液化氣體汽車罐車焊縫開裂原因分析

劉金良譚粵李蔚夏莉

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

摘要：本文對液化氣體汽車罐車定期檢驗中發(fā)現(xiàn)的罐體尾部與車底架焊接位置焊縫開裂的原因進行了分析，得到了罐體的設(shè)計問題和非對稱循環(huán)交變應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致焊縫開裂的結(jié)論，并提出了建議。

關(guān)鍵詞：液化氣體汽車罐車焊縫開裂非對稱循環(huán)交變應(yīng)力

1　前言

液化氣體汽車罐車既屬于移動式壓力容器，又屬于專用汽車，其年生產(chǎn)量近5000臺，并有增大的趨勢，同時罐體的設(shè)計不斷向大容積、輕量化方向發(fā)展，由于它裝載的介質(zhì)容易燃燒、甚至在特定條件下會產(chǎn)生爆炸，直接影響工業(yè)生產(chǎn)和居民生活安全，所以，確保液化氣體罐車的運行安全顯得尤為重要。

我國16MnR、0Cr18Ni9的許用應(yīng)力不高，采用球形封頭可以減輕罐車部分重量、有限增加容積，并實現(xiàn)多裝。近年來，隨著小直徑球形封頭沖壓技術(shù)水平的提高，解決高難度焊接技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備的推廣，球形封頭在液化氣體罐車上得到廣泛的應(yīng)用。同時，也出現(xiàn)了新的安全問題。本文通過對檢驗中發(fā)現(xiàn)的罐體與底架焊縫開裂的原因進行分析，并提出整改建議，以確保罐車運行的安全性。

2　問題描述

在對近300臺液化氣體罐車的年度檢驗中，發(fā)現(xiàn)18臺罐車在罐體后封頭部位與底架焊接位置出現(xiàn)了不同程度的焊縫開裂，其中半球形封頭罐車15臺，橢圓形封頭罐車3臺。且發(fā)生焊縫開裂的半球形封頭罐車投入使用年限僅1～3年。具體開裂位置如圖1～3所示。

圖1　焊縫開裂部位實物全圖

圖2　焊縫開裂部位實物近圖

圖3　焊縫開裂部位示意圖

3　原因分析

3.1設(shè)計

通過對制造廠家進行調(diào)查了解到該批次球形封頭罐車的底架設(shè)計采用了原有橢圓形封頭罐車的結(jié)構(gòu)，對于相同的支撐結(jié)構(gòu)，罐體封頭由橢圓形改為半球形結(jié)構(gòu)，所用罐體鋼材料有所減少，但盛裝介質(zhì)的重量可以得到增加，因此，球形封頭罐車滿載時的重量比橢圓形封頭罐車大，也即罐體底架受到更大的支座反力。

根據(jù)材料力學(xué)和旋轉(zhuǎn)薄殼理論，液化石油氣罐體的力學(xué)模型可簡化為一受均布載荷的簡支外伸梁，屬于一次靜不定求解問題。如圖4，其中a為半球形封頭罐體的力學(xué)簡化模型，b為橢圓形封頭罐體的力學(xué)簡化模型。

圖4　罐體力學(xué)簡化模型

由工程力學(xué)知識可知，罐體最大撓度及最大轉(zhuǎn)角出現(xiàn)的位置在罐體端部，即A1、A2、B1、B2處，且分別為：

(1)

(2)

由于半球形封頭罐體伸出端部支撐部分比橢圓形封頭罐體的長，也就是L1>L2，故半球形封頭罐體端部的最大撓度和最大轉(zhuǎn)角均比橢圓形封頭罐體的大。

同時，滿載后質(zhì)量較大的半球形封頭罐體所受到的支撐反力的大小及力偶均較大，罐車運行中，相同的緩沖力作用下，球形封頭罐體的慣性力較橢圓形封頭罐體大，罐體與底架的焊縫連接部位的拉力也較大，所以球形封頭的受力狀況比橢圓形封頭更嚴重。

罐體封頭部位存在形狀突變，且罐體后封頭與罐車底架焊縫連接部位為剛性約束的端部，該處存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。所謂應(yīng)力集中是指接頭局部區(qū)域的最大應(yīng)力值比平均應(yīng)力值高的現(xiàn)象，用應(yīng)力集中系數(shù)來表示。由于焊縫中存在工藝缺陷、焊縫外形不合理、焊接接頭設(shè)計不合理等原因，焊接結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在交變載荷作用下，應(yīng)力集中會引起脆性材料斷裂；使構(gòu)件及焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，采用球形封頭的液化氣體罐車的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題構(gòu)成了其焊縫開裂的主要原因。

