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對接焊頭廣泛應(yīng)用于輸送氣、液介質(zhì)的管道中，如果接頭內(nèi)表面有很高拉應(yīng)力時，就很容易引起應(yīng)力腐蝕開裂。本文主要采用盲孔法對鋼管對接焊接頭進行殘余應(yīng)力測量，分析不同管徑、不同焊接層數(shù)以及預(yù)熱溫度對管道接頭殘余應(yīng)力分布影響，了解其殘余應(yīng)力分布特征。

焊接試樣

管材為12CrIMoV，壁厚5mm、10mm，直徑133mm，長2*240mm，接頭坡口角度為60°，直流手工電弧焊。焊接試樣分三種情況:

1. 管子壁厚5mm，直徑分別為50mm、100mm、300mm、500-2000mm單道單面一次焊透。

2. 壁厚10mm，焊縫層數(shù)為4層，分別在室溫20℃和預(yù)熱200℃下進行焊接。

3. 壁厚10mm，室溫20℃，分別焊1層、4層、5層，保持總熱輸入相同。

測試方法及儀器

采用盲孔法測試殘余應(yīng)力。其原理是：在工件的應(yīng)力場中鉆小孔，被測點的應(yīng)力的平衡受到破壞，應(yīng)力得到釋放，小孔周圍的應(yīng)力將重新分布調(diào)整，利用事先貼在孔周圍的應(yīng)變計測得孔附近的彈性應(yīng)變增量，就可以根據(jù)彈性力學原理計算出小孔處的殘余應(yīng)力，這種方法鉆孔直徑和深度都很小，不會影響被測構(gòu)件的正常使用。

儀器采用聚航科技的JHMK多點殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。采用半橋連接，一片為工作片，一片為溫度補償片。

應(yīng)變片的布置：在焊縫及其附近處，沿軸向和周向每隔30mm粘貼應(yīng)變片；遠離焊縫較遠處每隔60mm粘貼應(yīng)變片，同一距離測點各布置兩片應(yīng)變片，以防數(shù)據(jù)丟失。由于直徑不同，不同鋼管測點也不同。

測試結(jié)果

試驗發(fā)現(xiàn)，周向應(yīng)力和縱向應(yīng)力明顯大于徑向應(yīng)力。因此，本文只討論前兩種應(yīng)力。圖1a、圖1b分別表示壁厚5mm，不同直徑管子接頭內(nèi)部周向應(yīng)力σθ和σz軸向應(yīng)力分布情況。圖2a和圖2b表示σθ和σz外部分布情況，圖3和圖4分別表示預(yù)熱和不預(yù)熱4層焊縫時內(nèi)部與外部的σθ和σz分布情況。圖5表示不同焊接層數(shù)時管接頭內(nèi)、外部位σθ分布情況。

殘余應(yīng)力特征分析

直徑對殘余應(yīng)力分布的影響

從圖1和圖2可得出以下結(jié)論

1. 管接頭處內(nèi)壁應(yīng)力水平高于外部，焊縫內(nèi)部及其附近的σθ和σz是拉應(yīng)力，而外部的σz是壓應(yīng)力。小直徑管外部σθ很低。

2. 雖然小直徑管子接頭殘余應(yīng)力很低，但內(nèi)、外應(yīng)力差值較大。隨管徑增大，內(nèi)、外部位的*大σθ均逐漸趨向于屈服極限，應(yīng)力分布趨近于平板對接焊的殘余應(yīng)力分布。小直徑管接頭內(nèi)部殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要因素。

多層焊及預(yù)熱對殘余應(yīng)力特征的影響

從圖3至圖5可得出以下結(jié)論

1. 內(nèi)表面焊縫及其附近的σθ是拉應(yīng)力，通常高于σz，甚至達到屈服極限。外表面的σθ比內(nèi)表面的σθ低很多，其值很小，甚至為壓應(yīng)力。外表面的σz是壓應(yīng)力。

2. 預(yù)熱200℃可以減小內(nèi)、外表面的應(yīng)力，但效果不是很明顯。

3. 若熱輸入相同，減少焊接層數(shù)可改善殘余應(yīng)力的分布。