陳維林 程光旭 秦 牧 胡雨齊 張翼敏

（西安交通大學化學工程與技術學院） （浙江巨化裝備制造有限公司)

0 概述

扁平鋼帶錯繞式壓力容器1964年由浙江大學首創(chuàng),1965年分別在杭州鍋爐廠和南京第二化工機械廠做工業(yè)產(chǎn)品試驗獲得成功[1]。隨后,該型容器先后制造了7000多臺并推廣應用于全國各地,有氨合成塔、甲醇合成塔、氨冷凝器、銅液吸收塔、水壓機蓄能器及各種高壓氣體儲罐[2]，未有爆破等惡性事故報道[3]。當前扁平鋼帶錯繞式壓力容器的一個主要發(fā)展方向是爆炸容器和高壓儲氫容器。到目前為止，該型容器已成功應用于80 MPa高壓儲氫容器[3]，同時98 MPa的儲氫容器正在研制之中。

扁平鋼帶錯繞式高壓儲氫容器的優(yōu)點是極其突出的[4]。首先是原材料簡單、可靠， 缺陷少；其次是應力分布合理,能實現(xiàn)環(huán)向、軸向、內(nèi)壁、外壁等強度優(yōu)化設計；再次是容器具有 “抗爆”的特性，即使發(fā)生裂紋嚴重擴展,也不會發(fā)生整體斷裂爆破；再次是容器制造簡單、方便，生產(chǎn)效率高、成本低，同時能經(jīng)濟可靠地實現(xiàn)在線監(jiān)測，顯著延長停產(chǎn)開罐檢測的使用周期；最后，該容器結(jié)構(gòu)設計靈活,適應變化范圍廣,具有較好的抵抗沖擊破壞的能力。

雖然扁平鋼帶錯繞式壓力容器在設計、制造中已經(jīng)極大地降低了焊接對容器性能的影響，但是隨著該類容器工作壓力的不斷提高，以及在儲氫苛刻條件下的應用，繞帶層兩端的焊接缺陷 （殘余應力）已經(jīng)成為影響容器整體性能的不可預測的因素。特別是繞帶層鋼帶的焊接工藝，由于其不包含焊后熱處理，使得殘余應力普遍存在且較大，容易引發(fā)氫損傷和疲勞失效等問題。因此有必要對扁平鋼帶錯繞式壓力容器制造過程中的焊接效果進行研究。本文針對一內(nèi)徑500 mm、工作壓力98 MPa的扁平鋼帶錯繞式高壓儲氫容器，通過盲孔法研究了其鋼帶兩端焊縫處的殘余應力幅值及其分布情況，為該型容器生產(chǎn)工藝的改進提供了參考依據(jù)。

盲孔法是目前理論最成熟、應用最廣泛的殘余應力測量方法之一。相比于殘余應力無損檢測方法和其它機械方法，其具有測量簡便、適用范圍廣、破壞性小等特點，特別適合于焊接應力場的測量。

1 盲孔法殘余應力測試方法介紹

盲孔法最早由德國人J.Mathar于1934年首先提出，在電阻應變片出現(xiàn)后，經(jīng)N.J.Rendle和I.Vigness的理論研究和實驗驗證[5]，得到極大地改進和完善。美國材料試驗協(xié)會已于1981年制訂了測量標準ASTM E837[6]。

1.1 盲孔法測量原理

如圖1所示，對于無限大的平板試件，在只受單應力σmax的情況下鉆一小孔，則在距小孔中心r處的圓周上任意一點均會引起應變。如果以小孔為中心，以應力方向為橫坐標建立坐標系，則圓周上任意一點的應變可表示為：

通過式 （1），在已知載荷的情況下測量相應的應變量，即可計算出圓周上任意一點的k(α)值。繪出k(α)值在±180°范圍內(nèi)的分布圖，即可供使用。由于這種圖形方法使用起來十分不方便，且不夠精確，因此N.J.Rendler和I.Vigness通過數(shù)學方法求解出了k(α)的近似解析表達式[6]：