3.2疲勞破壞

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，疲勞破壞是裂紋在重復(fù)或交變荷載作用下的不斷開展；最后達到臨界尺寸而出現(xiàn)的斷裂。所以，疲勞破壞的形成過程可以理解為疲勞裂紋的萌生和逐漸擴展的過程。一般地說，疲勞破壞經(jīng)歷三個階段：裂紋的形成；裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。對于焊接構(gòu)件，裂紋源往往出現(xiàn)在焊縫焊趾處，因為該處常有焊渣侵入。有的焊接構(gòu)件疲勞破壞起源于焊縫內(nèi)部缺陷，如氣孔、欠焊、夾渣等。通過試驗發(fā)現(xiàn)，疲勞強度與應(yīng)力幅有關(guān)，但應(yīng)力集中是疲勞破壞最關(guān)鍵的因素。

在焊接結(jié)構(gòu)中焊接缺陷對疲勞強度的影響不可忽視，大量的試驗結(jié)果表明：焊接接頭的抗疲勞性能和母材相比要低得多，其中最主要的原因是焊接缺陷使焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，而疲勞裂紋極易在高應(yīng)力峰值部位(即產(chǎn)生應(yīng)力集中部位)萌生，降低了焊接接頭的疲勞壽命，從而使焊接缺陷對疲勞強度的影響很大。

對于液化氣體汽車罐車，同時存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)罐體承受交變應(yīng)力的大小超過一定限度，并經(jīng)歷了多次的循環(huán)重復(fù)后，在罐體與罐車尾部底架焊接處(此處為罐體應(yīng)力最大處，且焊縫區(qū)域易形成薄弱環(huán)節(jié))將產(chǎn)生細微裂紋，稱為疲勞源，這種裂紋隨著應(yīng)力交變次數(shù)增加而不斷向四周擴展。在擴展過程中，由于應(yīng)力交替變化，開裂處兩個面的材料，時而擠壓，時而分離，或時而正向錯動，時而反向錯動，這樣反復(fù)摩擦就形成了斷口的光滑區(qū)。另一方面，由于裂紋尖端材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，不易產(chǎn)生塑性變形，所以，當(dāng)裂紋擴展到一定程度時，承受載荷的面積愈來愈小，就會在某一載荷作用下發(fā)生突然斷裂。

因此，非對稱循環(huán)交變應(yīng)力及焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象構(gòu)成了罐車疲勞破壞的重要因素，其在罐車結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理前提下極易發(fā)生開裂。

4　結(jié)論與建議

(1)球形封頭罐車后封頭部位罐體與底架焊縫開裂是由于罐體的設(shè)計問題導(dǎo)致罐體后部支撐位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生了疲勞破壞。

(2)在繼續(xù)采用球形封頭和相同充裝系數(shù)的前提下，減小罐體的尺寸，適當(dāng)?shù)脑龃蠹訌姲迕娣e，以緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)改善焊縫幾何形狀、調(diào)整應(yīng)力場的分布、緩和集中應(yīng)力；在易產(chǎn)生裂紋的缺口部位預(yù)制殘余壓應(yīng)力，或消除有不利影響的焊接殘余應(yīng)力；覆蓋塑料等涂層，防止腐蝕介質(zhì)環(huán)境的不利影響以提高焊接接頭疲勞強度。

(4)采用開破口，全焊透的焊接方式，并且采用高質(zhì)量的焊條，如J427、J507等，以改善焊接質(zhì)量，增大焊接結(jié)構(gòu)的承載能力。

(5)改變罐體與車底架的連接方式，采用高強度螺栓連接方式，并及時的檢查螺栓預(yù)緊情況，以改善交變應(yīng)力引起的罐體的沖擊力。

(6)液化氣體罐車使用單位要建立健全罐車的安全管理制度，嚴格按照相關(guān)標準規(guī)范進行定期檢驗；控制重裝量，嚴禁超裝。

(7)提高車輛駕駛?cè)藛T的安全意識，控制車速，并改善路況，以減小車輛的顛簸引起的交變應(yīng)力。

參考文獻

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[3]崔國英，姚志英.焊接接頭的應(yīng)力集中及其對疲勞強度的影響[J].金屬加工，2008(16).

Analysis of Weld Cracking on Liquefied Gas Mobile Tank

LIU Jin-liangTAN YueLI WeiXIA Li

(GuangdongInstituteofSpecialEquipmentInspectionandResearch，GuangdongFoshan528251)

Abstract：The reason of weld cracking on welding position between tank’s tail and chassis of LPG tank vehicle is analyzed，the interaction of design problem and asymmetrical cyclic alternating stress result in the weld cracking，and relevant suggestions are proposed.

Key Words：liquefied gas mobile tank；weld cracking；asymmetrical cycle；alternating stress