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液化石油氣鋼瓶焊接殘余應力分析
閱讀：495 發布時間：2022-5-11目前生活燃氣在城鄉得到廣泛使用，氣鋼瓶是燃氣的載體。日常生活中，燃氣鋼瓶經常發生火災、爆炸事故，給人民的生命和財產安全造成嚴重威脅?；馂闹饕怯捎跉馄堪l生泄露而引起的，而氣瓶爆炸則主要由瓶體所承受的*大應力超過材料的強度極限所致。
氣瓶應力主要是工作應力和制造過程中產生的殘余應力。工作應力可以通過有效的管理手段和合理的充裝工藝控制在安全范圍內，殘余應力則需要在生產過程中采用合理的熱處理來消除應力。
液化石油氣鋼瓶全部為焊接成型，由于組對誤差、焊接過程中加熱、冷卻不均勻等原因，使瓶體、焊縫及其熱影響區內存在殘余應力。當殘余應力為拉應力時，會造成疲勞失效和脆性斷裂，同時對鋼瓶的疲勞強度、斷裂性能及抗應力腐蝕性能產生不利影響。因此，殘余應力是影響液化石油氣鋼瓶強度的一個重要因素。而對液化石油氣鋼瓶關鍵部位進行殘余應力分析顯得尤為重要。本文就是以液化石油氣鋼瓶為研究對象，通過對不同部位進行焊接殘余應力測試，研究其焊接殘余應力的分布特點。
樣品信息
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接焊后制造成型。成型后進行去應力退火，退火溫度為650℃。瓶體有一條環焊縫，閥座和底座部位為角焊縫。
選用同一廠家同一批次的三支液化石油氣鋼瓶作為測試對象，編號為1#、2#、3#。1#和2#氣瓶用于殘余應力測試，3#氣瓶用于氣瓶的材質分析。氣瓶基本參數為：瓶體材料HP295，公稱容積35.5L，工作壓力2.1MPa，外徑320mm，設計壁厚3mm。
殘余應力分析試驗
本次殘余應力分析方法選用盲孔法，采用聚航科技生產的JHMK殘余應力測試系統，由JHYC靜態應變儀和JHZK鉆孔裝置組成。應變花靈敏系數為2.18.
殘余應力測點選擇
由于鋼瓶的上、下封頭在沖壓拉伸過程中會產生殘余應力，且瓶體環焊縫和閥座、護罩角焊縫處也會產生殘余應力。根據氣瓶殘余應力的分布特點，選取3個區域進行殘余應力測試。
區域1以下封頭的底部中心為起點，經過封頭曲面過渡區域，最終到達封頭的柱面部分，以20mm為間距，布置15個測量點；區域2以筒體環焊縫為中心線，在焊縫兩側以不同的間距布置14個測點；區域3在護罩與上封頭的角焊縫一側，以不同間距布置6個測點。
殘余應力測試結果分析
根據區域1測試結果可知，兩支氣瓶下封頭殘余應力整體水平較低，*大值均出現在底部中心位置，1#氣瓶環向殘余應力*大值為78MPa，軸向殘余應力*大值為158MPa；2#氣瓶環向殘余應力*大值為206MPa，*大軸向殘余應力值為175MPa。越靠近封頭曲面與柱面的交接線，殘余應力應力越低；柱面上的殘余應力維持在很低的水平，軸向殘余應力略高于環向殘余應力。
從氣瓶生產工藝可知，氣瓶封頭由HP295板材落料后拉伸成型，這一過程的實質就是將毛胚的凸緣部分材料逐漸轉移到筒壁。在轉移過程中，凸緣部分由于拉伸力的作用會在徑向產生拉應力，在切向產生壓應力，在拉伸結束后作用于圓周回彈方向上的拉應力也會增加，使封頭成型后產生很大的殘余應力。在生產過程中也經常會發生部分經拉伸后的封頭產生縱向開裂的現象，而本次被測氣瓶下封頭殘余應力整體水平較低，且分布良好，這與氣瓶制造過程中合理的熱處理過程直接相關。一般情況下，氣瓶成型后，均要進行消應力退火和水壓試驗，這兩個過程均會對殘余應力的消除和重新分布產生重要的影響，柱面上的殘余應力分布與曲面相比較為均勻，這是由于柱面上各區域的材料在熱處理時升溫和冷卻過程比較均勻。
由區域2殘余應力分布可知，除環焊接頭附近區域外，瓶體軸向、環向殘余應力均維持在較低的水平，基本在50-100MPa的范圍內；但是，焊縫及其附近區域的殘余應力分布比較特殊，即焊縫處于拉應力狀態，軸向、環向殘余應力達到150-200MPa的水平，且在焊接接頭的熱影響區出現了殘余壓應力區域。隨著距焊縫中心距離的增加，軸向、環向殘余應力呈現出現較低的拉應力狀態。如前所述，焊縫、熱影響區殘余應力的分布狀態與氣瓶制造過程中的熱處理過程直接相關，故從結果中的焊接接頭的應力狀態和應力水平來看，其熱處理工藝還有一定的改進空間。
由3區域殘余應力分布可知，連接角焊縫附近區域的殘余應力均呈壓應力狀態。殘余應力的存在無疑是對氣瓶有益的。通過與封頭曲面區域的殘余應力分布狀態進行比較后不難看出，連接角焊縫的存在改變了該區域殘余應力的分布狀態。
總結
根據殘余應力分析結果可以看出，所選的兩支液化石油氣鋼瓶的熱處理工藝較為合理，其殘余應力總體水平較低。同時，使用盲孔法測殘余應力方法操作簡單，成本低，適合在工廠開展大批量成本的殘余應力取樣檢測工作，從而使得氣瓶在使用過程中的風險降到*低。