大型液化石油气储罐组装环焊缝的残余应力分析.pdf

收稿日期 2006 - 03 - 21 作者简介陈海辉1968 - ,男,湖南衡阳人,南华大学机械工程学院副教授,博士后.主要研究方向新型化工设 备的研究开发. 第20卷第3期南华大学学报自然科学版Vol . 20 No. 3 2006年9月Journal ofNanhua UniversityScience and TechnologySep. 2006 文章编号 1673 - 00622006 03 - 0016 - 04 大型液化石油气储罐组装环焊缝的残余应力分析 陈海辉 1 ,肖新跃 2 ,郭达永 3 1. 南华大学 机械工程学院,湖南 衡阳421001; 2.南华大学 数理学院,湖南 衡阳421001; 3.郑州卷烟总厂技改指挥部,河南 郑州450004 摘 要采用钻小盲孔残余应力释放法,测量250 m 3 液化石油气储罐组装环焊缝在 退火前后的残余应力,分析局部退火工艺的退火效果,结果表明高残余应力区出现 在外壁面环向上,其退火后残余应力降幅在37～60之间,平均降幅达50 ,最大 减幅达299 MPa;环焊缝局部退火工艺可消除30～60环向残余应力,达到了消除 焊接残余应力的要求. 关键词残余应力;局部退火;组装环焊缝;大型储罐 中图分类号 TG15; TG404 文献标识码A Analysis of Residual Stress at Assembled CircularWeld of Large L iquid Petroleum - Gas Storage Tanks CHEN Ha i2hui 1 , XIAO Xin2yue 2 , GUO Da2yong 3 1. School ofMechanical Engineering,Nanhua University, Hengyang, Hunan 421001, China; 2. School ofMathematics and Physics,Nanhua University, Hengyang, Hunan 421001, China; 3. Depart ment of Techniques, Zhengzhou Tobacco Factory, Zhengzhou, Henan 450004, China Abstract Residual stresses between before and after annealing at the assembled circuit weld for a 250 m 3 liquid petroleum - gas storage tank were determined through the meas2 urement of relaxed surface strains by the incremental hole drilling, and the affect of location annealing processwas analysis . The experi mental result shows that high stress area appeared at the circuit direction of outside wall; after being annealed, those residual stres2 ses decreased 37～60 , average 50 ,max decreasing stress 299MPa; circuit direction residual stresses could be decreased 30～60 by location annealing process for circuit weld,which satisfies the requirement of eli minate residual stress . Key words residual stress; local annealing; assembled circumferentialweld; large storage tank 焊接结构中的残余应力,除少数用作自增强 结构产生有利作用外,多数对结构的疲劳强度、 断 裂性能和抗应力腐蚀性能等都有较大的不利影 响.化工容器中的大型储罐采用焊接结构,由于组 对误差、 焊接过程中加热和冷却不均匀等原因,使 罐体焊缝及其热影响区内存在残余应力,该残余 应力尤其会引起液化石油气储罐的应力腐蚀开 裂.因此,焊接组装后的液化石油气储罐必须进行 消除残余应力处理 [1 ]. 由于储罐尺寸较大,一般不可能放入加热炉 内进行整体热处理.对于大型球罐,目前多采用 “ 内燃法 ”,即以球罐本身作为燃烧室,燃料在其 内部空间燃烧,使球体升温 [2 ]. 此法的优点是比 能够较好地消除残余应力,但存在能耗大,尤其对 并非整体应力过高和检修补焊等只需进行局部处 理的情况 [2]. 消除残余应力一直是机械领域研究 的重点.近年来研究试验了消除焊接残余应力的 新方法来,如局部低温热处理 [2 ]、 振动[3 - 4 ]、 爆 炸 [5 ]、 低频交变磁场[6 ]等处理方法. 