液化石油氣鋼瓶殘余應(yīng)力測(cè)試分析

李保緒 吉 楠 高 超 鄧 濤 羅金恒

（1.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院）

液化石油氣鋼瓶作為生活燃?xì)獾妮d體，在城鄉(xiāng)得到廣泛使用。 但在日常生活中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生液化石油氣瓶因多種原因造成的火災(zāi)、 爆炸事故，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅［1］?；馂?zāi)主要是由于氣瓶發(fā)生泄漏而引起重大損失的，而氣瓶爆炸則主要由瓶體所承受的最大應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限所致［2，3］。

氣瓶中應(yīng)力的來(lái)源主要有充裝液化石油氣后所承受的工作應(yīng)力和制造過(guò)程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。 工作應(yīng)力可以通過(guò)有效的管理手段和合理的充裝工藝控制在安全范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力的降低則需要在氣瓶生產(chǎn)過(guò)程中采用合理的熱處理工藝［4，5］。 液化石油氣鋼瓶全部為焊接成型，由于組對(duì)誤差、焊接過(guò)程中加熱、冷卻不均勻等原因，使瓶體、焊縫及其熱影響區(qū)內(nèi)存在殘余應(yīng)力。 當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起疲勞失效和脆性斷裂，同時(shí)對(duì)鋼瓶的疲勞強(qiáng)度、斷裂性能及抗應(yīng)力腐蝕性能等均會(huì)產(chǎn)生不利影響［6～9］。 因此，殘余應(yīng)力是影響液化石油氣鋼瓶強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。目前關(guān)于液化石油氣鋼瓶的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中均未對(duì)氣瓶殘余應(yīng)力檢測(cè)做出規(guī)定，因此開(kāi)展液化石油氣鋼瓶關(guān)鍵部位殘余應(yīng)力測(cè)試研究就顯得尤為重要。

筆者以液化石油氣鋼瓶為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同部位殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，對(duì)殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)和測(cè)試方法的適用性展開(kāi)研究，為氣瓶殘余應(yīng)力測(cè)試方法的推廣提供依據(jù)。

1 樣品信息

圖1 液化石油氣鋼瓶制造工藝流程

液化石油氣鋼瓶制造工藝流程如圖1所示，鋼板沖壓拉伸后制成上、下橢圓形封頭，下封頭縮口與上封頭對(duì)接焊后制造成型，成型后進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火溫度為650℃。瓶體有一條環(huán)焊縫，閥座和底座部位為角焊縫。

選用國(guó)內(nèi)某氣瓶生產(chǎn)廠所生產(chǎn)的同一批次的3支YSP 35.5型液化石油氣鋼瓶作為測(cè)試對(duì)象，編號(hào)為1#、2#和3#。 1#和2#氣瓶用于殘余應(yīng)力測(cè)試，3#氣瓶用于氣瓶的材質(zhì)分析。氣瓶基本參數(shù)為：瓶體材料HP295，公稱容積35.5L，工作壓力2.1MPa，外徑320mm，設(shè)計(jì)壁厚3mm。

2 樣品材料性能試驗(yàn)

在3#氣瓶上取樣進(jìn)行瓶體材料和焊縫的拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。 由表1可知，氣瓶的力學(xué)性能滿足GB 5842—2006《液化石油氣鋼瓶》標(biāo)準(zhǔn)的要求。 樣品金相組織如圖2a所示，組織為鐵素體+珠光體，是典型的退火態(tài)組織；焊縫低倍形貌如圖2b所示，焊縫處未見(jiàn)宏觀焊接缺陷。 力學(xué)性能與金相組織測(cè)試結(jié)果表明，此次試驗(yàn)樣品質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為合格品。

表1 液化石油氣鋼瓶力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖2 液化石油氣鋼瓶金相組織結(jié)構(gòu)

3 殘余應(yīng)力測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

殘余應(yīng)力的測(cè)試方法有很多， 主要有鉆孔法、超聲波法、X射線法及磁記憶法等，其中鉆孔法因操作簡(jiǎn)單、成本較低而被本次測(cè)試采用。 該方法的主要原理是在要進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試的部位使用鉆頭加工小孔，在鉆孔的同時(shí)，該處的殘余應(yīng)力即被釋放， 使得原有殘余應(yīng)力失去平衡。這時(shí)小孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，其大小與被釋放的應(yīng)力呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 測(cè)試部位附近由于小孔加工而引起的應(yīng)變釋放量，可通過(guò)彈性力學(xué)的計(jì)算換算出原有的殘余應(yīng)力值。

殘余應(yīng)力測(cè)試采用BE120-2CA-K型應(yīng)變花和CM-1L-32型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀完成，應(yīng)變花的靈敏度系數(shù)為2.180。測(cè)試過(guò)程依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31310—2014 《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 鉆孔應(yīng)變法》進(jìn)行。

3.2 測(cè)點(diǎn)選擇

由于鋼瓶的上、下封頭在沖壓拉伸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且瓶體環(huán)焊縫和閥座、護(hù)罩角焊縫處也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，根據(jù)氣瓶殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)，選取3個(gè)區(qū)域（①、②、③）進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)試（圖3）。

