液化氣罐工作應(yīng)力測(cè)量和評(píng)估

于　敏，緱瑞賓，仇　飛

(1．安徽科技學(xué)院，安徽　鳳陽　233100；2.浙江省特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 浙江　杭州　310020)

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液化氣罐工作應(yīng)力測(cè)量和評(píng)估

于敏1，緱瑞賓1，仇飛2

(1．安徽科技學(xué)院，安徽鳳陽233100；2.浙江省特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 浙江杭州310020)

摘要：為了評(píng)估局部受損液化氣罐的應(yīng)力水平，利用氣壓試驗(yàn)對(duì)罐體進(jìn)行加載，采用電測(cè)法對(duì)罐體缺陷區(qū)、封頭焊縫熱影響區(qū)和母材區(qū)的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，凹坑區(qū)域呈現(xiàn)出較高的應(yīng)力水平，最大應(yīng)力位于凹坑中心，為436 MPa(1.12 Rel)，該區(qū)域的高應(yīng)力水平在濕H2S腐蝕環(huán)境中易引發(fā)局部應(yīng)力腐蝕；受焊接殘余應(yīng)力的影響，罐體總應(yīng)力有可能進(jìn)一步增加；罐體繼續(xù)使用前應(yīng)對(duì)變形部位進(jìn)行局部消除殘余應(yīng)力熱處理，罐體內(nèi)部定期進(jìn)行表面探傷。

關(guān)鍵詞：液化氣罐; 應(yīng)變測(cè)量; 電測(cè)法；氣壓試驗(yàn)

應(yīng)力水平是評(píng)價(jià)工程設(shè)備構(gòu)件(壓力容器)安全的重要依據(jù)，定期進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)是保證工程設(shè)備構(gòu)件安全的重要手段，工程上常用的應(yīng)力檢測(cè)方法主要包括X射線殘余應(yīng)力檢測(cè)法(X射線法)和電阻應(yīng)變測(cè)量法(電測(cè)法)，這兩種方法可以分別對(duì)工程設(shè)備構(gòu)件的殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，是設(shè)備熱處理后、投入使用前、使用過程中以及局部受損時(shí)主要的檢測(cè)手段。X射線法因?qū)Νh(huán)境要求極高，且測(cè)量成本高，工程應(yīng)用性受到了極大限制，但該法是評(píng)價(jià)設(shè)備構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力水平和熱處理效果等方面的主要方法[1-5]；電測(cè)法則具有操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且能對(duì)研究對(duì)象的工作應(yīng)力水平進(jìn)行準(zhǔn)確描述，因此在工程上得到極為廣泛的應(yīng)用[4-14]。

本文以受損液化氣罐為研究對(duì)象，為了評(píng)估罐體受損部位的應(yīng)力水平，對(duì)該液化氣罐進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，并采用電測(cè)法對(duì)罐體進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試分析，以評(píng)價(jià)變形對(duì)罐體安全使用的影響。在氣壓試驗(yàn)前，罐體曾進(jìn)行了1.25倍設(shè)計(jì)壓力的水壓實(shí)驗(yàn)，最大水壓為2.26 MPa。

1試驗(yàn)對(duì)象

某液化氣罐運(yùn)輸半掛車與大貨車發(fā)生交通事故，大貨車先與罐體發(fā)生刮擦，致使罐體中部大面積漆層脫落，之后大貨車由于急轉(zhuǎn)向而發(fā)生側(cè)翻，側(cè)翻時(shí)在罐體的筒節(jié)與前封頭連接處的5號(hào)筒節(jié)上撞了一個(gè)橢圓形狀的凹坑，同時(shí)造成前封頭一處漆層脫落，如圖1所示。罐體與大貨車刮擦?xí)r在1區(qū)形成的橢圓形狀凹坑，凹坑尺寸(長(zhǎng)軸×短軸×深度)為250 mm×140 mm×8 mm。2區(qū)為前封頭與罐體筒節(jié)連接部位的漆層脫落，3區(qū)為罐體中部大面積漆層脫落。

圖1　局部受損液化氣罐

1.1主要參數(shù)

罐體材料：16 MnR(熱軋)，罐體質(zhì)量：8700 Kg，容積：35.71 m3，充裝介質(zhì)：液化石油氣(丙烷)，使用年限：10年，設(shè)計(jì)溫度：50 °C，設(shè)計(jì)氣壓試驗(yàn)壓力：1.77 MPa，設(shè)計(jì)水壓試驗(yàn)壓力：2.66 MPa，外形尺寸(內(nèi)徑×壁厚×長(zhǎng)度)：Φ2200 mm×13 mm /14 mm×9828 mm，前后封頭壁厚14 mm，筒體壁厚13 mm。熱處理方法：整體消除應(yīng)力熱處理。

