某企業(yè)有兩臺3000m3液化石油氣球罐，在*一次球罐定期檢驗時發(fā)現(xiàn)較多裂紋。經(jīng)打磨修復(fù)處理后，間隔3年進(jìn)行第二次開罐檢測又檢出許多裂紋。而導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，是焊接殘余應(yīng)力的存在。因此準(zhǔn)確測量球罐的焊接殘余應(yīng)力，是控制設(shè)備使用條件，延長使用壽命的重要環(huán)節(jié)。
目前殘余應(yīng)力測量方法分為有損和無損兩大類，對于球罐的殘余應(yīng)力測量，企業(yè)希望采用無損檢測，不能傷及球罐本體。而無損檢測又分為磁測法、X射線法、超聲波法等。其中磁測法和X射線發(fā)展較為完善，但X射線設(shè)備昂貴且笨重，不適合現(xiàn)場尤其是大型球罐殘余應(yīng)力測量。所以本次利用磁測法對兩臺3000m3液化石油氣罐局部區(qū)域進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測量。磁測儀采用聚航科技生產(chǎn)的JH-60三維應(yīng)力磁測儀。
殘余應(yīng)力測量方案
標(biāo)定試驗
為了測出實際結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，首先要選擇與被測材料同樣成分，同一熱處理狀態(tài)的試樣做標(biāo)定試驗。將試件加工成拉伸試件，并在580±20℃下恒溫40min，然后隨爐降溫，并保證升、降溫速率小于50℃/h，以消除試件加工殘余應(yīng)力。
在材料液壓*能試驗機上，對試件進(jìn)行定量逐級加載，應(yīng)用磁測應(yīng)力儀測取各載荷下試件電流值得大小，經(jīng)數(shù)據(jù)處理計算，從而得到該材料在單位應(yīng)力下試件電流變化量，即材料靈敏系數(shù)，以及*佳激磁電流值。
測試區(qū)域的選擇
測點布置主要選擇在有可能出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力較大的部位和出現(xiàn)較深或較多裂紋的部位，為了比較殘余應(yīng)力的需要，還要對殘余應(yīng)力較小的部位進(jìn)行測試，所以本次選擇測試區(qū)域的主要原則如下：
- 選在出現(xiàn)裂紋較深或較多的部位，*一次定期檢驗時檢出超標(biāo)裂紋，并進(jìn)行了返修補焊的部位，兩個球罐選擇了3個測試區(qū)域；依據(jù)*一次球罐定期檢驗的報告，選擇存在較長裂紋缺陷或裂紋較深或裂紋較集中的部位進(jìn)行測試，兩個球罐中共選擇了10個區(qū)域作為測試區(qū)域；參考第二次定期檢驗所作的磁粉探傷及超聲波探傷檢測結(jié)果，選在裂紋缺陷深度較大的區(qū)域，在2#球罐選擇了兩個區(qū)域。
- 為了比較出現(xiàn)裂紋缺陷區(qū)域與無裂紋缺陷區(qū)域的殘余應(yīng)力狀況，依據(jù)*一次定期檢測報告，在球罐未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷部位選取了三個區(qū)域進(jìn)行測試。
- 為了了解球殼縱焊縫的焊接殘余應(yīng)力大小以及分布情況，在1#球罐下溫帶C13球殼板與C15球殼板形成縱焊縫作為測試區(qū)域，測定此類焊縫存在的殘余應(yīng)力。而2#球罐則選在赤道帶A4球殼板和A5球殼板間的縱焊縫，作為測試區(qū)域。
測試前對測量區(qū)域的表面進(jìn)行打磨處理。然后根據(jù)已確定的測試方案，根據(jù)測試區(qū)域內(nèi)測點之間的距離畫出網(wǎng)格，以確定每個測試點位置。調(diào)試JH-60殘余應(yīng)力檢測儀，并依據(jù)標(biāo)定試驗的結(jié)果，向磁測儀輸入*佳激勵電流，將探頭對準(zhǔn)各測點，分別測取各測點0°、45°、90°三個方向的電流值。并予以記錄。經(jīng)計算機數(shù)據(jù)計算處理，獲得各測點的殘余應(yīng)力值。
殘余應(yīng)力測量結(jié)果與分析
根據(jù)確定的試驗方案，對兩臺球罐的22個區(qū)域進(jìn)行了殘余應(yīng)力測量，共形成688個測點，處理后得到這些點的殘余應(yīng)力值。并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了以下三個結(jié)論：
- 綜合試驗結(jié)果表明，兩臺球罐出現(xiàn)裂紋處區(qū)域的殘余應(yīng)力峰值大多數(shù)接近球罐材料的常溫下屈服（σ=305MPa）；
- 不產(chǎn)生裂紋區(qū)域的殘余應(yīng)力峰值一般小于球罐材料常溫下屈服限的60%；
- 球帶中球殼板間形成的縱焊縫的焊接殘余應(yīng)力大小一般小于球殼材料常溫下屈服限的60%。
根據(jù)兩臺球罐焊縫殘余應(yīng)力的試驗結(jié)果來看，球罐焊縫殘余應(yīng)力分布較為復(fù)雜；在大多數(shù)情況下，焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力值較高，并且為拉應(yīng)力，只有離焊縫較遠(yuǎn)的位置才出現(xiàn)壓應(yīng)力。
從試驗結(jié)果表明，此兩臺球罐殘余應(yīng)力分布有如下特點：
- 在大多情況下，球帶間形成的環(huán)焊縫邊緣存在較大的殘余應(yīng)力，且垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力大于平行焊縫方向的殘余應(yīng)力。
- 從試驗結(jié)果得出；球殼環(huán)焊縫的*大殘余應(yīng)力大于球帶內(nèi)各球殼板對接形成的縱焊縫的*大殘余應(yīng)力。
- 出現(xiàn)裂紋處區(qū)域的殘余應(yīng)力明顯大于檢驗中未發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)域的殘余應(yīng)力。
- 根據(jù)殘余應(yīng)力分布圖所示，球罐焊接殘余應(yīng)力具有邊緣應(yīng)力特點，焊縫殘余應(yīng)力呈衰減波分布，且衰減梯度很大，從此次試驗結(jié)果數(shù)據(jù)得出：高應(yīng)力峰值均發(fā)生在離焊縫邊緣1個壁厚范圍內(nèi)。
- 球殼焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力明顯大于母材的殘余應(yīng)力。
結(jié)論
- 從測試結(jié)果得出；兩個球罐在焊縫邊緣局部區(qū)域產(chǎn)生裂紋，與球罐本身該區(qū)域存在較大的焊接殘余應(yīng)力有著直接關(guān)系。
- 產(chǎn)生裂紋區(qū)域殘余應(yīng)力*大峰值明顯的大于未產(chǎn)生裂紋區(qū)域的殘余應(yīng)力峰值，產(chǎn)生裂紋區(qū)域殘余應(yīng)力*大峰值已接近材料的常溫下屈服極限；球罐焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力大于母材區(qū)的殘余應(yīng)力。
- 為了消除球罐的安全隱患，需要對球罐裂紋較多的區(qū)域進(jìn)行消除應(yīng)力處理，降低或均化焊接殘余應(yīng)力，確保球罐的安全使用。
