蔡剛毅 虞雪芬 項 智 陳 長 楊建華

(浙江省特種設(shè)備檢驗研究院)

球罐是儲存各種氣體和液化氣體的常用壓力容器之一，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金及城市燃氣供應(yīng)等領(lǐng)域。球罐由球殼和支座兩部分組成，球殼由許多塊球瓣組焊而成，球瓣的拼接方式一般有足球式分瓣和橙皮式分瓣兩種；常見的支座形式主要有支柱式，一般球罐采用赤道正切支柱式支座。

球罐在使用過程中，內(nèi)部易受介質(zhì)的影響，外部易受大氣環(huán)境的影響，某些情況下可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。球罐支柱的角焊縫是應(yīng)力集中最大的部位，一般是應(yīng)力檢測的重點部位。常規(guī)檢測方法因支柱角焊縫的特殊結(jié)構(gòu)形式可能會消耗大量檢驗時間或發(fā)生漏檢，因此筆者采用金屬磁記憶法和常規(guī)檢驗方法對支柱角焊縫處的應(yīng)力狀況進行檢測，并利用有限元分析軟件對球罐進行應(yīng)力計算。

1 金屬磁記憶檢測技術(shù)

金屬磁記憶檢測的原理是磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)。工件在運行時受工作載荷和地球磁場的共同作用會發(fā)生磁疇組織定向且不可逆的重新取向(即伸縮致磁)，但工作載荷去除后所產(chǎn)生的磁會被工件記憶下來，形成磁場。在應(yīng)力集中的部位，磁場強度的法向分量會發(fā)生符號變化，并存在過零值點，即出現(xiàn)磁場強度Hp=0的點。利用金屬磁記憶檢測設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)磁場強度Hp=0的點，從而確定應(yīng)力集中區(qū)。

金屬磁記憶檢測技術(shù)是由俄羅斯學(xué)者Dubov A A于20世紀(jì)90年代后期首次提出的[1]。任吉林和林俊明于2000年首先向中國無損檢測界介紹了金屬磁記憶檢測技術(shù)的檢測原理和磁記憶儀器的構(gòu)成原理[2]；黎連修利用磁致伸縮方程分析了磁記憶現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和規(guī)律，對磁記憶原理做了十分詳細的補充[3]；劉昌奎等利用金屬磁記憶檢測技術(shù)定量評估了18CrNi4A材料的疲勞損傷，使金屬磁記憶檢測技術(shù)由定性評估階段發(fā)展到定量評估階段[4，5]。通過大量學(xué)者的試驗研究，金屬磁記憶的原理已得到初步完善，并已發(fā)展成較成熟的一種無損檢測技術(shù)[6～10]。

2 金屬磁記憶檢測

現(xiàn)對某在用的4 000m3C5球罐的支柱角焊縫進行金屬磁記憶檢測，球罐的主要參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 0.6MPa

設(shè)計溫度 50℃

公稱壁厚 30mm

主體材料 Q345R(球罐、支柱)

支座形式 赤道正切

內(nèi)徑 19 700mm

操作壓力 0.167MPa

容積 4 000m3

實際操作溫度 常溫

實際工作介質(zhì) C5

熱處理 焊后整體熱處理

將支柱角焊縫分成3段(1#檢測部位、2#檢測部位、3#檢測部位)進行檢測(圖1)。以銘牌所在支柱為1#柱，逆時針方向按順序?qū)η蚬拗е幪?圖2)。

圖1 支柱角焊縫右視圖與正視圖

圖2 球罐支柱編號

筆者所采用的儀器為TSC-1M-4應(yīng)力集中磁檢測儀，利用該儀器測量被檢測對象表面磁場強度Hp的分布，不需要對被檢對象進行專門磁化，不要求對被檢測表面做任何準(zhǔn)備工作，在檢測過程中確定金屬的應(yīng)力集中和缺陷部位。儀器技術(shù)參數(shù)有：磁場強度Hp的測量范圍為-2 000～2 000A/m；最大采樣間距為128m，最小采樣間距為1m；最大掃描速度為0.5m/s。測量所用傳感器有4個通道，根據(jù)掃描面積大小，使用其中兩個通道。

檢測結(jié)果見表1，若表中的磁參數(shù)值大于3.000，則表示該段支柱角焊縫存在應(yīng)力集中指示區(qū)。從表1可以發(fā)現(xiàn)：2#、3#、5#、6#、9#、11#和12#這6根支柱均有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中2#支柱應(yīng)力集中情況最嚴(yán)重。

