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南京聚航科技有限公司
主營產品： 振動時效設備，殘余應力檢測儀，應力應變測量，殘余應力消除設備 |
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2021-10-29 閱讀(573)
國內外現發生不少輸油管段在水壓試驗和使用期間突然撕裂的事例，這引起有關專家及工程技術人員的重視。調查發現，螺旋焊縫是輸油管道的薄弱部位，由于焊接過程中的約束和局部加熱，冷卻的收縮效應及金屬組織的變化因素，使輸油管道產生殘余應力。輸油管道投入使用后，所有螺旋焊縫都要經受輸油管運輸介質時產生的種種運行應力，殘余應力及迭加力的作用，但焊縫存有缺陷時，可加速裂紋迅速擴展，致使輸油管道的承載能力、使用性能下降，特別是對油管的低溫脆斷有很大的影響。因此對輸油管道進行殘余應力分析研究是十分有必要的。
輸油管的原始情況及試件
輸油管是用9mm厚、1200mm寬的16Mn鋼板，按58°螺旋升角冷卷成φ720mm的鋼管，然后焊成2400mm長的管材，焊絲為M10-MnSi，采用自動焊接，先內壁焊半螺距后，外壁再施補焊，焊縫為15mm寬。因卷板工藝的誤差，有些焊縫坡口呈不對稱“X"型，35%左右的焊縫沒焊透，內有φ0.1-φ1.5mm大小不同的孔洞。
為了取得可靠的數據，我們從輸油管上割下4塊試板，其中440mm*340mm的1號試板1塊，550mm*340mm的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試板3塊，Ⅰ、Ⅲ號試板用于小孔法，Ⅱ、Ⅳ號試板用于切割法。
測點選擇及布片
螺旋焊縫的形成不同于對接焊縫，主應力方向需測定，因此選擇兩種應變計測試。下面是Ⅰ、Ⅳ號試板的測試情況和結果。
殘余應力分析的方法有很多，本次我們采用小孔法和切割法進行殘余應力分析。
小孔法儀器采用JHMK殘余應力測試儀，用JHZK殘余應力精密鉆孔裝置在試板上鉆2.4mm深盲孔，標定試件取輸油管母材。
切割法采用JHYC切割法應力測量系統，經φ1.2mm的鋁絲切割。由于線切割機行程有限，因此切割前試板上距焊縫熔合線3mm處鉆孔φ2mm的通孔以備穿鉬絲切割。*一次切割由A→B，第二次切割由C→D，兩邊聯結處分別用鋸割開。
殘余應力測試結果分析
由Ⅰ號試板測試結果可以看出，小孔測得焊縫1-12點的縱向應力σx是拉應力，其*大值為115MPa，約0.25σx；垂直焊縫的橫向應力σy均為壓應力，*大值是-439MPa，約0.9σy。在垂直焊縫的Y截面上，為了考察焊縫熔合線處的應力大小，距焊縫中心線18mm處選擇16和17兩個測點。從y截面應力分布圖可看出，17點的應力σy*大，其值是478MPa，約為1.16σy。16點的應力σy是-333MPa，約0.8σy。
由Ⅳ號試板測試結果可看出，切割法測得焊縫上多數點的*大主應力σ1與0°軸夾角β接近45°，主應力σ1和σ2基本上是在焊縫的縱向及垂直焊縫的橫向，1-6點的σ1是拉應力，*大值是114MPa，約0.25σ1。σ2均為壓應力，*大值為-249MPa，約0.55σ2。σ2的*對值普遍比σ1的*對值大，*大剪應力rmax為147MPa。
由焊縫殘余應力分布曲線可看到，兩種方法測得的應力分布曲線基本形同，垂直焊縫的應力數值很大，分析其原因，主要是輸油管道按58°螺旋升角冷卷成鋼管的過程中，軸向必然產生回縮力，致使焊縫形成的同時產生了垂直焊縫的壓應力。同時由于鋼板的反彈作用，在靠近焊縫熔合線處，使母材兩側的殘余應力形成反對稱于焊縫分布的情況。
總結
1. 輸油管焊縫上的殘余應力，其*大、最小主應力分別在焊縫縱向及垂直焊縫的橫向上。
2. 應力分布特征為焊縫縱向是拉應力曲線，焊縫橫向是壓應力曲線。
3. 垂直焊縫的y截面，靠近焊縫的熔合線部位的應力分布曲線反對稱于焊縫。
4. *大拉應力是478MPa，在靠近焊縫的熔合線部位，約1.16σx。*大壓應力是-439MPa在焊縫上，約0.97σy。
測定結果符合輸油管卷制過程中螺旋焊縫形成時的受力狀況。總的來看，沿焊縫縱向應力分布特征與對接焊縫相同，垂直焊縫橫向應力分布情況與其不同。
