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1500M3液化石油氣球罐殘余應力分析

文檔作者：張亦良徐學東王澤軍文檔來源：北京工業(yè)大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月28日
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收稿日期：!""#$"%$!&amp;amp;
作者簡介：張亦良（’(%%$），女（漢族），北京人，教授，主要從事疲勞斷裂力學、結(jié)構(gòu)殘余應力、動靜態(tài)應變、材料應力腐蝕、
磁記憶檢測及失效分析等研究。
文章編號：’"""$)#**（!""#）"*$"""($"#
! "## $% 液化石油氣球罐殘余應力分析
張亦良’，徐學東’，王澤軍!
（’+ 北京工業(yè)大學，北京’"""!!；!+ 天津鍋爐壓力容器技術(shù)檢驗所，天津,""’(!）
摘要：’ 臺’ %"" -, 的’* ./0 液化石油氣球罐，建造時經(jīng)過整體熱處理，運行# 1后在檢修中發(fā)現(xiàn)大
量裂紋。用2 射線法對該球罐進行了系統(tǒng)的殘余應力測試，分析了大量裂紋與殘余應力水平的關(guān)
系。對出現(xiàn)裂紋最多的區(qū)域和未見裂紋的區(qū)域分別進行考察，結(jié)果表明，焊縫附近殘余應力總體水
平較高，內(nèi)壁赤道帶焊縫處殘余應力高達"+)!!3
，顯示當初的熱處理效果不理想。球罐大修補焊及
整圈熱處理后在相同位置重新進行測試，結(jié)果表明，殘余應力大幅度降低，整體下降約%"4，熱處
理效果良好。同時解決了2 射線應力儀現(xiàn)場垂直方向測試的技術(shù)問題。
關(guān)鍵詞：球罐；殘余應力；2 射線法；裂紋；熱處理
中圖分類號：56 #"#；57 ()! 文獻標識碼：8
&amp;amp;’()*+,- (./’(( ,0,-1()( 23 , ! "## $% -)4+’3)’* 5’./2-’+$ 6,( (57’/)8,- 9’((’-
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LDAI KB1I3 DL IA//=/?+ 5NB HB33B> TB=/? LA>>K NB1J$JIB1JBC =3 -1CB DL ’*./0+ 5NB/ JNB IB>1J=D/3N=S3 TBJWBB/ JNB /A-BIDA3 MI1MU3
1/C IB3=CA1> 3JIB33 3NDA>C TB 1/1>KXBC TK JB3J=/? JNB HB33B> 3K3JB-1J=M1>>K W=JN 2$01K -BJNDC+ 5NB JB3J IB3A>J3 3NDW JN1J JNB =/JB$
?I1> >BHB> DL =J3 IB3=CA1> 3JIB33 =3 -AMN N=?NBI =/ JNB 1IB13 /B1I JNB WB>C=/? >=/B 1LJBI CBJBMJ=/? JNB 1IB1 W=JN -D3J MI1MU3 1/C W=JN$
DAJ MI1MU3，1/C JNB IB3=CA1> 3JIB33 DL DI=?=/1> 3J1JB XD/B DL =//BI 3AIL1MB N13 TBB/ AS JD "+)!!3
，WN=MN SIDHB3 JNB BLLBMJ DL JNB NB1J
JIB1J-B/J =3 /DJ ?DDC B/DA?N+ 5NB 3BMD/C1IK IB3=CA1> 3JIB33 JB3J DL JNB 31-B JB3J=/? SD=/J3 1J WDIU 3=JB 1LJBI JNB =/JB?I1> NB1J JIB1J$
