cè)5點(diǎn)鐘 |
B/A9 | 326.30 | 焊縫內(nèi)側(cè)9點(diǎn)鐘 |
C/E3 | 379.29 | 焊縫內(nèi)側(cè)3點(diǎn)鐘 |
D/F9 | 372.50 | 焊縫內(nèi)側(cè)9點(diǎn)鐘 |
總結(jié)
1. 大型鋼制管件殘余應(yīng)力最大值，集中在焊縫時(shí)鐘的8-10點(diǎn)和2-4點(diǎn)范圍，其余也分布在8-10點(diǎn)和2-4點(diǎn)上下較近區(qū)域，說明通過焊接起焊位置、焊接順序、焊接方向等工藝方法，可以一定程度上解決殘余應(yīng)力集中的問題。
2. 雖然控制焊接工藝、方法能在一定程度上，避免應(yīng)力集中在管件結(jié)構(gòu)、受力復(fù)雜的區(qū)域，但為保證最終整體管件的結(jié)構(gòu)精度和使用壽命，對(duì)于焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力的消除，仍是不可或缺的重要工序。
