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)計了平板和圓弧模擬模型，采用盲孔法殘余應(yīng)力檢測儀對模型及某廢棄耐壓殼圈進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測試。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)力檢測儀，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。多點(diǎn)測量，軟件式操作。可實(shí)時計算殘余應(yīng)力，實(shí)時顯示和保存應(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

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。

測點(diǎn)布置

模型上測點(diǎn)布置如圖1所示，平板模型共測量10個位置（正6反4）；圓弧模型共測量18個位置（內(nèi)外各9個），每個位置測量三個點(diǎn)，即開a、b、c三個盲孔。盲孔直徑及深度為2mm，a、b、c三個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)力測試結(jié)果見表1、表2。

廢棄耐壓殼圈環(huán)焊縫殘余應(yīng)力測試

廢棄耐壓殼圈半徑3500mm，板厚24mm，環(huán)焊縫為60°。對稱x型剖口，埋弧自動焊工藝，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)、外僅各測試了3個點(diǎn)，各點(diǎn)盲孔深度及直徑均為2mm。3個點(diǎn)分別距焊縫中心0、10、20mm。距切割線分別為50、60、70mm。

測試結(jié)果分析

根據(jù)模型焊接殘余應(yīng)力測試結(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0.5σ_s的測點(diǎn)約占2/3左右，另有10-20%的測點(diǎn)超過0.8σ_s，接近屈服應(yīng)力。而廢棄耐壓殼圈的焊接殘余應(yīng)力相對較小，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，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，冷卻時其中高溫側(cè)會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，低溫側(cè)會產(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，兩個模型在垂直焊縫方向均有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，可見溫度差異產(chǎn)生的應(yīng)力相對較大，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)力相對比較突出。

結(jié)論

通過對大型耐壓殼環(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0.5σ_s的測點(diǎn)約占2/3，另有10%-20%的測點(diǎn)mises應(yīng)力超過0.8σ_s，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)力相對比較突出。