大型液化石油氣儲罐焊接殘余應力測試研究

 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儲罐無法進行整體退火工藝，故采用分筒節退火，再對組裝環焊縫進行局部退火處理，以消除組裝焊縫的殘余應力。本文采用盲孔法對環焊縫進行退火前后焊接殘余應力測試，分析局部退火工藝效果。

殘余應力測試原理及應用儀器

采用盲孔法測試焊縫殘余應力，就是在有殘余應力的部位鉆一個小孔，因小孔附近的殘余應力被釋放，孔區附近的殘余應力場發生變化，只要測出該局部區域的應變變化量，即可計算出鉆孔處釋放前的殘余應力值。

儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK多點殘余應力測試系統，由JHYC靜態應變儀和JHZK鉆孔裝置組成。在軟件進行設置后，自動實時計算殘余應力，并實時顯示和保存應力應變數值，測量結果直觀明了。

測點的選擇：由于只有一條組裝環焊縫，焊縫兩面焊成型，故在罐體內壁及外壁焊縫上對應并對稱各分布四個測點。

測量結果分析

從表1可以看出，環向殘余應力退火前后均大于軸向殘余應力，測量結果符合焊接殘余應力的基本規律：最大殘余應力方向與焊縫長度方向一致，且為拉應力；垂直焊縫方向的殘余應力遠小于平行焊縫方向的殘余應力，因此測試數據是合理的。

 

從表1所列的環焊縫退火前后的實測值變化情況可看出:

1. 退火前，外壁面第8點殘余應力值最大，達504MPa，退火后，其值約316MPa。減少了188MPa，降低幅度為37%；外壁面第5點是退火降低殘余應力幅度最大的，由501MPa降低到202MPa，減少了299MPa，降低幅度達60%。

2. 除外壁面第3點外，環向殘余應力退火后消除率為31.9%-59.5%；

3. 軸向殘余應力基本上沒有消除，外壁面環焊縫軸向殘余應力在退火前為較小的壓應力，經退火后變為較大的壓應力。

4. 退火前組裝環向焊接殘余應力大部分在31-500MPa之間，明顯高于罐體其他環焊縫186-343MPa的殘余應力值。

將表1的殘余應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，1、3、4為內壁測量點，5、6、7、8為外壁測量點，測量點分界線與殘余應力分界線將圖1分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個區域。

圖1 組裝環焊縫殘余應力在退火前后的對比

 

從圖1可以看出；高殘余應力區出現I區，原因之一是環焊縫內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壁快。其退火降低殘余應力效果非常明顯，降幅在37%-60%之間，平均降幅達50%。

軸向殘余應力值在退火后增大，最大增幅可達170MPa，該殘余應力不是最大殘余應力，可能對焊縫抗疲勞、抗應力腐蝕有利。

組裝環焊縫的殘余應力高于其他環焊縫，主要是因為采用強制對接，兩個筒節強行對中后進行焊接，而且筒體內壁面只能手工焊接。

結論

由以上數據表明，盲孔法可用于液化石油氣儲罐組裝環焊縫的殘余應力測試中，所測結果符合焊接殘余應力的基本規律，測試數據合理。高殘余應力區出現在外壁面環向方向上，其退火后殘余應力降幅在37%-60%之間，最大減幅達299MPa，平均降幅50%；退火后內壁面環向平均殘余應力減少27%。整個環焊縫局部退火工藝可消除30%-60%的環向殘余應力應力值，其效果非常明顯，達到了消除焊接殘余應力的要求，儲罐兩筒節的組隊滑焊縫，殘余應力值比罐體其它環焊縫的殘余應力值要大，應注意改善焊接組對的工藝方法。