工程管件焊缝残余应力测试及效果分析

王晓光

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳 110000）

辽宁省彰武至白石段供水工程，在输水线路上设置配水站两座，站内设计有大型钢制管件七件。管件在加工过程中无法避免残余应力的产生，并在屈服极限附近表现出很大的危害，一定程度上降低构件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，也会由于残余应力的松弛产生变形，严重影响尺寸精度和使用寿命。为保证管件的结构精度和运行安全，能够精确测得构件内部的残余应力值，并确切掌握其应力分布情况显得尤为关键和重要。

1 大型钢制管件残余应力的测试

1.1 残余应力测试方法

目前工程上应用较为广泛的残余应力测试方法是钻盲孔法。盲孔法——就是在被测点上钻一小孔，使被测点的应力得到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力。这种方法残余应力测得值精度较高。因此该工程采用盲孔法，对三通、四通、三岔管焊缝进行残余应力检测。

1.2 应力应变检测仪器设备型号及相关参数

应变检测采用秦皇岛市协力科技开发有限公司XL2101A4型应变仪，该仪器设计上采用最新嵌入式MCU控制技术、显示技术、模拟数字滤波技术，内置锂电池供电，精度高稳定性好。选用中航电测仪器股份有限公司生产的型号为BE120-2CA-K的测试电阻应变计，该应变计由三组应变片组成，可同时检测 0°、45°、90°等三个方向的应力应变数据，经多个工程实际使用，在稳定性和精度上都有着优越的表现。

1.3 管件上应力应变测试点的布设

为了保证测量数据精确，真实反应应力分布情况，在大型钢制管件的每条焊缝上均布有测点，钢制四通构件一般布设14～16个点，三通构件布设11～12个点。三通构件布点示意图、四通构件布点示意图、布点位置与时钟对应关系图，分别见图1、2、3。

图1 三通构件布点示意图

图2 四通构件布点示意图

图3 布点位置与时钟对应关系图

1.4 布设点应变应力检测

该工程大型钢制管件母材厚度为28～30 mm，BE120-2CA-K的电阻应变计打孔半径1～1.5 mm、深度2.5～3 mm。布设点位置首先进行抛光，再用502胶把应变计贴牢，六根导线与应变仪有序连接，调平应变计后进行打孔测得数据，代入以下公式计算，得出其应力及方向。

2 应变应力测试成果及分析

以钢制四通为例，说明通过钻盲孔法测得构件内部应力大小、方向，详见表1。

表1 某四通构件内部应力实测值MPa

从上表中可以看出：测得大型钢制四通管件残余主应力为259.59 MPa，最大应力为379.29 MPa，点号为12点，与之对应的构件布设测试点号为C/E3，若把整条椭圆焊缝按照时钟点位均布，此位置处于时钟的8～10点范围。

经对7件大型钢制管件残余应力最大值统计得出，其中有5个管件最大应力分布在焊缝时钟8～10点或者2～4点范围，分布在此位置的几率为71.4%。其余最大应力点也分布在8～10点或者2～4点上下较近区域，详见表2。

表2 最大应力分布位置统计表

3 结语

1）大型钢制管件残余应力最大值，集中在焊缝时钟的8～10点和2～4点范围，其余也分布在8～10点和2～4点上下较近区域，说明通过焊接起焊位置、焊接顺序、焊接方向等工艺方法，可以一定程度上解决残余应力集中的问题。该工程大型钢制管件焊接的起焊位置、焊接顺序、焊接方向详见图4。

图4 钢制管件焊接的起焊位置、焊接顺序、焊接方向

2）虽然通过焊接工艺、方法的控制能在一定程度上避免应力集中在管件结构、受力复杂的区域，但为保证最终整体管件的结构精度和使用寿命，对于焊缝内部残余应力的消除，仍是不可或缺的重要工序。