王曉光

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽 110000）

遼寧省彰武至白石段供水工程，在輸水線路上設(shè)置配水站兩座，站內(nèi)設(shè)計有大型鋼制管件七件。管件在加工過程中無法避免殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，并在屈服極限附近表現(xiàn)出很大的危害，一定程度上降低構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度、降低疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，也會由于殘余應(yīng)力的松弛產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響尺寸精度和使用壽命。為保證管件的結(jié)構(gòu)精度和運(yùn)行安全，能夠精確測得構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力值，并確切掌握其應(yīng)力分布情況顯得尤為關(guān)鍵和重要。

1 大型鋼制管件殘余應(yīng)力的測試

1.1 殘余應(yīng)力測試方法

目前工程上應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法是鉆盲孔法。盲孔法——就是在被測點(diǎn)上鉆一小孔，使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計算出殘余應(yīng)力。這種方法殘余應(yīng)力測得值精度較高。因此該工程采用盲孔法，對三通、四通、三岔管焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。

1.2 應(yīng)力應(yīng)變檢測儀器設(shè)備型號及相關(guān)參數(shù)

應(yīng)變檢測采用秦皇島市協(xié)力科技開發(fā)有限公司XL2101A4型應(yīng)變儀，該儀器設(shè)計上采用最新嵌入式MCU控制技術(shù)、顯示技術(shù)、模擬數(shù)字濾波技術(shù)，內(nèi)置鋰電池供電，精度高穩(wěn)定性好。選用中航電測儀器股份有限公司生產(chǎn)的型號為BE120-2CA-K的測試電阻應(yīng)變計，該應(yīng)變計由三組應(yīng)變片組成，可同時檢測 0°、45°、90°等三個方向的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，經(jīng)多個工程實(shí)際使用，在穩(wěn)定性和精度上都有著優(yōu)越的表現(xiàn)。

1.3 管件上應(yīng)力應(yīng)變測試點(diǎn)的布設(shè)

為了保證測量數(shù)據(jù)精確，真實(shí)反應(yīng)應(yīng)力分布情況，在大型鋼制管件的每條焊縫上均布有測點(diǎn)，鋼制四通構(gòu)件一般布設(shè)14～16個點(diǎn)，三通構(gòu)件布設(shè)11～12個點(diǎn)。三通構(gòu)件布點(diǎn)示意圖、四通構(gòu)件布點(diǎn)示意圖、布點(diǎn)位置與時鐘對應(yīng)關(guān)系圖，分別見圖1、2、3。

圖1 三通構(gòu)件布點(diǎn)示意圖

圖2 四通構(gòu)件布點(diǎn)示意圖

圖3 布點(diǎn)位置與時鐘對應(yīng)關(guān)系圖

1.4 布設(shè)點(diǎn)應(yīng)變應(yīng)力檢測

該工程大型鋼制管件母材厚度為28～30 mm，BE120-2CA-K的電阻應(yīng)變計打孔半徑1～1.5 mm、深度2.5～3 mm。布設(shè)點(diǎn)位置首先進(jìn)行拋光，再用502膠把應(yīng)變計貼牢，六根導(dǎo)線與應(yīng)變儀有序連接，調(diào)平應(yīng)變計后進(jìn)行打孔測得數(shù)據(jù)，代入以下公式計算，得出其應(yīng)力及方向。

2 應(yīng)變應(yīng)力測試成果及分析

以鋼制四通為例，說明通過鉆盲孔法測得構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力大小、方向，詳見表1。

表1 某四通構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力實(shí)測值MPa

從上表中可以看出：測得大型鋼制四通管件殘余主應(yīng)力為259.59 MPa，最大應(yīng)力為379.29 MPa，點(diǎn)號為12點(diǎn)，與之對應(yīng)的構(gòu)件布設(shè)測試點(diǎn)號為C/E3，若把整條橢圓焊縫按照時鐘點(diǎn)位均布，此位置處于時鐘的8～10點(diǎn)范圍。

經(jīng)對7件大型鋼制管件殘余應(yīng)力最大值統(tǒng)計得出，其中有5個管件最大應(yīng)力分布在焊縫時鐘8～10點(diǎn)或者2～4點(diǎn)范圍，分布在此位置的幾率為71.4%。其余最大應(yīng)力點(diǎn)也分布在8～10點(diǎn)或者2～4點(diǎn)上下較近區(qū)域，詳見表2。

表2 最大應(yīng)力分布位置統(tǒng)計表

3 結(jié)語

1）大型鋼制管件殘余應(yīng)力最大值，集中在焊縫時鐘的8～10點(diǎn)和2～4點(diǎn)范圍，其余也分布在8～10點(diǎn)和2～4點(diǎn)上下較近區(qū)域，說明通過焊接起焊位置、焊接順序、焊接方向等工藝方法，可以一定程度上解決殘余應(yīng)力集中的問題。該工程大型鋼制管件焊接的起焊位置、焊接順序、焊接方向詳見圖4。

圖4 鋼制管件焊接的起焊位置、焊接順序、焊接方向

2）雖然通過焊接工藝、方法的控制能在一定程度上避免應(yīng)力集中在管件結(jié)構(gòu)、受力復(fù)雜的區(qū)域，但為保證最終整體管件的結(jié)構(gòu)精度和使用壽命，對于焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力的消除，仍是不可或缺的重要工序。