表1 各支柱角焊縫金屬磁記憶檢測磁參數(shù)

現(xiàn)對2#支柱磁記憶檢測數(shù)據(jù)進行分析，圖3為2#支柱3個檢測部位的數(shù)據(jù)分析和檢測信號圖。由圖3和表1分析得出：2#支柱的2#檢測部位有很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，1#檢測部位有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，3#檢測部位應(yīng)力變化較平穩(wěn)，不劃定應(yīng)力集中指示區(qū)。

圖3 2#支柱數(shù)據(jù)分析和檢測信號圖

綜合分析表1發(fā)現(xiàn)：球罐支柱應(yīng)力集中區(qū)普遍分布于1#、2#檢測部位，3#檢測部位的應(yīng)力集中區(qū)分布相對較為不明顯。

3 常規(guī)檢測驗證

對球罐所有支柱進行常規(guī)檢測，發(fā)現(xiàn)2#、9#、10#支柱角焊縫處存在超標(biāo)裂紋。這表明，金屬磁記憶法可用于常規(guī)檢測之前以確定重點檢測部位，使檢測更具針對性，提高檢測效率。

4 球罐應(yīng)力校核

根據(jù)球罐實際尺寸建立支腿式球罐的整體幾何模型，使用ANSYS14.0軟件建立其有限元模型(圖4)。其中，對支柱和球殼模型采用SHELL281單元進行網(wǎng)格劃分，對拉桿模型采用LINK 180單元進行網(wǎng)格劃分。單元總數(shù)為34 080個，節(jié)點總數(shù)為100 130個。

圖4 球罐有限元模型圖

根據(jù)球罐的實際工作情況，在結(jié)構(gòu)支柱底板施加全約束。將工作壓力0.167MPa施加在整個球殼上，將雪壓250Pa施加在球罐上半球，將風(fēng)壓650Pa施加在2#支柱所在的西半球方向。球罐使用期間，該地區(qū)未發(fā)生地震，因此暫不考慮地震載荷。在工作壓力、風(fēng)壓和雪壓的共同作用下，球罐的最大von mises等效應(yīng)力為32.04MPa，位于2#支柱角焊縫處。球罐的設(shè)計資料表明，2#支柱角焊縫處的應(yīng)力滿足球罐結(jié)構(gòu)的強度要求。因此，檢測所發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)裂紋不是應(yīng)力集中造成的。根據(jù)焊接工藝和焊接條件判定該超標(biāo)裂紋有可能是焊接時產(chǎn)生的。

5 結(jié)論

5.1利用金屬磁記憶法對在用球罐支柱角焊縫進行檢測，發(fā)現(xiàn)部分支柱角焊縫處存在應(yīng)力集中指示區(qū)，且普遍分布于1#、2#檢測部位。

5.2通過常規(guī)檢測方法發(fā)現(xiàn)，在部分金屬磁記憶方法檢測得到的應(yīng)力集中指示區(qū)存在超標(biāo)裂紋，這表明金屬磁記憶法檢測得到的應(yīng)力集中指示區(qū)可作為常規(guī)檢測時的重點檢測部位，使檢測工作更具針對性，提高檢測效率。

5.3對球罐進行有限元計算，發(fā)現(xiàn)最大von mises等效應(yīng)力位于球罐2#支柱角焊縫處，但該處的應(yīng)力滿足球罐結(jié)構(gòu)強度要求，因此檢驗發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)裂紋可能是由焊接所致。

[1] Dubov A A.A Rapid Method of Inspecting Welded Joints Utilizing the Magnetic Memory of Metal[J]. Welding International, 1997, 11(5):410～413.

[2] 任吉林，林俊明.金屬磁記憶檢測技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2000：2～4.

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[4] 劉昌奎，陶春虎，陳星，等.金屬磁記憶檢測技術(shù)定量評估構(gòu)件疲勞損傷研究[J].材料工程，2009，(8)：33～37.

[5] 劉昌奎，陶春虎，陳星，等.基于金屬磁記憶技術(shù)的18CrNi4A鋼缺口試件疲勞損傷模型[J].模型航空學(xué)報，2009，30(9)：1641～1647.

[6] 張衛(wèi)民，董韶平，張之敬.金屬磁記憶檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國機械工程，2003，14(10)：892～896.

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