-B/J DL >1I?B I=/? WB>C TB1C =3 SBILDI-BC+ 5NB IB3=CA1> 3JIB33 CBMIB13B3 DTH=DA3>K 1/C MD-B3 CDW/ 1TDAJ %"4 JDJ1>>K，WN=MN
3NDW3 JNB BLLBMJ3 DL JNB 3BMD/C NB1J JIB1J-B/J =3 ?DDC+ .B1/WN=>B，JNB -B13AIB-B/J JD JNB 3JIB33 =/ JNB HBIJ=M1> C=IBMJ=D/ W=JN 2$
01K =3 L=/=3NBC 1LJBI 1 3BJ DL 3SBM=1> JIB1J-B/J3 =/ JNB DAJL=B>C+
<’1 =2/*(：3SNBI=M1> HB33B>；IB3=CA1> 3JIB33；2$I1K C=LLI1MJ=D/；MI1MU；NB1J JIB1J-B/J
天津泰達公司’ 臺’ %"" -,液化石油氣球罐材
料為’* ./0，壁厚#! --，該球罐經(jīng)過整體熱處理后
于’((&amp;amp; 年正式投入運行?！?(( 年開罐檢查時，發(fā)現(xiàn)
內(nèi)壁大環(huán)焊縫下部有少量裂紋，當時只進行了打磨
處理。!""! 年第! 次開罐檢查時發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外壁的大
環(huán)焊縫處有數(shù)百條裂紋，多數(shù)為細小裂紋。為分析
大量裂紋出現(xiàn)的原因，北京工業(yè)大學用2 射線法在
現(xiàn)場對球罐進行了較詳細的殘余應力測試分析。
第’ 次測試是在對球罐做了局部修復后進行
的，分別考察了裂紋最多的大環(huán)焊縫區(qū)域，上、下極
板區(qū)域以及進行補焊和局部熱處理后的修補狀態(tài)區(qū)
域。結(jié)果表明，殘余應力整體水平較高，內(nèi)壁原始狀
態(tài)區(qū)應力達到"+)!!3
，說明球罐建造時的熱處理效
果不理想。在進行了補焊及局部熱處理的部位，殘
余應力接近或者達到屈服應力，說明局部熱處理沒
有起到作用。
第,, 卷第* 期
!""# 年’’ 月
石油化工設備
P750Y$O:7.RO8Z 7[@RP.7;5
QD>\,, ;D\*
;DH\ !""#
第! 次測試是在球罐經(jīng)較大的修復補焊并對大
環(huán)焊縫處進行整圈熱處理后進行的。對熱處理前后
相同的測點進行了! 次殘余應力測試。測試結(jié)果表
明，該次熱處理效果良好。
對殘余應力的現(xiàn)場測試以及工程應用，國內(nèi)外
學者已做了大量的研究工作［" # $］，近年來已經(jīng)逐漸
從實驗室走向現(xiàn)場［% # &amp;amp;］，文獻［’ # &amp;amp;］解決了大型容
器現(xiàn)場測試的技術(shù)問題，但是大多僅限于在水平面
或者小曲率（小坡度）的球面上進行測試，而文中測
試的是球罐內(nèi)壁赤道帶處的大環(huán)焊縫，必須在球罐
內(nèi)側(cè)垂直方向上進行測試，這就給儀器的支撐和放
置帶來了很大困難。若支撐不穩(wěn)定，會直接影響測
量精度。筆者較好地解決了測量中的技術(shù)問題，在
測試角度不小于()*的情況下成功進行了測試，并且
得到了可靠數(shù)據(jù)。
! 殘余應力測試方法
采用+ 射線法進行測量，測試儀器為,-./!0 +
射線應力儀，測試方法為!!# 123!" 法，測試晶面為
#/.4（!""）面，+ 光管工作電壓%) 56，+ 光管工作電
流7 # &amp;amp; 89。
要保證儀器在垂直面上或者儀器測試角度大于
()*時的測量精度，必須首先解決儀器的支撐問題。
儀器測角頭的質(zhì)量超過!) 5:，當其在垂直方向工作
時，磁性支座受到剪切力的作用，顯然單靠磁性支撐
是不夠的。采用增加千斤頂?shù)霓k法，可以使儀器的
主要質(zhì)量由千斤頂來承擔，再加上儀器% 根支柱上
帶開關(guān)的磁性支座，同時在儀器支架的固定孔中用
