扁平钢带错绕式压力容器钢带两端焊接残余应力的研究

陈维林 程光旭 秦 牧 胡雨齐 张翼敏

（西安交通大学化学工程与技术学院） （浙江巨化装备制造有限公司)

0 概述

扁平钢带错绕式压力容器1964年由浙江大学首创,1965年分别在杭州锅炉厂和南京第二化工机械厂做工业产品试验获得成功[1]。随后,该型容器先后制造了7000多台并推广应用于全国各地,有氨合成塔、甲醇合成塔、氨冷凝器、铜液吸收塔、水压机蓄能器及各种高压气体储罐[2]，未有爆破等恶性事故报道[3]。当前扁平钢带错绕式压力容器的一个主要发展方向是爆炸容器和高压储氢容器。到目前为止，该型容器已成功应用于80 MPa高压储氢容器[3]，同时98 MPa的储氢容器正在研制之中。

扁平钢带错绕式高压储氢容器的优点是极其突出的[4]。首先是原材料简单、可靠， 缺陷少；其次是应力分布合理,能实现环向、轴向、内壁、外壁等强度优化设计；再次是容器具有 “抗爆”的特性，即使发生裂纹严重扩展,也不会发生整体断裂爆破；再次是容器制造简单、方便，生产效率高、成本低，同时能经济可靠地实现在线监测，显著延长停产开罐检测的使用周期；最后，该容器结构设计灵活,适应变化范围广,具有较好的抵抗冲击破坏的能力。

虽然扁平钢带错绕式压力容器在设计、制造中已经极大地降低了焊接对容器性能的影响，但是随着该类容器工作压力的不断提高，以及在储氢苛刻条件下的应用，绕带层两端的焊接缺陷 （残余应力）已经成为影响容器整体性能的不可预测的因素。特别是绕带层钢带的焊接工艺，由于其不包含焊后热处理，使得残余应力普遍存在且较大，容易引发氢损伤和疲劳失效等问题。因此有必要对扁平钢带错绕式压力容器制造过程中的焊接效果进行研究。本文针对一内径500 mm、工作压力98 MPa的扁平钢带错绕式高压储氢容器，通过盲孔法研究了其钢带两端焊缝处的残余应力幅值及其分布情况，为该型容器生产工艺的改进提供了参考依据。

盲孔法是目前理论最成熟、应用最广泛的残余应力测量方法之一。相比于残余应力无损检测方法和其它机械方法，其具有测量简便、适用范围广、破坏性小等特点，特别适合于焊接应力场的测量。

1 盲孔法残余应力测试方法介绍

盲孔法最早由德国人J.Mathar于1934年首先提出，在电阻应变片出现后，经N.J.Rendle和I.Vigness的理论研究和实验验证[5]，得到极大地改进和完善。美国材料试验协会已于1981年制订了测量标准ASTM E837[6]。

1.1 盲孔法测量原理

如图1所示，对于无限大的平板试件，在只受单应力σmax的情况下钻一小孔，则在距小孔中心r处的圆周上任意一点均会引起应变。如果以小孔为中心，以应力方向为横坐标建立坐标系，则圆周上任意一点的应变可表示为：

通过式 （1），在已知载荷的情况下测量相应的应变量，即可计算出圆周上任意一点的k(α)值。绘出k(α)值在±180°范围内的分布图，即可供使用。由于这种图形方法使用起来十分不方便，且不够精确，因此N.J.Rendler和I.Vigness通过数学方法求解出了k(α)的近似解析表达式[6]：

图1 单应力情况

式中A、B即为钻孔法中所必需的校正系数。校正系数A、B与被测试件的材料特性，如弹性模量、泊松比，以及一些几何尺寸参数有关，需要通过试验确定。为使得校正系数具有通用性，通过进一步分析，可以引入新的校正系数 a、b，即 a=，b=-2EB，从而将弹性模量、泊松比从A、B中分离出来。新的校正系数a、b可以通过数值模拟的方法得到[7]，也可以从一些标准中查表得到[8]。对于一般的测量，可以使用校正系数a、b来计算残余应力，从而减少测量难度，也减少计算难度；而对于焊缝等特殊情况，由于材料弹性模量、泊松比等未知，因此只能使用校正系数A、B。

进一步，如图2所示，当上述平板受到两个正交应力σmax和σmin时，通过叠加原理，上述圆周上任意一点的应变可表示为：

图2 平板在正交应力作用下

更进一步，如图3所示，当建立的坐标系与正交应力成一定夹角β时，则上述圆周上任意一点的应变可表示为：

图3 正交应力与坐标系成一定夹角

式 （3）中， 如果分别令 θ=0°， 45°(或-135°)，90°，并测量这些位置处的应变值，即可方便地求解出相应的最大、最小主应力[6-7]。

1.2 实际操作中的注意事项

以钻孔法测量残余应力，受操作者的影响很大。系统测量精度受许多因素的影响，主要包括基本力学模型、孔边塑性变形、钻削附加应变、操作工艺以及设备仪器带来的误差等[8]。操作工艺方面的因素主要包括孔位偏移、孔径和孔深误差、应变片粘贴质量及灵敏度误差等[8]。

对于焊接残余应力的测量，由于受焊缝几何尺寸和标准残余应力应变计规格的影响，很容易出现焊缝尺寸不能满足大于8倍钻孔直径[6]等要求，因此也会影响测量精度。由于焊缝处材料的弹性模量、泊松比等无法简单获知，这些因素使得钻孔法测量残余应力标准ASTM E837所推荐的测量方法和步骤不完全适用于焊接残余应力的测定，因此实际应用中应综合参考该标准和参考文献[7]。