圖1 單應力情況

式中A、B即為鉆孔法中所必需的校正系數(shù)。校正系數(shù)A、B與被測試件的材料特性，如彈性模量、泊松比，以及一些幾何尺寸參數(shù)有關，需要通過試驗確定。為使得校正系數(shù)具有通用性，通過進一步分析，可以引入新的校正系數(shù) a、b，即 a=，b=-2EB，從而將彈性模量、泊松比從A、B中分離出來。新的校正系數(shù)a、b可以通過數(shù)值模擬的方法得到[7]，也可以從一些標準中查表得到[8]。對于一般的測量，可以使用校正系數(shù)a、b來計算殘余應力，從而減少測量難度，也減少計算難度；而對于焊縫等特殊情況，由于材料彈性模量、泊松比等未知，因此只能使用校正系數(shù)A、B。

進一步，如圖2所示，當上述平板受到兩個正交應力σmax和σmin時，通過疊加原理，上述圓周上任意一點的應變可表示為：

圖2 平板在正交應力作用下

更進一步，如圖3所示，當建立的坐標系與正交應力成一定夾角β時，則上述圓周上任意一點的應變可表示為：

圖3 正交應力與坐標系成一定夾角

式 （3）中， 如果分別令 θ=0°， 45°(或-135°)，90°，并測量這些位置處的應變值，即可方便地求解出相應的最大、最小主應力[6-7]。

1.2 實際操作中的注意事項

以鉆孔法測量殘余應力，受操作者的影響很大。系統(tǒng)測量精度受許多因素的影響，主要包括基本力學模型、孔邊塑性變形、鉆削附加應變、操作工藝以及設備儀器帶來的誤差等[8]。操作工藝方面的因素主要包括孔位偏移、孔徑和孔深誤差、應變片粘貼質(zhì)量及靈敏度誤差等[8]。

對于焊接殘余應力的測量，由于受焊縫幾何尺寸和標準殘余應力應變計規(guī)格的影響，很容易出現(xiàn)焊縫尺寸不能滿足大于8倍鉆孔直徑[6]等要求，因此也會影響測量精度。由于焊縫處材料的彈性模量、泊松比等無法簡單獲知，這些因素使得鉆孔法測量殘余應力標準ASTM E837所推薦的測量方法和步驟不完全適用于焊接殘余應力的測定，因此實際應用中應綜合參考該標準和參考文獻[7]。

2 試驗過程、數(shù)據(jù)及分析

本文對一內(nèi)徑500 mm、工作壓力98 MPa的扁平鋼帶錯繞式高壓儲氫容器，通過盲孔法研究了其最內(nèi)層鋼帶兩端焊縫處的殘余應力分布情況。如圖4所示，當容器完成最內(nèi)層鋼帶的纏繞時，經(jīng)表面處理后，在每根鋼帶兩端焊縫中心處粘貼電阻應變片并完成鉆孔、測量工作。已知最內(nèi)層鋼帶纏繞時所受拉力為181.63 MPa，鋼帶纏繞傾角為21.81°。

圖4 鋼帶端部焊縫

試驗所用電阻應變片為ASTM E837標準中所列的 120 Ω、1/8英寸 （3.175 mm）、Type A型應變片。標準型的應變片有利于簡化殘余應力的計算，而較大的尺寸則因為散熱好而使得應變測量更穩(wěn)定、可靠。貼片膠為中航工業(yè)電測儀器股份有限公司的B-702常溫固化貼片膠，其特點是粘結(jié)力強、使用方便，蠕變、滯后小，耐溫耐濕性能差，適用于普通常溫應變計粘貼，做周期較短的應力測試[9]。應變測量儀是美國國家儀器有限公司的NI-9235，其特點是精度高 （0.1%）、性價比高、靈活易用。

試驗所用殘余應力鉆孔裝置為濟南輝騰機電設備有限公司的HTZ-12S型精密鉆孔裝置，其主要技術指標是對中精度±0.001、孔深控制精度±0.05、最高轉(zhuǎn)速4000 r/min、鉆頭夾持范圍0.3～4 mm。