对于大型储 罐,采用焊缝局部退火处理,依然是最有效的热处 理消除残余应力的方法 [1, 7]. 250 m 3 液化石油气储罐是目前较大型的卧 式储罐,其制造工艺要求高,由于受制造厂家退火 炉长度的限制, 250 m 3 储罐无法进行整体退火工 艺,故采用分筒节退火,再对组装环焊缝进行局部 退火处理,以消除组装焊缝的残余应力.对250 m 3 这种大型液化石油气储罐的拼装焊接的残余 应力研究较少,本文将对环焊缝进行退火前后焊 接残余应力测定,以分析其退火效果. 1 残余应力的测定方法及仪器设备 采用钻小盲孔残余应力释放法实用性强,适 于工程现场使用,能满足工程测试精度要求且对 储罐完整性、 完全性没有影响,美国材料试验学 会、 国内船舶行业制定了钻孔法标准 [1 ]. 根据我 们多年来的实践经验和工厂的现场条件 [1 ] ,采用 钻小盲孔残余应力释放法测定残余应力 1 采用 2 mm孔径的麻花钻头钻小盲孔,孔深2. 5 mm.用 新兰仪表厂制造的CCZ - 2型测钻仪钻孔 ; 2 在 测点上用502粘接剂粘贴专用角式应变花型 号BE120 - BA ,采用YJ - 5型电阻应变仪测量 钻孔后释放的应变值.应变仪经本中心用BY M - 4型模拟应变仪校验,符合工程测量的精度要求. 测点的选择因仅有一条组装环焊缝,焊缝两 面焊成型,故在罐体内壁及外壁焊缝上对应并对 称各分布四个测点,测点布片详见图1. 图1 应变测量点布置 Fig. 1 Arrangement of stra insmeasurement point 2 测量及计算结果 残余应力值按下列公式计算 [1] σ1 - 1. 3237 ε 1ε2 - 0. 6284 ε1-ε2 1 σ2 - 1. 3237 ε 1ε2 0. 6284 ε1-ε2 2 式中ε1为平行焊缝方向钻孔释放的应变值, 10 - 6应变. ε 2为垂直焊缝方向钻孔释放的应变 值, 10 - 6应变. 平均残余应力值σ m i定义为在i方向 环向方 向为1,周向方向为2 m 个测量点残余应力的平 均数值.环焊缝退火前及退火后各测点的释放应 变及残余应力计算值详见表1. 3 结果分析 从表1看环向残余应力在退火前后均大于轴 向残余应力,所测结果符合焊接残余应力的基本 规律最大残余应力方向与焊缝长度方向一致 本文的焊缝长度方向为环向 , 且为拉应力;垂 直焊缝方向即轴向的残余应力远小于平行焊 缝方向的残余应力,可见测试数据是合理的. 从表1所列的环焊缝退火前后的实测值变化 情况可看出 1 退火前在外壁面第8点残余应 力值最大,达504MPa,退火后其值约316MPa,减 71第20卷第3期 陈海辉等大型液化石油气储罐组装环焊缝的残余应力分析 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 少了188 MPa,降低幅度为37;退火降低残余应 力幅度最大的出现在外壁面第5点,由501 MPa 降低到202 MPa,减少了299 MPa,降低幅度达 60. 2除外壁面第3点外,环向残余应力退火 后消除了31. 9～59. 5; 3轴向残余应力基 本上未消除,外壁面环焊缝轴向残余应力在退火 前为较小的压应力,经退火后变为较大的压应力. 4退火前组装环向焊接残余应力大多数在310 ～500 MPa之间,明显高于罐体其他环焊缝186～ 343 MPa的残余应力值另外测定的 . 文献[3 ]对一台200 m 3 液化石油气球罐经现 场组焊后,采用低频振动法消除焊接残余应力,应 力消除程度为10～29 ,平均约为15.从表 2看,退火后内壁面环向平均残余应力减少27 , 外壁面环向平均残余应力减少50 ,明显优于文 献[3 ]低频振动法的效果. 将表1的残余应力值在退火前后的对比用图 2表示,并将退火后已不能正常测量的第二点剔 除. 1、3、4为内壁测量点, 5、6、7、8为外壁测量点, 测量点分界线与残余0应力分界线将图2分成 Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ4个区域. 图2 组装环焊缝残余应力在退火前后的对比 Fig. 2 Comparison of residual stress on assembled weld between before and after annealing 表1 释放应变测量数据及残余应力计算值 Table 1 M easured datum of relaxed stra in and calculated results of residual stress 测 点 退火前 释放应变/10 - 6 残余应力/ MPa 退火后 释放应变/10 - 6 残余应力/ MPa 残余应力消 除百分比/ 内 壁 面 1 2 3 4 轴向85- 13- 24114增加 环向- 220370- 9620444. 9 轴向1614/// 环向- 65116/// 轴向3652- 12140增加 环向- 176319- 168336未消除 轴向18121- 11123未消除 环向- 22542714529131. 