盲孔法測試Q690高強鋼管鍍鋅前后殘余應力

殘余應力對軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性等有重要影響，為考察Q690焊接高強鋼管鍍鋅前后的截面縱向殘余應力分布，采用盲孔法對截面規(guī)格分別為φ250×8、φ300×8、φ350×8共計24個試件的殘余應力進行測試。

通過試驗得出了每種截面規(guī)格圓鋼管的縱向殘余應力的數(shù)值大小和分布模式，并將相同截面規(guī)格的鋼管在鍍鋅前后的殘余應力分布進行了比較，試驗結(jié)果表明，鋼管鍍鋅后殘余應力有了明顯的降低。Q690高強鋼管的截面*大縱向殘余應力與其鋼材屈服強度的比值明顯小于普通鋼材。

采用盲孔法對Q690高強鋼管熱浸鍍鋅前后的殘余應力分布進行測試分析，得到熱浸鍍鋅對殘余應力分布的影響。

1 盲孔法測試殘余應力原理

盲孔法測試原理如下：殘余應力是一種在構(gòu)件內(nèi)部自平衡的應力，當在構(gòu)件表面進行鉆孔，原有的平衡狀態(tài)被破壞，應力得到釋放，而這種應力釋放所產(chǎn)生的應變可通過電阻應變片測得。

2 試件設計

采用盲孔法分別對截面規(guī)格為φ250×8、φ300×8、φ350×8的未鍍鋅鋼管和鍍鋅鋼管進行殘余應力測試。為了使測試結(jié)果更準確，本次試驗采用多次測量求平均值的方法，對未鍍鋅鋼管和鍍鋅鋼管均分了三組，每組四根。

3 焊接殘余應力測試

3.1 焊件測點布置

根據(jù)試件的形狀和特點，選擇測試部位以及測點數(shù)目。測點均布置在試件的跨中截面上。以φ250×8試件為例，試件長度為1000mm，為了便于說明測點所處位置，假設將試件沿焊縫*心線展開，根據(jù)圓管對稱性的特點，給出1/2圓管的測點布置圖。采用盲孔法測試殘余應力時，為確定測定精度，孔與孔的橫向*小間距不應小于5倍的孔徑，孔與孔的*小縱向間距不應小于15倍的孔徑，邊界與孔的*小間距不應小于8倍的孔徑。本次試驗采用的鉆孔直徑為1.5mm，則測孔間的橫向間距應大于7.5mm；縱向間距應大于 22.5mm；孔距邊界的距離應大于12mm。由于焊縫附近應力梯度較大，因此測點布置較密；隨著距焊縫距離的增加，測點布置逐漸稀疏。

另由船舶行業(yè)標準《殘余應力測試方法：鉆孔應變釋放法》可知，鉆孔的*終深度應為1倍~1.2 倍的鉆孔直徑，本次試驗將鉆孔深度定為1.8mm。

3.2 測試步驟

盲孔法測試殘余應力主要包括應變片的粘貼和鉆孔兩個部分。在粘貼應變片前應對試件表面進行處理，以確定應變片粘貼后和試件表面有良好的接觸；鉆孔時應嚴格確定鉆孔*心和應變片測試*心重合。本次試驗采用JH型殘余應力測試儀進行數(shù)據(jù)采集。

4 測試結(jié)果

4.1 未鍍鋅鋼管測試結(jié)果 對未鍍鋅鋼管的測試結(jié)果進行整理的試驗結(jié)果可以看出，焊縫附近的殘余應力值為正值，即殘余拉應力，隨著離焊縫*心距離的*大，殘余應力值急劇下降，轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝担礆堄鄩簯?。當殘余壓應力達到*大值后，隨著距離的增加，殘余壓應力值逐漸減小，并轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚Α?/span>

4.2 鍍鋅鋼管測試結(jié)果 對鍍鋅鋼管的測試結(jié)果進行整理，試驗結(jié)果可以看出，鍍鋅鋼管殘余應力測試結(jié)果分布趨勢與未鍍鋅鋼管的分布趨勢基本一致，但在一些關(guān)鍵點的峰值差異較大，主要表現(xiàn)在殘余拉應力和殘余壓應力的峰值都有明顯下降。

4.3 未鍍鋅鋼管測試結(jié)果與鍍鋅鋼管測試結(jié)果對比分別將截面規(guī)格為φ250×8、φ300×8、φ350×8的未鍍鋅件鋼管和鍍鋅件鋼管的測試結(jié)果進行對比。

4.3.1 φ250×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管結(jié)果對比

φ250×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管的殘余應力分布形式基本相同，兩者的殘余應力值*點基本交于一點。鍍鋅后鋼管的殘余拉應力峰值和殘余壓應力峰值均明顯下降。由峰值統(tǒng)計結(jié)果可以看出，鍍鋅后鋼管的*大殘余拉應力較鍍鋅前下降了34%；*大殘余壓應力下降了31%。

4.3.2 φ300×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管結(jié)果對比可以看到，φ300×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管的殘余應力分布形式基本相同，兩者的殘余應力值*點基本交于一點。鍍鋅后鋼管的殘余拉應力峰值和殘余壓應力峰值均明顯下降。由峰值統(tǒng)計結(jié)果可以看出，鍍鋅后鋼管的*大殘余拉應力較鍍鋅前下降了31%；*大殘余壓應力下降了29%。

4.3.3 φ350×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管結(jié)果對比可以看到，φ350×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管的殘余應力分布形式基本相同，兩者的殘余應力值*點基本交于一點。鍍鋅后鋼管的殘余拉應力峰值和殘余壓應力峰值均明顯下降。峰值統(tǒng)計結(jié)果可以看出，鍍鋅后鋼管的*大殘余拉應力較鍍鋅前下降了40%；*大殘余壓應力下降了40%。

將三種截面規(guī)格的鋼管鍍鋅后殘余應力峰值的下降程度進行整理。鍍鋅后鋼管殘余應力較鍍鋅前之所以下降，原因在于：鍍鋅過程與焊接過程產(chǎn)生的熱量分布不同，熱浸鍍鋅時，鋼管在鋅池里受熱是均勻的，不會出現(xiàn)熱量在某個部位過分集中的現(xiàn)象，這就相當于對鋼管進行了一次熱處理，使得原有的殘余應力重新分布。

4.4 測試結(jié)果分析 由建議的普通強度等級的鋼管截面縱向殘余應力分布模式，并與試驗所得結(jié)果進行對比可以發(fā)現(xiàn)：高強鋼管的截面縱向殘余應力分布模式與普通強度鋼管的分布模式相同，但兩者的*大殘余壓應力與對應鋼材屈服強度的比值有明顯差別，普通鋼管的該值為0.35，而本次測得Q690鋼管的殘余壓應力*大值與Q690鋼材的屈服強度之比僅為0.15。

5 結(jié)論

通過對3種截面規(guī)格，24個直焊縫焊接Q690高強鋼管縱向殘余應力的測試，得出了鋼管鍍鋅前后的殘余應力數(shù)值大小和分布模式，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

(1) 殘余拉應力集中在焊縫及鄰近區(qū)域，應力梯度大，峰值拉應力已達到鋼材屈服強度；殘余壓應力峰值較小，*大值僅為鋼材屈服強度的15%。

(2) 熱浸鍍鋅可以有效減小殘余應力的峰值，*大殘余拉應力峰值的消除率從31%~40%不等，*大殘余壓應力峰值的消除率從29%~40%不等。