圖5 應變片粘貼及連線

圖6 鉆盲孔釋放應變

圖7 鉆孔后測量應變

試驗的各測點分布在鋼帶兩端的焊接處。試驗過程大致分為貼片、鉆孔和測量三步，如圖5～圖7所示。其中應變測量程序為自行編寫的、基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序，可以實現(xiàn)應變測量中的通道配置、電橋配置、應變清零、暫停測試、數(shù)據(jù)顯示、自動保存等功能。程序界面如圖8和圖9所示。試驗后，各測點測試數(shù)據(jù)如表1所示 （表中符號 “-”代表數(shù)據(jù)缺失）。

圖8 應變測量程序交互界面

圖9 應變測量程序框圖

表1 原始測量數(shù)據(jù)

表1中，第2組第6個應變片測試的數(shù)據(jù)近似滿足 2（ε2′-ε2）=（ε1′-ε1）+（ε3′-ε3）， 因此該應變片僅受單向應力。又由于已知載荷為181.63 MPa，鋼帶纏繞傾角為21.81°，因此用其確定校正系數(shù)，得A=-2.335，B=-0.647。再根據(jù)參考文獻 [7]中的式 （11），即可確定鉆孔處的應力幅值及分布。分別以電阻應變片絲柵1和絲柵3的方向為直角坐標系的X、Y軸，亦即Y軸平行于容器軸線、X軸相切于容器焊縫處的周線，另設盲孔處所受綜合應力(殘余應力與繞帶載荷的合成應力)與X軸夾角為γ，如圖10所示，則數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示。表2中σmax、σmin、β含義見圖3。根據(jù)上述處理結(jié)果，將盲孔處的綜合應力以向量形式表示于圖11（a）中，然后通過向量減法將盲孔處的焊接殘余應力分解后表示于圖11（b）中。

圖10 坐標系

表2 鉆孔處的綜合應力及焊接殘余應力分布

圖11 應力分布

3 結(jié)論

本文對一工作壓力為98 MPa的儲氫容器研究了其鋼帶兩端焊縫處的殘余應力。根據(jù)測量結(jié)果可以得知：

（1） 從圖11（a）可以看出，焊縫處綜合應力表現(xiàn)為周向拉應力、軸向壓應力或較小的拉應力。周向拉應力主要是由鋼帶纏繞時的拉力造成的，軸向壓應力主要是由焊接殘余應力造成的；焊接處殘余應力雖幅度不同，但均表現(xiàn)為軸向壓應力，這主要是由于焊接過程中軸向變形受到限制所致。

（2）從表2和圖11可以看出，殘余應力的存在增強了焊縫處的軸向抗拉強度，同時卻降低了周向抗拉性能的均一性，即不同位置的周向應力幅值差異大，在實際使用中會導致部分焊接處沿著周向或近周向出現(xiàn)局部屈服現(xiàn)象。

（3）由于焊接殘余應力較大，那么當設備在周期載荷作用下工作時，會優(yōu)先出現(xiàn)疲勞裂紋，進而使容器因疲勞而失效。因此，對于高壓儲氫容器，尤其是經(jīng)常處于充氫、放氫工況的容器，在其制造時應對鋼帶層焊接處增加殘余應力消除工序。

[1] 朱瑞林，楊金來 .扁平繞帶式壓力容器綜合評述 [J].科技通報,1999,15(1)：42-47.

[2] 鄭津洋,陳瑞,李磊,等 .多功能全多層高壓氫氣儲罐[J].壓力容器,2005,22(12)：25-28.

[3] 朱國輝.扁平繞帶式壓力容器的發(fā)展優(yōu)勢 [J].化工設備設計,1997,34(3)：5-6.

[4] 朱國輝,陳志平,鄭傳祥,等.鋼復合材料壓力容器技術典型代表 [J].化工裝備技術,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] 林麗華,陳立功.殘余應力測量技術現(xiàn)狀及其發(fā)展動向[J].機械,1998,25(5)：46-9.

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