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1500M3液化石油气球罐残余应力分析

文档作者：张亦良徐学东王泽军文档来源：北京工业大学		点击数：	更新时间： 2021年02月28日
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收稿日期：!""#$"%$!&amp;amp;
作者简介：张亦良（’(%%$），女（汉族），北京人，教授，主要从事疲劳断裂力学、结构残余应力、动静态应变、材料应力腐蚀、
磁记忆检测及失效分析等研究。
文章编号：’"""$)#**（!""#）"*$"""($"#
! "## $% 液化石油气球罐残余应力分析
张亦良’，徐学东’，王泽军!
（’+ 北京工业大学，北京’"""!!；!+ 天津锅炉压力容器技术检验所，天津,""’(!）
摘要：’ 台’ %"" -, 的’* ./0 液化石油气球罐，建造时经过整体热处理，运行# 1后在检修中发现大
量裂纹。用2 射线法对该球罐进行了系统的残余应力测试，分析了大量裂纹与残余应力水平的关
系。对出现裂纹最多的区域和未见裂纹的区域分别进行考察，结果表明，焊缝附近残余应力总体水
平较高，内壁赤道带焊缝处残余应力高达"+)!!3
，显示当初的热处理效果不理想。球罐大修补焊及
整圈热处理后在相同位置重新进行测试，结果表明，残余应力大幅度降低，整体下降约%"4，热处
理效果良好。同时解决了2 射线应力仪现场垂直方向测试的技术问题。
关键词：球罐；残余应力；2 射线法；裂纹；热处理
中图分类号：56 #"#；57 ()! 文献标识码：8
&amp;amp;’()*+,- (./’(( ,0,-1()( 23 , ! "## $% -)4+’3)’* 5’./2-’+$ 6,( (57’/)8,- 9’((’-
9:8;6 <=$>=1/?’，2@ 2AB$CD/?’，E8;6 9B$FA/!
（’+ GB=F=/? @/=HBI3=JK DL 5BMN/D>D?K，GB=F=/? ’"""!!，ON=/1；
!+ 5=1/F=/ GD=>BI PIB33AIB QB33B> R/3SBMJ=D/ R/3J=JAJB，5=1/F=/ ,""’(!，ON=/1）
:;(./,8.：8 >1I?B /A-TBI DL MI1MU3 1IB LDA/C =/ JNB ’ %"" -, >=VABL=BC SBJID>BA- ?13 3SNBI=M1> HB33B> CAI=/? JNB =/3SBMJ=D/ 1LJBI
LDAI KB1I3 DL IA//=/?+ 5NB HB33B> TB=/? LA>>K NB1J$JIB1JBC =3 -1CB DL ’*./0+ 5NB/ JNB IB>1J=D/3N=S3 TBJWBB/ JNB /A-BIDA3 MI1MU3
1/C IB3=CA1> 3JIB33 3NDA>C TB 1/1>KXBC TK JB3J=/? JNB HB33B> 3K3JB-1J=M1>>K W=JN 2$01K -BJNDC+ 5NB JB3J IB3A>J3 3NDW JN1J JNB =/JB$
?I1> >BHB> DL =J3 IB3=CA1> 3JIB33 =3 -AMN N=?NBI =/ JNB 1IB13 /B1I JNB WB>C=/? >=/B 1LJBI CBJBMJ=/? JNB 1IB1 W=JN -D3J MI1MU3 1/C W=JN$
DAJ MI1MU3，1/C JNB IB3=CA1> 3JIB33 DL DI=?=/1> 3J1JB XD/B DL =//BI 3AIL1MB N13 TBB/ AS JD "+)!!3
，WN=MN SIDHB3 JNB BLLBMJ DL JNB NB1J
JIB1J-B/J =3 /DJ ?DDC B/DA?N+ 5NB 3BMD/C1IK IB3=CA1> 3JIB33 JB3J DL JNB 31-B JB3J=/? SD=/J3 1J WDIU 3=JB 1LJBI JNB =/JB?I1> NB1J JIB1J$
-B/J DL >1I?B I=/? WB>C TB1C =3 SBILDI-BC+ 5NB IB3=CA1> 3JIB33 CBMIB13B3 DTH=DA3>K 1/C MD-B3 CDW/ 1TDAJ %"4 JDJ1>>K，WN=MN
3NDW3 JNB BLLBMJ3 DL JNB 3BMD/C NB1J JIB1J-B/J =3 ?DDC+ .B1/WN=>B，JNB -B13AIB-B/J JD JNB 3JIB33 =/ JNB HBIJ=M1> C=IBMJ=D/ W=JN 2$