2 试验过程、数据及分析

本文对一内径500 mm、工作压力98 MPa的扁平钢带错绕式高压储氢容器，通过盲孔法研究了其最内层钢带两端焊缝处的残余应力分布情况。如图4所示，当容器完成最内层钢带的缠绕时，经表面处理后，在每根钢带两端焊缝中心处粘贴电阻应变片并完成钻孔、测量工作。已知最内层钢带缠绕时所受拉力为181.63 MPa，钢带缠绕倾角为21.81°。

图4 钢带端部焊缝

试验所用电阻应变片为ASTM E837标准中所列的 120 Ω、1/8英寸 （3.175 mm）、Type A型应变片。标准型的应变片有利于简化残余应力的计算，而较大的尺寸则因为散热好而使得应变测量更稳定、可靠。贴片胶为中航工业电测仪器股份有限公司的B-702常温固化贴片胶，其特点是粘结力强、使用方便，蠕变、滞后小，耐温耐湿性能差，适用于普通常温应变计粘贴，做周期较短的应力测试[9]。应变测量仪是美国国家仪器有限公司的NI-9235，其特点是精度高 （0.1%）、性价比高、灵活易用。

试验所用残余应力钻孔装置为济南辉腾机电设备有限公司的HTZ-12S型精密钻孔装置，其主要技术指标是对中精度±0.001、孔深控制精度±0.05、最高转速4000 r/min、钻头夹持范围0.3～4 mm。

图5 应变片粘贴及连线

图6 钻盲孔释放应变

图7 钻孔后测量应变

试验的各测点分布在钢带两端的焊接处。试验过程大致分为贴片、钻孔和测量三步，如图5～图7所示。其中应变测量程序为自行编写的、基于LabVIEW的数据采集程序，可以实现应变测量中的通道配置、电桥配置、应变清零、暂停测试、数据显示、自动保存等功能。程序界面如图8和图9所示。试验后，各测点测试数据如表1所示 （表中符号 “-”代表数据缺失）。

图8 应变测量程序交互界面

图9 应变测量程序框图

表1 原始测量数据

表1中，第2组第6个应变片测试的数据近似满足 2（ε2′-ε2）=（ε1′-ε1）+（ε3′-ε3）， 因此该应变片仅受单向应力。又由于已知载荷为181.63 MPa，钢带缠绕倾角为21.81°，因此用其确定校正系数，得A=-2.335，B=-0.647。再根据参考文献 [7]中的式 （11），即可确定钻孔处的应力幅值及分布。分别以电阻应变片丝栅1和丝栅3的方向为直角坐标系的X、Y轴，亦即Y轴平行于容器轴线、X轴相切于容器焊缝处的周线，另设盲孔处所受综合应力(残余应力与绕带载荷的合成应力)与X轴夹角为γ，如图10所示，则数据处理结果如表2所示。表2中σmax、σmin、β含义见图3。根据上述处理结果，将盲孔处的综合应力以向量形式表示于图11（a）中，然后通过向量减法将盲孔处的焊接残余应力分解后表示于图11（b）中。

图10 坐标系

表2 钻孔处的综合应力及焊接残余应力分布

图11 应力分布

3 结论

本文对一工作压力为98 MPa的储氢容器研究了其钢带两端焊缝处的残余应力。根据测量结果可以得知：

（1） 从图11（a）可以看出，焊缝处综合应力表现为周向拉应力、轴向压应力或较小的拉应力。周向拉应力主要是由钢带缠绕时的拉力造成的，轴向压应力主要是由焊接残余应力造成的；焊接处残余应力虽幅度不同，但均表现为轴向压应力，这主要是由于焊接过程中轴向变形受到限制所致。

（2）从表2和图11可以看出，残余应力的存在增强了焊缝处的轴向抗拉强度，同时却降低了周向抗拉性能的均一性，即不同位置的周向应力幅值差异大，在实际使用中会导致部分焊接处沿着周向或近周向出现局部屈服现象。

（3）由于焊接残余应力较大，那么当设备在周期载荷作用下工作时，会优先出现疲劳裂纹，进而使容器因疲劳而失效。因此，对于高压储氢容器，尤其是经常处于充氢、放氢工况的容器，在其制造时应对钢带层焊接处增加残余应力消除工序。

[1] 朱瑞林，杨金来 .扁平绕带式压力容器综合评述 [J].科技通报,1999,15(1)：42-47.

[2] 郑津洋,陈瑞,李磊,等 .多功能全多层高压氢气储罐[J].压力容器,2005,22(12)：25-28.

[3] 朱国辉.扁平绕带式压力容器的发展优势 [J].化工设备设计,1997,34(3)：5-6.

[4] 朱国辉,陈志平,郑传祥,等.钢复合材料压力容器技术典型代表 [J].化工装备技术,2000,21(1)：1-8.

[5] Rendler N J,Vigness I.Hole-drilling strain-gage method ofmeasuring residualstresses[J] .Experimental Mechanics,1966,6(12)：577-586.

[6] ASTM E837-08，Standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain-gage method[S].

[7] Measurements V M.Measurement of residual stresses by the hole drilling strain gage method[R].Tech Note TN-503-6,2007.

[8] 林丽华,陈立功.残余应力测量技术现状及其发展动向[J].机械,1998,25(5)：46-9.

[9] http：//www.zemic.com.cn/show_production.asp?num=155