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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,自動實時計算殘余應(yīng)力,并實時顯示和保存應(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。
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:*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 | 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)焊縫退火前后的實測值變化情況可看出:
1. 退火前,外壁面第8點殘余應(yīng)力值*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點是退火降低殘余應(yīng)力幅度*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,1、3、4為內(nèi)壁測量點,5、6、7、8為外壁測量點,測量點分界線與殘余應(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,*大增幅可達(dá)170MPa,該殘余應(yīng)力不是*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,主要是因為采用強(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,*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。
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