9 外 壁 面 5 6 7 8 轴向110- 9120- 133增加 环向- 296501- 14620259. 8 轴向110- 5694- 97未消除 环向- 228367- 12517951. 5 轴向88- 1103- 101增加 环向- 245417- 14321450. 2 轴向100- 9162- 163增加 环向- 294504- 22031637. 2 注意 /表示该点已不能正常测量. 表2 退火后前平均残余应力 Table 2 Average residual stress before and after annealing 退火平均残余应力/MPa 内壁外壁 退火后平均残余应力/MPa 内壁外壁 轴向环向轴向环向轴向环向轴向环向 58370448- 19126277- 123228 81南华大学学报自然科学版 2006年9月 w w w . b z f x w . c o m 从图2可以看出高残余应力区出现 Ⅰ区 外壁环向方向 , 原因之一是环焊缝内壁焊缝坡 口比外壁坡口小得多,而且外壁焊缝比内壁冷却 得快.其退火降低残余应力效果非常明显,降幅在 37～60之间,平均降幅达50; 轴向残余应力值在退火后增大,最大增幅可 达170 MPa,该残余压应力不是最大残余应力,可 能对焊缝抗疲劳、 抗应力腐蚀有利.退火造成轴向 残余应力值增大的原因尚需进一步实验研究. 组装环焊缝的残余应力高于其他环焊缝,主 要是因为依靠强制组对,两个筒节强行对中后进 行焊接,而且筒体内壁面只能手工焊接. 4 结论 所测结果符合焊接残余应力的基本规律,测 试数据合理.高残余应力区出现在外壁面环向方 向上,其退火后残余应力降幅在37～60之 间,最大减幅达299 MPa 降幅60 ,平均降幅 达50;退火后内壁面环向平均残余应力减少 27.整个环焊缝局部退火工艺可消除30～ 60的环向残余应力值,其效果非常明显,达到了 消除焊接残余应力的要求.储罐两筒节的组对环 焊缝,残余应力值比罐体其它环焊缝的残余应力 值要大,应注意改善焊接组对的工艺方法. 感谢 本文是在华南理工大学工控学院钟汉通教授 的大量前期工作基础上和悉心指导下完成的,在 此表示感谢 参考文献 [1]钟汉通,傅玉华,吴家声.压力容器残余应力 成 因、 影响、 调控与检测[M ].武汉,华中理工大学出版 社, 1993. [2]赵维义,刘烈全.局部低温热处理消除焊接残余应力 方法研究[ J ].华中科技大学学报, 2001, 29 增刊 Ⅰ 31 - 32. [3]颜鹤皋.振动消除球罐焊接残余应力的试验研究 [J ].石油化工设备, 1995, 24 4 23 - 25. [4]解 德,谭佰聪,李荣峰,等.振动法消除16MnJ超厚 钢板焊接残余应力[J ].钢铁研究, 1995, 84 3 51 - 55. [5]解 德,李荣峰,谭佰聪,等.爆炸法消除16MnJ超厚 钢板焊接残余应力[J ].爆炸与冲击, 1995, 15 1 76 - 81. [6]鹿安理,唐 非,梅俊峰,等.用不同频率的交变磁场 处理降低焊接残余应力的研究[ J ].航空工艺技术, 19984 26 - 27. [7] Jae - il Jang,Dongil Son, Yun - Hee Lee, et al . Assess2 ingWelding Residual Stress in A335 P12 Steel Welds Before and After Stress - Relaxation Annealing Through Instrumented Indentation Technique [J ]. ScriptaMateri2 alia, 2003, 48 743 - 748. 上接第15页 [9] Commault C, Dion J - M. SensorLocation forDiagnosis in Linear Structured Systems with Disturbances [A ]. Proceedings of the 42nd IEEE Conference on Decision and Control [C]. Maui Hawaii, 2003 1443 - 1448. [10 ] Ding S X, Jeinsch T, Frank PM, et al . A Unified Ap2 proach to the Opti mization of Fault Detection Systems [J ].InternationalJournalofAdaptive Control and Sig2 nal Processing, 2000, 14 725 - 745. [11] Chen J, Patton P R. RobustModel - Based FaultDiag2 nosis for Dynamic Systems [M ].Kluwer Academic Publishers, 1999. 91第20卷第3期 陈海辉等大型液化石油气储罐组装环焊缝的残余应力分析 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载