盲孔法残余应力检测仪在大型耐压壳上的应用

大型锅炉、压力容器、潜水艇等均为大型耐高压壳体结构，直径可达（5-8）m，材料一般为高强度低合金钢板，板厚（20-35）mm，焊接残余应力值较大，容易引起焊缝横向裂纹，对产品安全构成潜在威胁。

为了解耐压壳环焊缝焊接残余应力的大小和分布，本文根据某大型耐压壳环焊缝的焊接工艺和拘束情况，分别设计了平板和圆弧模拟模型，采用盲孔法残余应力检测仪对模型及某废弃耐压壳圈进行焊接残余应力测试。这为分析大型耐压壳环焊缝焊接残余应力的危害及消除残余应力提供了依据。

本次试验采用聚航科技生产的JHMK残余应力检测仪，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成。多点测量，软件式操作。可实时计算残余应力，实时显示和保存应力应变数值，精度高，结果准确。

模拟焊接试板的设计

为模拟大型耐压壳环焊缝焊接残余应力分布，分别设计了平板模型和圆弧模型，所用试板材料均为实际产品耐压壳材料。

平板模型；1300*200*24mm试板两块，按实际产品工艺要求加工坡口。

圆弧模型；2000*300*24mm试板两块，按实际产品工艺要求加工坡口；将试板卷压成半径为3850mm的弧形，弧度为30°左右。

测点布置

模型上测点布置如图1所示，平板模型共测量10个位置（正6反4）；圆弧模型共测量18个位置（内外各9个），每个位置测量三个点，即开a、b、c三个盲孔。盲孔直径及深度为2mm，a、b、c三个盲孔分别距焊缝中心0mm、10mm、20mm。平板模型和圆弧模型焊接残余应力测试结果见表1、表2。

废弃耐压壳圈环焊缝残余应力测试

废弃耐压壳圈半径3500mm，板厚24mm，环焊缝为60°。对称x型剖口，埋弧自动焊工艺，内、外两面交替焊接，耐压壳由于某些原因废弃一年半，沿环向将耐压壳切割成壳圈，焊缝中心线距切割线50mm，采用盲孔法测试壳板环焊缝焊接残余应力，因壳圈所处环境备件恶劣，应变片易损坏，故内、外仅各测试了3个点，各点盲孔深度及直径均为2mm。3个点分别距焊缝中心0、10、20mm。距切割线分别为50、60、70mm。

测试结果分析

根据模型焊接残余应力测试结果可知，模拟模型焊接残余应力普遍较大。miscs应力超过0.5σ_s的测点约占2/3左右，另有10-20%的测点超过0.8σ_s，接近屈服应力。而废弃耐压壳圈的焊接残余应力相对较小，主要原因是由于切割处距离焊缝较近，焊接残余应力得到部分释放，离切割线越近释放越多。如盲孔A-a、B-a处的mises应力小于A-b，A-c。此外，根据B-b、B-c的两个方向的释放应变可知，其mises应力应大于A-a、B-a。另外，耐压壳圈已废弃了一年半，焊接残余应力仍有一定的时效释放。根据上述分析可知，大型耐压壳环焊缝存在较大焊接残余应力，焊缝附近区域残余应力接近或达到屈服。

大型耐压壳体对接焊后，环焊缝产生环向收缩。但受到焊缝周围金属的限制，从而产生较均匀的环向拉伸残余应力。由表1、2可知，焊缝的收缩在焊缝附近区域平行焊缝方向主要是产生拉应力。表3中这一规律并不明显，主要是由于切割后残余应力释放的结果。

耐压壳体环焊缝轴向残余应力由两部分组成；

1.焊接时，由于壳体外壁与内壁存在温度差，因此在外，内壁总有热膨胀和收缩两种方向相反的热应力，冷却时其中高温侧会产生拉伸应力，低温侧会产生压缩应力。

2.由于环焊缝的冷却收缩，使焊缝及其两侧出现内凹，产生附加弯矩和应力。结果是内壁产生轴向拉伸残余应力，而壳体外壁产生轴向压缩残余应力。表1、表2可知，两个模型在垂直焊缝方向均有拉应力也有压应力，可见温度差异产生的应力相对较大，而由焊缝的冷却收缩产生的附加弯矩和应力并不明显。但由表3可知，废弃耐压壳圈外侧轴向残余应力主要为压应力，主要原因是由于耐压壳体采用双面交替焊接，内、外壁温差较小。由此产生的应力较小，因而由于环焊缝的冷却收缩产生的附加弯矩和应力相对比较突出。

结论

通过对大型耐压壳环焊缝模拟焊接模型和某废弃耐压壳圈环焊缝焊接残余应力测试，可以得到以下结论：

1. 模拟焊接模型焊接残余应力普遍较大，miscs应力超过0.5σ_s的测点约占2/3，另有10%-20%的测点mises应力超过0.8σ_s，接近屈服。

2. 大型耐压壳环焊缝存在较大焊接残余应力，焊缝附近区域残余应力接近或达到屈服。

3. 大型耐压壳环焊缝环向残余应力主要为拉伸应力；而轴向残余应力中由环焊缝的冷却收缩产生的附加弯矩和应力相对比较突出。