圖3 殘余應(yīng)力測(cè)試區(qū)域劃分示意圖

在區(qū)域①內(nèi)的測(cè)點(diǎn)分布如圖4a所示，以下封頭的底部中心為起始點(diǎn)， 經(jīng)過(guò)封頭曲面過(guò)渡區(qū)域，最終到達(dá)封頭的柱面部分，以20mm為間距，布置15個(gè)測(cè)量點(diǎn)；區(qū)域②內(nèi)的測(cè)點(diǎn)分布如圖4b所示，以筒體環(huán)焊縫為中心線，在焊縫兩側(cè)以不同的間距布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)；區(qū)域③內(nèi)的測(cè)點(diǎn)分布如圖4c所示，在護(hù)罩與上封頭的角焊縫一側(cè)，以不同間距布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 3個(gè)區(qū)域測(cè)點(diǎn)分布示意圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

殘余應(yīng)力值計(jì)算公式如下：

公式中σ1、σ2為被測(cè)量點(diǎn)的主應(yīng)力，γ為主應(yīng)力角，A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中 E——彈性模量；

μ——泊松比。

氣瓶殘余應(yīng)力計(jì)算公式（本測(cè)試中約定σx為垂直于環(huán)焊縫方向的殘余應(yīng)力，稱作軸向殘余應(yīng)力；σy為平行于環(huán)焊縫方向的殘余應(yīng)力，稱作環(huán)向殘余應(yīng)力）如下：

圖5 區(qū)域①殘余應(yīng)力分布

區(qū)域①殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知， 兩支氣瓶下封頭殘余應(yīng)力整體水平較低，最大值均出現(xiàn)在底部中心位置，1#氣瓶環(huán)向殘余應(yīng)力的最大值為78MPa， 軸向殘余應(yīng)力最大值為158MPa（0.3σs）；2#氣瓶環(huán)向殘余應(yīng)力的最大值為206MPa（0.4σs），軸 向 殘 余 應(yīng) 力 的 最 大 值 為175MPa。 越靠近封頭曲面與柱面的交接線，殘余應(yīng)力越低； 柱面上的殘余應(yīng)力維持在很低的水平，軸向殘余應(yīng)力略高于環(huán)向殘余應(yīng)力。

由氣瓶生產(chǎn)工藝可知， 氣瓶封頭由HP295板材落料后拉伸成型，該過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是將毛坯的凸緣部分材料逐漸轉(zhuǎn)移到筒壁。 在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，凸緣部分由于拉伸力的作用會(huì)在徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，在切向產(chǎn)生壓應(yīng)力，在拉伸結(jié)束后作用于圓周回彈方向上的拉應(yīng)力也會(huì)增加，使封頭成型后產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，在生產(chǎn)過(guò)程中也經(jīng)常會(huì)發(fā)生部分經(jīng)拉伸后的封頭產(chǎn)生縱向開(kāi)裂的現(xiàn)象，而本次被測(cè)氣瓶下封頭殘余應(yīng)力整體水平較低，且分布良好，這與氣瓶制造過(guò)程中合理的熱處理過(guò)程直接相關(guān)。 一般情況下，氣瓶成型后，均要進(jìn)行消應(yīng)力退火和水壓試驗(yàn)，這兩個(gè)過(guò)程均會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的消除和重新分布產(chǎn)生重要的影響，柱面上的殘余應(yīng)力分布與曲面相比較為均勻，這是由于柱面上各區(qū)域的材料在熱處理時(shí)升溫和冷卻過(guò)程比較均勻。

瓶體環(huán)焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖6所示。護(hù)罩與上封頭角焊縫處的殘余應(yīng)力分布如圖7所示。

圖6 區(qū)域②殘余應(yīng)力分布

圖7 區(qū)域③殘余應(yīng)力分布

由圖6可知，除環(huán)焊接頭附近區(qū)域外，瓶體軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力均維持在較低的水平，基本處于50～100MPa的范圍內(nèi)；但是，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力分布比較特殊，即焊縫處于拉應(yīng)力狀態(tài)，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力達(dá)到150～200MPa的水平，且在焊接接頭的熱影響區(qū)出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力區(qū)域。 隨著距焊縫中心距離的增加，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出較低的拉應(yīng)力狀態(tài)。 如前所述，焊縫、熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)與氣瓶制造過(guò)程中的熱處理過(guò)程直接相關(guān)， 故僅從圖6中的焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平來(lái)看，其熱處理工藝還有一定的改進(jìn)空間。

由圖7可知， 連接角焊縫附近區(qū)域的殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài)。 殘余壓應(yīng)力的存在無(wú)疑是對(duì)氣瓶有益的。 通過(guò)與圖5中封頭曲面區(qū)域的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行比較后不難看出，連接角焊縫的存在改變了該區(qū)域殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，所選的兩支液化石油氣鋼瓶的熱處理工藝較為合理，其殘余應(yīng)力整體水平較低。 同時(shí)使用鉆孔法測(cè)試殘余應(yīng)力具有操作簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，適合在工廠開(kāi)展大批量成品的殘余應(yīng)力抽樣檢測(cè)工作，從而使得氣瓶在使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。