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大型鍋爐、壓力容器、潛水艇等均為大型耐高壓殼體結構，直徑可達（5-8）m，材料一般為高強度低合金鋼板，板厚（20-35）mm，焊接殘余應力值較大，容易引起焊縫橫向裂紋，對產品安全構成潛在威脅。

為了解耐壓殼環焊縫焊接殘余應力的大小和分布，本文根據某大型耐壓殼環焊縫的焊接工藝和拘束情況，分別設計了平板和圓弧模擬模型，采用盲孔法殘余應力檢測儀對模型及某廢棄耐壓殼圈進行焊接殘余應力測試。這為分析大型耐壓殼環焊縫焊接殘余應力的危害及消除殘余應力提供了依據。

本次試驗采用聚航科技生產的JHMK殘余應力檢測儀，由JHYC靜態應變儀和JHZK鉆孔裝置組成。多點測量，軟件式操作。可實時計算殘余應力，實時顯示和保存應力應變數值，精度高，結果準確。

模擬焊接試板的設計

為模擬大型耐壓殼環焊縫焊接殘余應力分布，分別設計了平板模型和圓弧模型，所用試板材料均為實際產品耐壓殼材料。

平板模型；1300*200*24mm試板兩塊，按實際產品工藝要求加工坡口。

圓弧模型；2000*300*24mm試板兩塊，按實際產品工藝要求加工坡口；將試板卷壓成半徑為3850mm的弧形，弧度為30°左右。

測點布置

 

模型上測點布置如圖1所示，平板模型共測量10個位置（正6反4）；圓弧模型共測量18個位置（內外各9個），每個位置測量三個點，即開a、b、c三個盲孔。盲孔直徑及深度為2mm，a、b、c三個盲孔分別距焊縫中心0mm、10mm、20mm。平板模型和圓弧模型焊接殘余應力測試結果見表1、表2。

 

廢棄耐壓殼圈環焊縫殘余應力測試

廢棄耐壓殼圈半徑3500mm，板厚24mm，環焊縫為60°。對稱x型剖口，埋弧自動焊工藝，內、外兩面交替焊接，耐壓殼由于某些原因廢棄一年半，沿環向將耐壓殼切割成殼圈，焊縫中心線距切割線50mm，采用盲孔法測試殼板環焊縫焊接殘余應力，因殼圈所處環境備件惡劣，應變片易損壞，故內、外僅各測試了3個點，各點盲孔深度及直徑均為2mm。3個點分別距焊縫中心0、10、20mm。距切割線分別為50、60、70mm。

 

 

測試結果分析

根據模型焊接殘余應力測試結果可知，模擬模型焊接殘余應力普遍較大。miscs應力超過0.5σ_s的測點約占2/3左右，另有10-20%的測點超過0.8σ_s，接近屈服應力。而廢棄耐壓殼圈的焊接殘余應力相對較小，主要原因是由于切割處距離焊縫較近，焊接殘余應力得到部分釋放，離切割線越近釋放越多。如盲孔A-a、B-a處的mises應力小于A-b，A-c。此外，根據B-b、B-c的兩個方向的釋放應變可知，其mises應力應大于A-a、B-a。另外，耐壓殼圈已廢棄了一年半，焊接殘余應力仍有一定的時效釋放。根據上述分析可知，大型耐壓殼環焊縫存在較大焊接殘余應力，焊縫附近區域殘余應力接近或達到屈服。

大型耐壓殼體對接焊后，環焊縫產生環向收縮。但受到焊縫周圍金屬的限制，從而產生較均勻的環向拉伸殘余應力。由表1、2可知，焊縫的收縮在焊縫附近區域平行焊縫方向主要是產生拉應力。表3中這一規律并不明顯，主要是由于切割后殘余應力釋放的結果。

耐壓殼體環焊縫軸向殘余應力由兩部分組成；

1.焊接時，由于殼體外壁與內壁存在溫度差，因此在外，內壁總有熱膨脹和收縮兩種方向相反的熱應力，冷卻時其中高溫側會產生拉伸應力，低溫側會產生壓縮應力。

2.由于環焊縫的冷卻收縮，使焊縫及其兩側出現內凹，產生附加彎矩和應力。結果是內壁產生軸向拉伸殘余應力，而殼體外壁產生軸向壓縮殘余應力。表1、表2可知，兩個模型在垂直焊縫方向均有拉應力也有壓應力，可見溫度差異產生的應力相對較大，而由焊縫的冷卻收縮產生的附加彎矩和應力并不明顯。但由表3可知，廢棄耐壓殼圈外側軸向殘余應力主要為壓應力，主要原因是由于耐壓殼體采用雙面交替焊接，內、外壁溫差較小。由此產生的應力較小，因而由于環焊縫的冷卻收縮產生的附加彎矩和應力相對比較突出。

結論

通過對大型耐壓殼環焊縫模擬焊接模型和某廢棄耐壓殼圈環焊縫焊接殘余應力測試，可以得到以下結論：

1. 模擬焊接模型焊接殘余應力普遍較大，miscs應力超過0.5σ_s的測點約占2/3，另有10%-20%的測點mises應力超過0.8σ_s，接近屈服。

2. 大型耐壓殼環焊縫存在較大焊接殘余應力，焊縫附近區域殘余應力接近或達到屈服。

3. 大型耐壓殼環焊縫環向殘余應力主要為拉伸應力；而軸向殘余應力中由環焊縫的冷卻收縮產生的附加彎矩和應力相對比較突出。