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目前生活燃?xì)庠诔青l(xiāng)得到廣泛使用，氣鋼瓶是燃?xì)獾妮d體。日常生活中，燃?xì)怃撈拷?jīng)常發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。火災(zāi)主要是由于氣瓶發(fā)生泄露而引起的，而氣瓶爆炸則主要由瓶體所承受的*大應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限所致。

氣瓶應(yīng)力主要是工作應(yīng)力和制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。工作應(yīng)力可以通過有效的管理手段和合理的充裝工藝控制在安全范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力則需要在生產(chǎn)過程中采用合理的熱處理來消除應(yīng)力。

液化石油氣鋼瓶全部為焊接成型，由于組對(duì)誤差、焊接過程中加熱、冷卻不均勻等原因，使瓶體、焊縫及其熱影響區(qū)內(nèi)存在殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)造成疲勞失效和脆性斷裂，同時(shí)對(duì)鋼瓶的疲勞強(qiáng)度、斷裂性能及抗應(yīng)力腐蝕性能產(chǎn)生不利影響。因此，殘余應(yīng)力是影響液化石油氣鋼瓶強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。而對(duì)液化石油氣鋼瓶關(guān)鍵部位進(jìn)行殘余應(yīng)力分析顯得尤為重要。本文就是以液化石油氣鋼瓶為研究對(duì)象，通過對(duì)不同部位進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測試，研究其焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)。

樣品信息

鋼板沖壓拉伸后制成上、下橢圓形封頭，下封頭縮口與上封頭對(duì)接焊后制造成型。成型后進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火溫度為650℃。瓶體有一條環(huán)焊縫，閥座和底座部位為角焊縫。

選用同一廠家同一批次的三支液化石油氣鋼瓶作為測試對(duì)象，編號(hào)為1^#、2^#、3^#_。1^#和2^#氣瓶用于殘余應(yīng)力測試，3^#氣瓶用于氣瓶的材質(zhì)分析。氣瓶基本參數(shù)為：瓶體材料HP295，公稱容積35.5L，工作壓力2.1MPa，外徑320mm，設(shè)計(jì)壁厚3mm。

殘余應(yīng)力分析試驗(yàn)

本次殘余應(yīng)力分析方法選用盲孔法，采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK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。應(yīng)變花靈敏系數(shù)為2.18.

殘余應(yīng)力測點(diǎn)選擇

由于鋼瓶的上、下封頭在沖壓拉伸過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且瓶體環(huán)焊縫和閥座、護(hù)罩角焊縫處也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。根據(jù)氣瓶殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)，選取3個(gè)區(qū)域進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。

區(qū)域1以下封頭的底部中心為起點(diǎn)，經(jīng)過封頭曲面過渡區(qū)域，最終到達(dá)封頭的柱面部分，以20mm為間距，布置15個(gè)測量點(diǎn)；區(qū)域2以筒體環(huán)焊縫為中心線，在焊縫兩側(cè)以不同的間距布置14個(gè)測點(diǎn)；區(qū)域3在護(hù)罩與上封頭的角焊縫一側(cè)，以不同間距布置6個(gè)測點(diǎn)。

殘余應(yīng)力測試結(jié)果分析

根據(jù)區(qū)域1測試結(jié)果可知，兩支氣瓶下封頭殘余應(yīng)力整體水平較低，*大值均出現(xiàn)在底部中心位置，1^#氣瓶環(huán)向殘余應(yīng)力*大值為78MPa，軸向殘余應(yīng)力*大值為158MPa；2^#氣瓶環(huán)向殘余應(yīng)力*大值為206MPa，*大軸向殘余應(yīng)力值為175MPa。越靠近封頭曲面與柱面的交接線，殘余應(yīng)力應(yīng)力越低；柱面上的殘余應(yīng)力維持在很低的水平，軸向殘余應(yīng)力略高于環(huán)向殘余應(yīng)力。

從氣瓶生產(chǎn)工藝可知，氣瓶封頭由HP295板材落料后拉伸成型，這一過程的實(shí)質(zhì)就是將毛胚的凸緣部分材料逐漸轉(zhuǎn)移到筒壁。在轉(zhuǎn)移過程中，凸緣部分由于拉伸力的作用會(huì)在徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，在切向產(chǎn)生壓應(yīng)力，在拉伸結(jié)束后作用于圓周回彈方向上的拉應(yīng)力也會(huì)增加，使封頭成型后產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。在生產(chǎn)過程中也經(jīng)常會(huì)發(fā)生部分經(jīng)拉伸后的封頭產(chǎn)生縱向開裂的現(xiàn)象，而本次被測氣瓶下封頭殘余應(yīng)力整體水平較低，且分布良好，這與氣瓶制造過程中合理的熱處理過程直接相關(guān)。一般情況下，氣瓶成型后，均要進(jìn)行消應(yīng)力退火和水壓試驗(yàn)，這兩個(gè)過程均會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的消除和重新分布產(chǎn)生重要的影響，柱面上的殘余應(yīng)力分布與曲面相比較為均勻，這是由于柱面上各區(qū)域的材料在熱處理時(shí)升溫和冷卻過程比較均勻。

由區(qū)域2殘余應(yīng)力分布可知，除環(huán)焊接頭附近區(qū)域外，瓶體軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力均維持在較低的水平，基本在50-100MPa的范圍內(nèi)；但是，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力分布比較特殊，即焊縫處于拉應(yīng)力狀態(tài)，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力達(dá)到150-200MPa的水平，且在焊接接頭的熱影響區(qū)出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力區(qū)域。隨著距焊縫中心距離的增加，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出現(xiàn)較低的拉應(yīng)力狀態(tài)。如前所述，焊縫、熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)與氣瓶制造過程中的熱處理過程直接相關(guān)，故從結(jié)果中的焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平來看，其熱處理工藝還有一定的改進(jìn)空間。

由3區(qū)域殘余應(yīng)力分布可知，連接角焊縫附近區(qū)域的殘余應(yīng)力均呈壓應(yīng)力狀態(tài)。殘余應(yīng)力的存在無疑是對(duì)氣瓶有益的。通過與封頭曲面區(qū)域的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行比較后不難看出，連接角焊縫的存在改變了該區(qū)域殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。

總結(jié)

根據(jù)殘余應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，所選的兩支液化石油氣鋼瓶的熱處理工藝較為合理，其殘余應(yīng)力總體水平較低。同時(shí)，使用盲孔法測殘余應(yīng)力方法操作簡單，成本低，適合在工廠開展大批量成本的殘余應(yīng)力取樣檢測工作，從而使得氣瓶在使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)降到*低。