01K =3 L=/=3NBC 1LJBI 1 3BJ DL 3SBM=1> JIB1J-B/J3 =/ JNB DAJL=B>C+
<’1 =2/*(：3SNBI=M1> HB33B>；IB3=CA1> 3JIB33；2$I1K C=LLI1MJ=D/；MI1MU；NB1J JIB1J-B/J
天津泰达公司’ 台’ %"" -,液化石油气球罐材
料为’* ./0，壁厚#! --，该球罐经过整体热处理后
于’((&amp;amp; 年正式投入运行。’((( 年开罐检查时，发现
内壁大环焊缝下部有少量裂纹，当时只进行了打磨
处理。!""! 年第! 次开罐检查时发现内、外壁的大
环焊缝处有数百条裂纹，多数为细小裂纹。为分析
大量裂纹出现的原因，北京工业大学用2 射线法在
现场对球罐进行了较详细的残余应力测试分析。
第’ 次测试是在对球罐做了局部修复后进行
的，分别考察了裂纹最多的大环焊缝区域，上、下极
板区域以及进行补焊和局部热处理后的修补状态区
域。结果表明，残余应力整体水平较高，内壁原始状
态区应力达到"+)!!3
，说明球罐建造时的热处理效
果不理想。在进行了补焊及局部热处理的部位，残
余应力接近或者达到屈服应力，说明局部热处理没
有起到作用。
第,, 卷第* 期
!""# 年’’ 月
石油化工设备
P750Y$O:7.RO8Z 7[@RP.7;5
QD>\,, ;D\*
;DH\ !""#
第! 次测试是在球罐经较大的修复补焊并对大
环焊缝处进行整圈热处理后进行的。对热处理前后
相同的测点进行了! 次残余应力测试。测试结果表
明，该次热处理效果良好。
对残余应力的现场测试以及工程应用，国内外
学者已做了大量的研究工作［" # $］，近年来已经逐渐
从实验室走向现场［% # &amp;amp;］，文献［’ # &amp;amp;］解决了大型容
器现场测试的技术问题，但是大多仅限于在水平面
或者小曲率（小坡度）的球面上进行测试，而文中测
试的是球罐内壁赤道带处的大环焊缝，必须在球罐
内侧垂直方向上进行测试，这就给仪器的支撑和放
置带来了很大困难。若支撑不稳定，会直接影响测
量精度。笔者较好地解决了测量中的技术问题，在
测试角度不小于()*的情况下成功进行了测试，并且
得到了可靠数据。
! 残余应力测试方法
采用+ 射线法进行测量，测试仪器为,-./!0 +
射线应力仪，测试方法为!!# 123!" 法，测试晶面为
#/.4（!""）面，+ 光管工作电压%) 56，+ 光管工作电
流7 # &amp;amp; 89。
要保证仪器在垂直面上或者仪器测试角度大于
()*时的测量精度，必须首先解决仪器的支撑问题。
仪器测角头的质量超过!) 5:，当其在垂直方向工作
时，磁性支座受到剪切力的作用，显然单靠磁性支撑
是不够的。采用增加千斤顶的办法，可以使仪器的
主要质量由千斤顶来承担，再加上仪器% 根支柱上
带开关的磁性支座，同时在仪器支架的固定孔中用
钢丝加以固定，即可确保仪器在测量过程中的正常
运行。
测试前先对测点进行打磨处理，以去除锈层及
表面污物，然后用细砂纸将表面打磨平整光滑，对表
面进行深度约为"))!8的电解抛光，以消除由打磨
造成的表面加工应力。+ 射线应力仪带有微机控制
系统，可自动进行数据处理，测试完毕后仪器自动打
印结果。
" 第! 次测试结果及分析
";! 测点布置及原则
在透视及探伤的基础上，对本次检修所发现的
缺陷部位和未发现缺陷的部位进行测试。各测点的
一般配置方法是，对丁字焊缝区一般选择% # $ 个测
点，对环、纵焊缝区一般选择% 个测点，见图"。根
据裂纹集中在球罐赤道带处大环焊缝的特点，重点
对内壁大环焊缝处进行测试，外壁选择对应测点。
为全面分析裂纹出现的原因，考察球罐最初的热处
理效果，在球罐的上、下极板布置了相应测点，残余
应力测点布置见图!。
图" 不同焊缝区测点布置
图! 球罐残余应力测点布置
";" 结果及讨论
球罐内、外壁，上、下极板和母材区域残余应力
测试总结果见表"。
（"）内壁下极板下极板总体应力不大，最大应
力发生在下小环热影响区位置，其残余应力为
!"! 0,<，按照该球壳板的屈服强度复验值$1 =
%!) 0,<计算，相当于);77$1> ）的残余应力高达
· ") · 石 油 化 工 设 备 !))$年 第 %%卷
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!"# $%&amp;amp;，按照该块球壳板屈服强度复验值!’ (
!)" $%&amp;amp;计算，相当于*+,#!’
