工程管件焊縫殘余應力測試及效果分析

王曉光

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽 110000）

遼寧省彰武至白石段供水工程，在輸水線路上設置配水站兩座，站內設計有大型鋼制管件七件。管件在加工過程中無法避免殘余應力的產生，并在屈服極限附近表現(xiàn)出很大的危害，一定程度上降低構件的實際強度、降低疲勞極限，造成應力腐蝕和脆性斷裂，也會由于殘余應力的松弛產生變形，嚴重影響尺寸精度和使用壽命。為保證管件的結構精度和運行安全，能夠精確測得構件內部的殘余應力值，并確切掌握其應力分布情況顯得尤為關鍵和重要。

1 大型鋼制管件殘余應力的測試

1.1 殘余應力測試方法

目前工程上應用較為廣泛的殘余應力測試方法是鉆盲孔法。盲孔法——就是在被測點上鉆一小孔，使被測點的應力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應變計測得釋放的應變量，再根據(jù)彈性力學原理計算出殘余應力。這種方法殘余應力測得值精度較高。因此該工程采用盲孔法，對三通、四通、三岔管焊縫進行殘余應力檢測。

1.2 應力應變檢測儀器設備型號及相關參數(shù)

應變檢測采用秦皇島市協(xié)力科技開發(fā)有限公司XL2101A4型應變儀，該儀器設計上采用最新嵌入式MCU控制技術、顯示技術、模擬數(shù)字濾波技術，內置鋰電池供電，精度高穩(wěn)定性好。選用中航電測儀器股份有限公司生產的型號為BE120-2CA-K的測試電阻應變計，該應變計由三組應變片組成，可同時檢測 0°、45°、90°等三個方向的應力應變數(shù)據(jù)，經多個工程實際使用，在穩(wěn)定性和精度上都有著優(yōu)越的表現(xiàn)。

1.3 管件上應力應變測試點的布設

為了保證測量數(shù)據(jù)精確，真實反應應力分布情況，在大型鋼制管件的每條焊縫上均布有測點，鋼制四通構件一般布設14～16個點，三通構件布設11～12個點。三通構件布點示意圖、四通構件布點示意圖、布點位置與時鐘對應關系圖，分別見圖1、2、3。

圖1 三通構件布點示意圖

圖2 四通構件布點示意圖

圖3 布點位置與時鐘對應關系圖

1.4 布設點應變應力檢測

該工程大型鋼制管件母材厚度為28～30 mm，BE120-2CA-K的電阻應變計打孔半徑1～1.5 mm、深度2.5～3 mm。布設點位置首先進行拋光，再用502膠把應變計貼牢，六根導線與應變儀有序連接，調平應變計后進行打孔測得數(shù)據(jù)，代入以下公式計算，得出其應力及方向。

2 應變應力測試成果及分析

以鋼制四通為例，說明通過鉆盲孔法測得構件內部應力大小、方向，詳見表1。

表1 某四通構件內部應力實測值MPa

從上表中可以看出：測得大型鋼制四通管件殘余主應力為259.59 MPa，最大應力為379.29 MPa，點號為12點，與之對應的構件布設測試點號為C/E3，若把整條橢圓焊縫按照時鐘點位均布，此位置處于時鐘的8～10點范圍。

經對7件大型鋼制管件殘余應力最大值統(tǒng)計得出，其中有5個管件最大應力分布在焊縫時鐘8～10點或者2～4點范圍，分布在此位置的幾率為71.4%。其余最大應力點也分布在8～10點或者2～4點上下較近區(qū)域，詳見表2。

表2 最大應力分布位置統(tǒng)計表

3 結語

1）大型鋼制管件殘余應力最大值，集中在焊縫時鐘的8～10點和2～4點范圍，其余也分布在8～10點和2～4點上下較近區(qū)域，說明通過焊接起焊位置、焊接順序、焊接方向等工藝方法，可以一定程度上解決殘余應力集中的問題。該工程大型鋼制管件焊接的起焊位置、焊接順序、焊接方向詳見圖4。

圖4 鋼制管件焊接的起焊位置、焊接順序、焊接方向

2）雖然通過焊接工藝、方法的控制能在一定程度上避免應力集中在管件結構、受力復雜的區(qū)域，但為保證最終整體管件的結構精度和使用壽命，對于焊縫內部殘余應力的消除，仍是不可或缺的重要工序。