鋼絲加以固定，即可確保儀器在測量過程中的正常
運行。
測試前先對測點進行打磨處理，以去除銹層及
表面污物，然后用細砂紙將表面打磨平整光滑，對表
面進行深度約為"))!8的電解拋光，以消除由打磨
造成的表面加工應力。+ 射線應力儀帶有微機控制
系統(tǒng)，可自動進行數(shù)據(jù)處理，測試完畢后儀器自動打
印結(jié)果。
" 第! 次測試結(jié)果及分析
";! 測點布置及原則
在透視及探傷的基礎(chǔ)上，對本次檢修所發(fā)現(xiàn)的
缺陷部位和未發(fā)現(xiàn)缺陷的部位進行測試。各測點的
一般配置方法是，對丁字焊縫區(qū)一般選擇% # $ 個測
點，對環(huán)、縱焊縫區(qū)一般選擇% 個測點，見圖"。根
據(jù)裂紋集中在球罐赤道帶處大環(huán)焊縫的特點，重點
對內(nèi)壁大環(huán)焊縫處進行測試，外壁選擇對應測點。
為全面分析裂紋出現(xiàn)的原因，考察球罐最初的熱處
理效果，在球罐的上、下極板布置了相應測點，殘余
應力測點布置見圖!。
圖" 不同焊縫區(qū)測點布置
圖! 球罐殘余應力測點布置
";" 結(jié)果及討論
球罐內(nèi)、外壁，上、下極板和母材區(qū)域殘余應力
測試總結(jié)果見表"。
（"）內(nèi)壁下極板下極板總體應力不大，最大應
力發(fā)生在下小環(huán)熱影響區(qū)位置，其殘余應力為
!"! 0,<，按照該球殼板的屈服強度復驗值$1 =
%!) 0,<計算，相當于);77$1> ）的殘余應力高達
· ") · 石 油 化 工 設 備 !))$年 第 %%卷
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!"# $%&amp;amp;，按照該塊球殼板屈服強度復驗值!’ (
!)" $%&amp;amp;計算，相當于*+,#!’
。按電焊條實際屈服應
力!’ ( "#, $%&amp;amp;計算，環(huán)焊縫焊肉處（*" - ）殘余應力
相當,+.!!’
，下熱影響區(qū)（*/ - ）的殘余應力相當于
*+,"!’
。對于剛焊接后的狀態(tài)，殘余應力數(shù)值接近
或者達到屈服應力是可能的，但是該區(qū)域在補焊后
已做過局部熱處理，殘余應力如此大，說明了局部熱
處理沒有達到消除應力的目的。
表! 球罐第!
!!
次殘余應力測試結(jié)果
位置測點號!0 1$%&amp;amp; 位置測點號!0 1$%&amp;amp; !2
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
1$%&amp;amp;
內(nèi)
壁
赤
道
帶
修
補
狀
態(tài)
區(qū)
丁
字
縫
環(huán)
縫
環(huán)
縫
右上熱影響區(qū). ##)
左上熱影響區(qū)3 ##)
焊肉*, #!,
下熱影響區(qū)** !"#
上熱影響區(qū)*# *.4
下熱影響區(qū)*! #,,
上熱影響區(qū)*) #4)
焊肉*" )!,
下熱影響區(qū)*/ !/#
內(nèi)
壁
赤
道
帶
原
始
狀
態(tài)
區(qū)
環(huán)
縫
環(huán)
縫
環(huán)
縫
環(huán)
縫
丁字縫
上熱影響區(qū)*4 #!)
下熱影響區(qū)*. #*.
上熱影響區(qū)*3 #)!
下熱影響區(qū)#, #"3
上熱影響區(qū)#* *.*
焊肉## *3)
下熱影響區(qū)#! #*#
上熱影響區(qū)#) *)/
焊肉#" *3)
下熱影響區(qū)#/ *.4
右上熱影響區(qū)#4 *"/
下
極
板
下極板母板* .4 3)
下
小
環(huán)
拼
接
縫
上熱影響區(qū)# *#. 5
焊肉! *#) 5
下熱影響區(qū)) #*# *.4
上熱影響區(qū)" **. 5
焊肉/ *#. /.