。按电焊条实际屈服应
力!’ ( "#, $%&amp;amp;计算，环焊缝焊肉处（*" - ）残余应力
相当,+.!!’
，下热影响区（*/ - ）的残余应力相当于
*+,"!’
。对于刚焊接后的状态，残余应力数值接近
或者达到屈服应力是可能的，但是该区域在补焊后
已做过局部热处理，残余应力如此大，说明了局部热
处理没有达到消除应力的目的。
表! 球罐第!
!!
次残余应力测试结果
位置测点号!0 1$%&amp;amp; 位置测点号!0 1$%&amp;amp; !2
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
1$%&amp;amp;
内
壁
赤
道
带
修
补
状
态
区
丁
字
缝
环
缝
环
缝
右上热影响区. ##)
左上热影响区3 ##)
焊肉*, #!,
下热影响区** !"#
上热影响区*# *.4
下热影响区*! #,,
上热影响区*) #4)
焊肉*" )!,
下热影响区*/ !/#
内
壁
赤
道
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原
始
状
态
区
环
缝
环
缝
环
缝
环
缝
丁字缝
上热影响区*4 #!)
下热影响区*. #*.
上热影响区*3 #)!
下热影响区#, #"3
上热影响区#* *.*
焊肉## *3)
下热影响区#! #*#
上热影响区#) *)/
焊肉#" *3)
下热影响区#/ *.4
右上热影响区#4 *"/
下
极
板
下极板母板* .4 3)
下
小
环
拼
接
缝
上热影响区# *#. 5
焊肉! *#) 5
下热影响区) #*# *.4
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焊肉/ *#. /.
下热影响区4 .) .4
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赤
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环
焊
缝
丁
字
缝
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缝
环
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缝
上热影响区!# 3 5
焊肉!! **# /)
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焊肉!/ *," 3#
下热影响区!4 *)# *,#
上右热影响区!. .4 5
焊肉!3 *!) 5
下热影响区), *4) 5
上热影响区)* *3# 5
焊肉)# #*, 5
下热影响区)! *./ 5
注：!0
为平行焊缝应力，!2
为垂直焊缝应力。
（)）内壁赤道带处原始状态区在开罐检查后
没有经过补焊的部位（即原始状态区）选择了** 个
测点（*4 - 6 #4 - ），主要是环焊缝的上、下热影响区。
从结果看，最大的残余应力为,+4#!’
，平均值为
,+".!’
。残余应力过高说明最初的整体热处理效果
不够理想。
（"）外壁上极板该区域残余应力水平不高，属
于正常水平。
（/）外壁赤道带此处残余应力水平偏高，最大
值为,+/"!’
，平均值为,+/!’
。该处已出现多处裂
纹，在丁字焊缝区较低的残余应力与裂纹有直接关
系［*,］。因此，该处的应力值不足以说明问题。
（4）内壁赤道带大环焊缝上、下热影响区该球
罐绝大多数裂纹出现在大环焊缝的下热影响区处，
下热影响区的残余应力普遍高于上热影响区的，与
裂纹出现规律吻合。
" 第# 次测试结果及分析
球罐第* 次修复测试后，又经过多次返修仍未
见效，最终将大环焊缝全部刨开重新焊接，并采用铺
设电阻丝带的局部热处理方法进行了焊接部位整圈
热处理。几个月后对球罐进行了补焊后及热处理后
# 次残余应力测试。
测试仍在球罐内壁的大环焊缝处进行。测点主
要布置在丁字缝和环缝处，共选择*# 个测点。测试
方向为最大主应力方向。补焊后及热处理后残余应
力对比结果见表#。
表# 补焊后及热处理后残余应力!$
!!!
对比
位置测点号!0 1$%&amp;amp;
补焊后热处理后
位置测点号!0 1$%&amp;amp;
!!!!!!!!!!
补焊后热处理后
环
缝
7
上
丁
字
缝
上热影响区* !/" **#
焊肉# !/# *,"
下热影响区! !,/ #!)
左上热影响区) #"# */#
焊肉" !#* **#
下热影响区/ #!4 *3)
环
缝
!
下
丁
字
缝
上热影响区4 */# **.
焊肉. !4) 5 3
下热影响区3 !!4 *.4
上热影响区*, )!/ *!4
焊肉** )!/ */#
左下热影响区*# ),/ */.
