钢管对接焊接头残余应力测量

对接焊头广泛应用于输送气、液介质的管道中，如果接头内表面有很高拉应力时，就很容易引起应力腐蚀开裂。本文主要采用盲孔法对钢管对接焊接头进行残余应力测量，分析不同管径、不同焊接层数以及预热温度对管道接头残余应力分布影响，了解其残余应力分布特征。

焊接试样

管材为12CrIMoV，壁厚5mm、10mm，直径133mm，长2*240mm，接头坡口角度为60°，直流手工电弧焊。焊接试样分三种情况:

1. 管子壁厚5mm，直径分别为50mm、100mm、300mm、500-2000mm单道单面一次焊透。

2. 壁厚10mm，焊缝层数为4层，分别在室温20℃和预热200℃下进行焊接。

3. 壁厚10mm，室温20℃，分别焊1层、4层、5层，保持总热输入相同。

测试方法及仪器

采用盲孔法测试残余应力。其原理是：在工件的应力场中钻小孔，被测点的应力的平衡受到破坏，应力得到释放，小孔周围的应力将重新分布调整，利用事先贴在孔周围的应变计测得孔附近的弹性应变增量，就可以根据弹性力学原理计算出小孔处的残余应力，这种方法钻孔直径和深度都很小，不会影响被测构件的正常使用。

仪器采用聚航科技的JHMK多点残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成。采用半桥连接，一片为工作片，一片为温度补偿片。

应变片的布置：在焊缝及其附近处，沿轴向和周向每隔30mm粘贴应变片；远离焊缝较远处每隔60mm粘贴应变片，同一距离测点各布置两片应变片，以防数据丢失。由于直径不同，不同钢管测点也不同。

测试结果

试验发现，周向应力和纵向应力明显大于径向应力。因此，本文只讨论前两种应力。图1a、图1b分别表示壁厚5mm，不同直径管子接头内部周向应力σθ和σz轴向应力分布情况。图2a和图2b表示σθ和σz外部分布情况，图3和图4分别表示预热和不预热4层焊缝时内部与外部的σθ和σz分布情况。图5表示不同焊接层数时管接头内、外部位σθ分布情况。

残余应力特征分析

直径对残余应力分布的影响

从图1和图2可得出以下结论

1. 管接头处内壁应力水平高于外部，焊缝内部及其附近的σθ和σz是拉应力，而外部的σz是压应力。小直径管外部σθ很低。

2. 虽然小直径管子接头残余应力很低，但内、外应力差值较大。随管径增大，内、外部位的*大σθ均逐渐趋向于屈服极限，应力分布趋近于平板对接焊的残余应力分布。小直径管接头内部残余拉应力是产生应力腐蚀的主要因素。

多层焊及预热对残余应力特征的影响

从图3至图5可得出以下结论

1. 内表面焊缝及其附近的σθ是拉应力，通常高于σz，甚至达到屈服极限。外表面的σθ比内表面的σθ低很多，其值很小，甚至为压应力。外表面的σz是压应力。

2. 预热200℃可以减小内、外表面的应力，但效果不是很明显。

3. 若热输入相同，减少焊接层数可改善残余应力的分布。