下熱影響區(qū)4 .) .4
上
極
板
外
壁
赤
道
帶
上極板母板!* ", /.
環(huán)
焊
縫
丁
字
縫
丁
字
縫
環(huán)
焊
縫
上熱影響區(qū)!# 3 5
焊肉!! **# /)
下熱影響區(qū)!) 3. "/
上右熱影響區(qū)!" *#. !)
焊肉!/ *," 3#
下熱影響區(qū)!4 *)# *,#
上右熱影響區(qū)!. .4 5
焊肉!3 *!) 5
下熱影響區(qū)), *4) 5
上熱影響區(qū))* *3# 5
焊肉)# #*, 5
下熱影響區(qū))! *./ 5
注：!0
為平行焊縫應力，!2
為垂直焊縫應力。
（)）內(nèi)壁赤道帶處原始狀態(tài)區(qū)在開罐檢查后
沒有經(jīng)過補焊的部位（即原始狀態(tài)區(qū)）選擇了** 個
測點（*4 - 6 #4 - ），主要是環(huán)焊縫的上、下熱影響區(qū)。
從結(jié)果看，最大的殘余應力為,+4#!’
，平均值為
,+".!’
。殘余應力過高說明最初的整體熱處理效果
不夠理想。
（"）外壁上極板該區(qū)域殘余應力水平不高，屬
于正常水平。
（/）外壁赤道帶此處殘余應力水平偏高，最大
值為,+/"!’
，平均值為,+/!’
。該處已出現(xiàn)多處裂
紋，在丁字焊縫區(qū)較低的殘余應力與裂紋有直接關(guān)
系［*,］。因此，該處的應力值不足以說明問題。
（4）內(nèi)壁赤道帶大環(huán)焊縫上、下熱影響區(qū)該球
罐絕大多數(shù)裂紋出現(xiàn)在大環(huán)焊縫的下熱影響區(qū)處，
下熱影響區(qū)的殘余應力普遍高于上熱影響區(qū)的，與
裂紋出現(xiàn)規(guī)律吻合。
" 第# 次測試結(jié)果及分析
球罐第* 次修復測試后，又經(jīng)過多次返修仍未
見效，最終將大環(huán)焊縫全部刨開重新焊接，并采用鋪
設電阻絲帶的局部熱處理方法進行了焊接部位整圈
熱處理。幾個月后對球罐進行了補焊后及熱處理后
# 次殘余應力測試。
測試仍在球罐內(nèi)壁的大環(huán)焊縫處進行。測點主
要布置在丁字縫和環(huán)縫處，共選擇*# 個測點。測試
方向為最大主應力方向。補焊后及熱處理后殘余應
力對比結(jié)果見表#。
表# 補焊后及熱處理后殘余應力!$
!!!
對比
位置測點號!0 1$%&amp;amp;
補焊后熱處理后
位置測點號!0 1$%&amp;amp;
!!!!!!!!!!
補焊后熱處理后
環(huán)
縫
7
上
丁
字
縫
上熱影響區(qū)* !/" **#
焊肉# !/# *,"
下熱影響區(qū)! !,/ #!)
左上熱影響區(qū)) #"# */#
焊肉" !#* **#
下熱影響區(qū)/ #!4 *3)
環(huán)
縫
!
下
丁
字
縫
上熱影響區(qū)4 */# **.
焊肉. !4) 5 3
下熱影響區(qū)3 !!4 *.4
上熱影響區(qū)*, )!/ *!4
焊肉** )!/ */#
左下熱影響區(qū)*# ),/ */.