第 /期 张亦良，等：* ",, 8! 液化石油气球罐残余应力分析 · ** ·
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补焊后球罐内壁! 个区域残余应力数值均较
大。其中下丁字焊缝处最大应力达!"# $%&amp;amp;，平均值
达!’# $%&amp;amp;，相当于()’"!*
。对于!+ ,,以上厚度的
板材，经过整道焊缝的焊接，残余应力达到或超过屈
服应力也属正常现象。
热处理后球罐残余应力明显降低，整体平均下
降-+.。! 个区域热处理前后残余应力最大值及平
均值比较见图"。
图" 热处理前后! 个区域残余应力比较
球罐最终残余应力最大值为+)#/!*
，出现在环
焊缝的下热影响区部位。平均残余应力水平约
+)!!*
。
! 结语
!球罐整体返修前，内、外壁赤道带残余应力水
平较高，特别是内壁原始状态区残余应力达到
+)0’!*
，这对于已经运行了! &amp;amp;并经过整体热处理及
焊缝余高打磨的球罐是极不正常的，说明当初的整
体热处理效果不理想。"球罐经过补焊及局部热处
理后，残余应力水平仍接近或达到屈服应力，说明局
部热处理没有起到作用。#球罐赤道带环焊缝处下
热影响区的残余应力明显高于上热影响区的残余应
力，球罐内、外壁母材残余应力水平不高，属正常情
况。$球罐’ 次返修后焊后残余应力水平较高。整
圈热处理后残余应力大幅度降低，整体下降约
-+.。球罐最终残余应力最大值为+)#/!*
，平均残
余应力水平为+)!!*
。
参考文献：
［ ( ］ 1&amp;amp;2&amp;amp;345 6547&amp;amp;，84,&amp;amp;5 1 9&amp;amp;:;，84,&amp;amp;5 6，<= &amp;amp;>) ?<:<>@A,<7= &amp;amp;73
B@,A&amp;amp;5;*@7 @C 5<*;34&amp;amp;> *=5<** ,<&amp;amp;*45<,<7= @7 D<>3* EF :&amp;amp;5;@4* ,<=2G
@3*［H］) $&amp;amp;=<5;&amp;amp;>* IB;<7B< &amp;amp;73 J@KF，’++!，’+（’）：’#(G’#L)
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D;=2 RG5&amp;amp;F 3;CC5&amp;amp;B=@,<=<5 &amp;amp;73 *=5&amp;amp;;7 K&amp;amp;4K< ,<&amp;amp;*45<,<7［= 6］) =2< "=2
T7=<57&amp;amp;=;@7&amp;amp;> U@7C<5<7B< @7 OSA<5;,<7=&amp;amp;> $ I@B;<=F C@5 WA=;B&amp;amp;> O7K;7<<5;7K，’++() (L/G’+()
［ # ］ 张亦良，徐学东，程咏梅) 氨水储槽泄漏事故分析及残余应力
［H］) 压力容器，’+++，(0（’）：-LG#’)
［ 0 ］ 张亦良，徐学东，程咏梅) (- 万," 气柜残余应力及工作应力
测试分析［H］) 实验力学，(LL/，("（"）："!"G"!/)
［ / ］ 徐学东，张亦良，袁俊刚) 氨水储槽失效预测及跟踪调查［H］)
理化检验，’++"，"L（#）："+/G"(()
［ L ］ 徐秉业，刘信声) 应用弹塑性力学［$］) 北京：清华大学出版
社，’++() ’("G’(0)
［(+］ 李庆芬) 断裂力学及其工程应用［$］) 哈尔滨：哈尔滨工业大
学出版社，(LL/) (+G(0)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（张编）
中海油动工筹建" #$$ 万% 南海炼油项目
中海油在惠州大亚湾的( ’++ 万= 南海炼油项目筹备工
作近日全面展开。预计该工程将会在’++- 年动工兴建，并
按计划在’++/ 年建成投产。该项目投产后，可向中海壳牌
的/+ 万= 乙烯石化项目提供原料并基本满足其需求。
（林轩）
短玻纤增强聚丙烯市场前景看好
由于易加工、成本低以及力学性能优异，短玻纤增强聚
合物（IXY9%）受到越来越多的重视。
与长玻纤增强聚丙烯相比，短玻纤增强聚丙烯制品使用
标准注塑机加工，不需要额外的设备投入，成本低。其具有
更好的流动性、焊接性和抗疲劳性。短玻纤增强聚丙烯%%Z
IXY 更适合汽车工业的需要，可以进一步替代金属和长玻纤
增强聚酰胺来制造汽车零部件。
（林轩）
· (’ · 石 油 化 工 设 备 ’++!年 第 ""卷

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