FPSO典型焊接节点残余应力试验研究

卫 涛，李良碧，2，蒋文进，周 宏，2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)(2.江苏现代造船技术有限公司，江苏镇江212003)

随着人类开始向深海领域开发海洋资源，浮式生产储卸油装置(FPSO)正逐渐成为深海石油资源的开发工具［1］.焊接是船舶建造中最主要的连接形式，焊接过程中由于加热冷却循环导致非协调变形，不可避免地会产生残余应力［2］.FPSO在服役期间所受外部载荷引起的工作应力及其内部焊接残余应力的双重作用将严重影响FPSO内部焊接节点的疲劳强度［3］.因此，合理地推断焊接残余应力对FPSO典型焊接节点疲劳强度的影响，对焊接残余应力的研究十分重要.

目前，针对FPSO内部焊接接头残余应力的研究并不多，文中主要采用试验方法对FPSO典型焊接节点的残余应力进行研究.测量焊接残余应力的方法主要分为有损检测法和无损检测法.有损检测法主要包括钻孔法、裂纹法、剖面法等，其中实验室应用最多的是钻孔法［4］.无损检测法主要包括X射线衍射法、超声波法、中子衍射法等，其中实验室应用最多的是X射线衍射法.由于有损检测法中的钻孔法相对无损检测法中的X射线衍射法误差较大，而且有损检测法可能对试件之后的疲劳试验产生影响，因此文中残余应力测量试验采用X射线衍射法.

1 FPSO典型焊接节点模型试件尺寸

文中选出能代表FPSO典型焊接结构形式的一种焊接接头模型进行研究，典型焊接节点模型如图1，试验试件材料为Q345钢，尺寸见图2.

图1 FPSO典型焊接节点Fig.1 A typical welded joint of FPSO

图2 试件尺寸(单位:mm)Fig.2 Size of the model(unit:mm)

2 X射线法测量原理

文中在测量试件焊接残余应力时主要采用X射线应力测量仪.X射线法测量残余应力是基于X射线衍射理论的.X射线衍射是当一束X射线照射到多晶体上后，在某个角度接收到反射的X射线强度极大值(即衍射峰).X射线波长λ、衍射角2θ与衍射晶面间距d间的关系遵从布拉格定律:

2dsinθ=nλ n=1，2，3，… (1)

在确定射线波长λ后，式(1)就变为衍射角2θ与衍射晶面间距d之间的关系.当材料中存在应力σ时，晶面间距会有所改变，根据布拉格定律可知，2θ也会发生变化.X射线应力仪可以准确地测得衍射角2θ，再根据弹性力学可计算得到应力σ［5］.

3 测量过程

FPSO典型焊接节点焊趾部位由于长期承受较大的拉应力，容易产生疲劳破坏［6］，图3中所示短焊缝A区域为典型的焊接节点疲劳热点区域，因此文中将重点对短焊缝A进行研究.X方向焊接残余应力是影响焊接结构的焊缝趾端疲劳寿命的主要应力，因此文中主要对X方向的焊接残余应力进行分析研究.

在测量前，通常需要对焊件所测区域进行表面处理，具体步骤如下:

1)用电动软打磨机对焊件的测量区域表面进行打磨，除去表面铁锈，使材料表面光洁.

2)用记号笔在测量区域划线定点，标记所测的位置及编号(图3).

3)用电解抛光机对测量点的表面进行抛光处理，电解抛光后用酒精擦拭干净，确保材料表面干燥，防止生锈.

4)用X射线测量仪依次对每个测点进行测量，通过计算机处理得到各个测点的残余应力值.

图3 测量点示意图(单位:mm)Fig.3 Measuring points(unit:mm)

由于测点较密，因此在图3中未能标注所有点，仅标注了5个典型测点，试验中测量点总共有15个，其中#1～#13均在中心线上，所有测点的具体位置及编号见表1，2.

表1 测点编号及位置Table 1 Number and the position of measuring points

表2 测点编号及位置Table 2 Number and position of measuring points

4 测量结果

本试验共对3组试件进行了残余应力测量，各组试件中各测点的残余应力的测量结果见表3、图4和图5，在图4，5中增加了残余应力测试结果趋势.

表3 残余应力测量结果Table 3 Results of residual stresses measurement

图4 垂直焊缝方向残余应力测量值比较Fig.4 Results of the test of residual stresses along vertical welding line direction

图5 沿焊缝方向残余应力测量值比较Fig.5 Results of the test of residual stresses along welding line direction

通过试验数据可以发现，在焊趾附近残余应力较大且为拉应力;在垂直焊缝方向，残余应力随着距焊缝趾端的距离(D)增加而降低，在沿着焊缝方向，残余应力随着距中心线的距离(DZ)增加而降低.

5 结论

1)在典型焊接节点的焊趾附近残余应力较大，且为拉应力.

2)在垂直焊缝方向，典型焊接节点的残余应力随着距焊缝趾端的距离增加而降低;在沿着焊缝方向，残余应力随着距中心线的距离增加而降低.

References)

［1］ 高震，胡志强，顾永宁，等.浮式生产储油轮船艏结构疲劳分析［J］.海洋工程.2003，21(2):8-15.Gao Zhen，Hu Zhiqiang，Gu Yongning，et al.Fatigue analysis of the bow structure of FPSO［J］.The Ocean Engineering，2003，21(2):8 -15.(in Chinese)

［2］ 孙文婷，万正权.对接焊残余应力的有限元分析［J］.船舶力学.2007，11(1):94-101.Sun Wenting，Wan Zhengquan.Finite element analysis of butt-welding residual stresses［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11(1):94 -101.(in Chinese)

［3］ 李良碧.残余应力释放影响FPSO疲劳强度的研究综述［J］.造船技术，2008(6):19-21.Li Liangbi.A review of relaxation of residual stress influence on fatigue strength of FPSO［J］.Journal of Marine Technology，2008(6):19 -21.(in Chinese)

［4］ 王娜.中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究［D］.辽宁大连:大连理工大学，2007.

［5］ 张晓飞.残余应力对深海耐压结构疲劳强度影响研究［D］.江苏镇江:江苏科技大学，2013.

［6］ 李良碧，王自力.基于残余应力释放的FPSO典型焊接接头的疲劳强度修正公式［J］.船舶力学，2009，13(1):82-90.Li Liangbi，Wang Zili.A modified fatigue strength formula of typical weld joints based on residual stresses relaxation of FPSOs ［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13(1):82-90.(in Chinese)