第 /期 張亦良，等：* ",, 8! 液化石油氣球罐殘余應力分析 · ** ·
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補焊后球罐內(nèi)壁! 個區(qū)域殘余應力數(shù)值均較
大。其中下丁字焊縫處最大應力達!"# $%&amp;amp;，平均值
達!’# $%&amp;amp;，相當于()’"!*
。對于!+ ,,以上厚度的
板材，經(jīng)過整道焊縫的焊接，殘余應力達到或超過屈
服應力也屬正?，F(xiàn)象。
熱處理后球罐殘余應力明顯降低，整體平均下
降-+.。! 個區(qū)域熱處理前后殘余應力最大值及平
均值比較見圖"。
圖" 熱處理前后! 個區(qū)域殘余應力比較
球罐最終殘余應力最大值為+)#/!*
，出現(xiàn)在環(huán)
焊縫的下熱影響區(qū)部位。平均殘余應力水平約
+)!!*
。
! 結(jié)語
!球罐整體返修前，內(nèi)、外壁赤道帶殘余應力水
平較高，特別是內(nèi)壁原始狀態(tài)區(qū)殘余應力達到
+)0’!*
，這對于已經(jīng)運行了! &amp;amp;并經(jīng)過整體熱處理及
焊縫余高打磨的球罐是極不正常的，說明當初的整
體熱處理效果不理想。"球罐經(jīng)過補焊及局部熱處
理后，殘余應力水平仍接近或達到屈服應力，說明局
部熱處理沒有起到作用。#球罐赤道帶環(huán)焊縫處下
熱影響區(qū)的殘余應力明顯高于上熱影響區(qū)的殘余應
力，球罐內(nèi)、外壁母材殘余應力水平不高，屬正常情
況。$球罐’ 次返修后焊后殘余應力水平較高。整
圈熱處理后殘余應力大幅度降低，整體下降約
-+.。球罐最終殘余應力最大值為+)#/!*
，平均殘
余應力水平為+)!!*
。
參考文獻：
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D;=2 RG5&amp;amp;F 3;CC5&amp;amp;B=@,<=<5 &amp;amp;73 *=5&amp;amp;;7 K&amp;amp;4K< ,<&amp;amp;*45<,<7［= 6］) =2< "=2
T7=<57&amp;amp;=;@7&amp;amp;> U@7C<5<7B< @7 OSA<5;,<7=&amp;amp;> $ I@B;<=F C@5 WA=;B&amp;amp;> O7K;7<<5;7K，’++() (L/G’+()
［ # ］ 張亦良，徐學東，程詠梅) 氨水儲槽泄漏事故分析及殘余應力
［H］) 壓力容器，’+++，(0（’）：-LG#’)
［ 0 ］ 張亦良，徐學東，程詠梅) (- 萬," 氣柜殘余應力及工作應力
測試分析［H］) 實驗力學，(LL/，("（"）："!"G"!/)
［ / ］ 徐學東，張亦良，袁俊剛) 氨水儲槽失效預測及跟蹤調(diào)查［H］)
理化檢驗，’++"，"L（#）："+/G"(()
［ L ］ 徐秉業(yè)，劉信聲) 應用彈塑性力學［$］) 北京：清華大學出版
社，’++() ’("G’(0)
［(+］ 李慶芬) 斷裂力學及其工程應用［$］) 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大
學出版社，(LL/) (+G(0)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（張編）
中海油動工籌建" #$$ 萬% 南海煉油項目
中海油在惠州大亞灣的( ’++ 萬= 南海煉油項目籌備工
作近日全面展開。預計該工程將會在’++- 年動工興建，并
按計劃在’++/ 年建成投產(chǎn)。該項目投產(chǎn)后，可向中海殼牌
的/+ 萬= 乙烯石化項目提供原料并基本滿足其需求。
（林軒）
短玻纖增強聚丙烯市場前景看好
由于易加工、成本低以及力學性能優(yōu)異，短玻纖增強聚
合物（IXY9%）受到越來越多的重視。
與長玻纖增強聚丙烯相比，短玻纖增強聚丙烯制品使用
標準注塑機加工，不需要額外的設備投入，成本低。其具有
更好的流動性、焊接性和抗疲勞性。短玻纖增強聚丙烯%%Z
IXY 更適合汽車工業(yè)的需要，可以進一步替代金屬和長玻纖
增強聚酰胺來制造汽車零部件。
（林軒）
· (’ · 石 油 化 工 設 備 ’++!年 第 ""卷

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