大型液氨贮槽残余应力测试

某机械厂制造了一台大型液氨贮槽，由于受当时热处理炉能力的限制，没有进行焊后消除应力处理，制造完毕后仅露天自然时效10个月就投入使用。因此，需要对其进行残余应力测试，了解其残余应力分布状况。

贮槽简况

液氨贮槽全长为13.324m，容积为48m³，设计压力2.2MPa，操作压力1.6MPa，由8条环焊缝和14条纵焊缝组焊而成。两端为椭圆形封头，主体材料为16MnR。

残余应力测试概况

本次实验采用盲孔法对液氨贮槽进行残余应力测试，所用仪器为聚航科技生产的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK专用钻孔装置组合而成。

布片原则：1.在筒体环焊缝和椭圆封头上焊缝相交处，应变梯度大，残余应力值较高处；2.筒体上最后一道环焊缝，了解环焊缝上最大纵向拉应力σ_x值；3.小接管闭焊缝处，拘束度大，了解其拘束应力状况；4.人孔加强圈附近的纵焊缝与环焊缝的相交附近残余应力水平；5.母材上布了一个测点，是为了了解母材钢板冷卷后残余应力水平。

测试结果及分析

下图是实测残余应力值与理论计算值

残余应力分布规律

由于测点分布在液氨贮槽的焊缝上、贴合线上以及近缝区，即布在残余应力拉伸区范围内。因此，测点的纵向残余应力σ_x平均值偏高，接近或达到材料的屈服极限，个别点的σ_x超过屈服极限20%，其应力分布符合理论上的分析。也就是说，最大值在焊缝的熔合线上，且受拉应力，偏离焊缝中心后逐渐缩小，最后为压应力。该液氨贮槽的最高纵向残余应力值σ_x在圆筒形壳体上最后一道环焊缝上。另外，圆筒形壳体与椭圆形封头相交处，经返修补焊过的焊缝熔合线上的残余应力也相当高。

误差分析

1. 测量的基本误差包括系统误差和偶然误差，包括应变片、应变仪和钻孔三个方面。测试过程中，室外气温较高，对应变仪的精度有一定的影响，加之应变片的粘贴质量、钻孔引起的误差等。

2. 特殊误差：钻孔后，孔边局部材料屈服，产生塑性变形，导致测量的释放应变偏大，因而引起测量的计算应力偏高。个别点的残余应力高于材料的屈服极限。这将严重降低测量精度，属于特殊误差。这是其一、其二是被测工件表面或厚度方向存在应力梯度，盲孔法测定中采用的应变花都具有一定的尺寸，测得的释放应变是代表应变片面积上的平均释放应变值，由于被测工件表面存在应力梯度，采用测量应变片位置的释放应变值计算得到的应力值来代表圆孔中心位置的残余应力存在一定的误差，误差的大小与应力梯度有关。

结论

实测残余应力值与理论计算值基本相符，表明测试结果可靠，残余应力的大小及分布规律与理论上的分析是一致的。对于未经消除应力处理，在自然时效10个月的液氨贮槽，近缝区的实际焊接残余应力仍然很高。建议采用振动时效法来降低残余拉应力σ_x，此方法适合大型复杂零件，操作简单，省时省力，消除率高。另外，如有可能，采用便携式电解抛光装置对容器表面进行处理，减轻表面砂轮打磨引起的误差。