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    技術(shù)文章

    盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)儀在大型耐壓殼上的應(yīng)用

    閱讀:328          發(fā)布時(shí)間:2023-3-8

    大型鍋爐、壓力容器、潛水艇等均為大型耐高壓殼體結(jié)構(gòu),直徑可達(dá)(5-8)m,材料一般為高強(qiáng)度低合金鋼板,板厚(20-35)mm,焊接殘余應(yīng)力值較大,容易引起焊縫橫向裂紋,對(duì)產(chǎn)品安全構(gòu)成潛在威脅。

    為了解耐壓殼環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力的大小和分布,本文根據(jù)某大型耐壓殼環(huán)焊縫的焊接工藝和拘束情況,分別設(shè)計(jì)了平板和圓弧模擬模型,采用盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)模型及某廢棄耐壓殼圈進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試。這為分析大型耐壓殼環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力的危害及消除殘余應(yīng)力提供了依據(jù)。

    本次試驗(yàn)采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力檢測(cè)儀,由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。多點(diǎn)測(cè)量,軟件式操作。可實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力,實(shí)時(shí)顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值,精度高,結(jié)果準(zhǔn)確。

    模擬焊接試板的設(shè)計(jì)

    為模擬大型耐壓殼環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力分布,分別設(shè)計(jì)了平板模型和圓弧模型,所用試板材料均為實(shí)際產(chǎn)品耐壓殼材料。

    平板模型;1300*200*24mm試板兩塊,按實(shí)際產(chǎn)品工藝要求加工坡口。

    圓弧模型;2000*300*24mm試板兩塊,按實(shí)際產(chǎn)品工藝要求加工坡口;將試板卷壓成半徑為3850mm的弧形,弧度為30°左右。

    測(cè)點(diǎn)布置

    大型耐壓殼.png

     

    模型上測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,平板模型共測(cè)量10個(gè)位置(正6反4);圓弧模型共測(cè)量18個(gè)位置(內(nèi)外各9個(gè)),每個(gè)位置測(cè)量三個(gè)點(diǎn),即開(kāi)a、b、c三個(gè)盲孔。盲孔直徑及深度為2mm,a、b、c三個(gè)盲孔分別距焊縫中心0mm、10mm、20mm。平板模型和圓弧模型焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

    大型耐壓殼1.png

     

    廢棄耐壓殼圈環(huán)焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試

    廢棄耐壓殼圈半徑3500mm,板厚24mm,環(huán)焊縫為60°。對(duì)稱x型剖口,埋弧自動(dòng)焊工藝,內(nèi)、外兩面交替焊接,耐壓殼由于某些原因廢棄一年半,沿環(huán)向?qū)⒛蛪簹で懈畛蓺とΓ缚p中心線距切割線50mm,采用盲孔法測(cè)試殼板環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力,因殼圈所處環(huán)境備件惡劣,應(yīng)變片易損壞,故內(nèi)、外僅各測(cè)試了3個(gè)點(diǎn),各點(diǎn)盲孔深度及直徑均為2mm。3個(gè)點(diǎn)分別距焊縫中心0、10、20mm。距切割線分別為50、60、70mm。

     

    大型耐壓殼2.png

     

    測(cè)試結(jié)果分析

    根據(jù)模型焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知,模擬模型焊接殘余應(yīng)力普遍較大。miscs應(yīng)力超過(guò)0.5σs的測(cè)點(diǎn)約占2/3左右,另有10-20%的測(cè)點(diǎn)超過(guò)0.8σs,接近屈服應(yīng)力。而廢棄耐壓殼圈的焊接殘余應(yīng)力相對(duì)較小,主要原因是由于切割處距離焊縫較近,焊接殘余應(yīng)力得到部分釋放,離切割線越近釋放越多。如盲孔A-a、B-a處的mises應(yīng)力小于A-b,A-c。此外,根據(jù)B-b、B-c的兩個(gè)方向的釋放應(yīng)變可知,其mises應(yīng)力應(yīng)大于A-a、B-a。另外,耐壓殼圈已廢棄了一年半,焊接殘余應(yīng)力仍有一定的時(shí)效釋放。根據(jù)上述分析可知,大型耐壓殼環(huán)焊縫存在較大焊接殘余應(yīng)力,焊縫附近區(qū)域殘余應(yīng)力接近或達(dá)到屈服。

    大型耐壓殼體對(duì)接焊后,環(huán)焊縫產(chǎn)生環(huán)向收縮。但受到焊縫周圍金屬的限制,從而產(chǎn)生較均勻的環(huán)向拉伸殘余應(yīng)力。由表1、2可知,焊縫的收縮在焊縫附近區(qū)域平行焊縫方向主要是產(chǎn)生拉應(yīng)力。表3中這一規(guī)律并不明顯,主要是由于切割后殘余應(yīng)力釋放的結(jié)果。

    耐壓殼體環(huán)焊縫軸向殘余應(yīng)力由兩部分組成;

    1.焊接時(shí),由于殼體外壁與內(nèi)壁存在溫度差,因此在外,內(nèi)壁總有熱膨脹和收縮兩種方向相反的熱應(yīng)力,冷卻時(shí)其中高溫側(cè)會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,低溫側(cè)會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。

    2.由于環(huán)焊縫的冷卻收縮,使焊縫及其兩側(cè)出現(xiàn)內(nèi)凹,產(chǎn)生附加彎矩和應(yīng)力。結(jié)果是內(nèi)壁產(chǎn)生軸向拉伸殘余應(yīng)力,而殼體外壁產(chǎn)生軸向壓縮殘余應(yīng)力。表1、表2可知,兩個(gè)模型在垂直焊縫方向均有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力,可見(jiàn)溫度差異產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較大,而由焊縫的冷卻收縮產(chǎn)生的附加彎矩和應(yīng)力并不明顯。但由表3可知,廢棄耐壓殼圈外側(cè)軸向殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,主要原因是由于耐壓殼體采用雙面交替焊接,內(nèi)、外壁溫差較小。由此產(chǎn)生的應(yīng)力較小,因而由于環(huán)焊縫的冷卻收縮產(chǎn)生的附加彎矩和應(yīng)力相對(duì)比較突出。

    結(jié)論

    通過(guò)對(duì)大型耐壓殼環(huán)焊縫模擬焊接模型和某廢棄耐壓殼圈環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力測(cè)試,可以得到以下結(jié)論:

    1. 模擬焊接模型焊接殘余應(yīng)力普遍較大,miscs應(yīng)力超過(guò)0.5σs的測(cè)點(diǎn)約占2/3,另有10%-20%的測(cè)點(diǎn)mises應(yīng)力超過(guò)0.8σs,接近屈服。

    2. 大型耐壓殼環(huán)焊縫存在較大焊接殘余應(yīng)力,焊縫附近區(qū)域殘余應(yīng)力接近或達(dá)到屈服。

    3. 大型耐壓殼環(huán)焊縫環(huán)向殘余應(yīng)力主要為拉伸應(yīng)力;而軸向殘余應(yīng)力中由環(huán)焊縫的冷卻收縮產(chǎn)生的附加彎矩和應(yīng)力相對(duì)比較突出。

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