1.2化學(xué)成分與力學(xué)性能

罐體各部分材質(zhì)均為16MnR，材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1。

表1　液化氣罐的化學(xué)成分和機(jī)械性能

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法與儀器

為了評(píng)估液化氣罐體局部損傷對(duì)罐體的影響，在對(duì)罐體進(jìn)行氣壓試驗(yàn)的過程中，采用電測(cè)法對(duì)罐體受損部位進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定，以確定液化氣罐受載過程中的應(yīng)力變化情況。氣壓試驗(yàn)加載采用逐級(jí)加載法，按照罐體最高設(shè)計(jì)壓力1.77 MPa對(duì)罐體進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，氣壓每上升0.1 MPa進(jìn)行一次靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)前罐內(nèi)壓力為0.1 MPa。應(yīng)力測(cè)量采用UCAM-10 A數(shù)據(jù)采集儀，儀器校準(zhǔn)度：±0.1%；分辨率：1 με。

2.2測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)主要布置在發(fā)生塑性變形的凹坑1區(qū)、封頭焊縫附近的熱影響2區(qū)、筒節(jié)刮擦部分母材3區(qū)三個(gè)區(qū)域，三個(gè)區(qū)域共布置9各測(cè)點(diǎn)，1區(qū)5個(gè)，2區(qū)和3區(qū)各2個(gè)。(1)塑性變形1區(qū)：主要測(cè)試橢圓凹坑的底部、中部及上部，沿橢圓長(zhǎng)軸和短軸共布置五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為1-1、1-2、1-3、1-4和1-5，其中測(cè)點(diǎn)1-3位于凹坑中心(變形最嚴(yán)重的點(diǎn))，測(cè)點(diǎn)1-1和1-2沿短半軸布置，由于變形區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，為了得到變形區(qū)域準(zhǔn)確的應(yīng)力值，測(cè)點(diǎn)1-1、1-2、1-3處采用三向應(yīng)變花。測(cè)點(diǎn)1-4和1-5沿長(zhǎng)半軸布置，采用兩向花。(2)受撞擊附近封頭焊縫熱影響2區(qū)布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)2-1和2-2，分別布置在封頭焊縫的兩側(cè)，均為三向應(yīng)變花。(3)筒體母材3區(qū)布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)3-1和3-2，3-1采用三向應(yīng)變花，3-2采用兩向應(yīng)變花。

應(yīng)變片規(guī)格為2 mm×3 mm，9個(gè)測(cè)點(diǎn)共采用3個(gè)二向應(yīng)變花和6個(gè)三向應(yīng)變花，測(cè)點(diǎn)布置與貼片如圖2所示。

圖2　應(yīng)變片布置

2.3液化氣罐應(yīng)力狀態(tài)

因罐體為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)力狀態(tài)為典型的二向應(yīng)力狀態(tài)，罐體上任一點(diǎn)的兩個(gè)主應(yīng)力可以根據(jù)公式1計(jì)算：

(1)

式1中：p為罐體內(nèi)壓力，p = 0.1～1.77MPa，d為罐體內(nèi)徑，d=2200mm，t為罐體壁厚，為13mm。

2.4應(yīng)力計(jì)算

各點(diǎn)主應(yīng)力根據(jù)測(cè)得的應(yīng)變求出，三向應(yīng)變花和二向應(yīng)變花可以測(cè)出三個(gè)方向的應(yīng)變值，設(shè)三個(gè)方向的應(yīng)變分別為ε0、ε45和ε90，則主應(yīng)力分別由公式2和公式3計(jì)算。

對(duì)于三向應(yīng)變花，主應(yīng)力為

(2)

對(duì)于二向應(yīng)變花，主應(yīng)力為

(3)

Mises等效應(yīng)力由兩個(gè)主應(yīng)力σ1和σ2求得，見公式(4)

(4)

3結(jié)果與分析

3.1液化氣罐母材主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式1，在整個(gè)氣壓試驗(yàn)過程中，液化氣罐母材區(qū)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3　液化氣罐主應(yīng)力理論計(jì)算結(jié)果

由圖3知，當(dāng)加壓至最大試驗(yàn)壓力1.77 MPa時(shí)，筒體母材的主應(yīng)力為σ1 =149.7 MPa(0.38 Rel)，σ2 =74.9 MPa(0.19 Rel)，該應(yīng)力水平為液化氣罐體的正常工作應(yīng)力水平。

3.2應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

液化氣罐9個(gè)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力測(cè)量結(jié)果和Mises等效應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如圖4。由于兩個(gè)主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，所以測(cè)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力值介于兩個(gè)主應(yīng)力之間，因此，采用最大主應(yīng)力σ1作為評(píng)價(jià)液化氣罐的依據(jù)。

(a)

(c)

(b)

(d)

(a)σ1;(b)σ2;(c)σr4;(d)stress results of each measuring points under 1.6MPa and 1.77MPa

由圖4知，9個(gè)測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，在氣壓試驗(yàn)過程中，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力與載荷始終保持線性關(guān)系。塑性變形的凹坑1區(qū)五個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平明顯高于另外兩個(gè)測(cè)試區(qū)。

在1.77MPa設(shè)計(jì)壓力條件下，綜合圖4和液化氣罐體筒節(jié)的屈服強(qiáng)度Rel(390MPa)，各區(qū)的應(yīng)力具有以下特征：

(1)凹陷1區(qū)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

缺陷凹坑的底部測(cè)點(diǎn)1-3的最大主應(yīng)力σ1值高達(dá)436 MPa，相當(dāng)于1.12 Rel；缺陷凹坑的長(zhǎng)軸中部測(cè)點(diǎn)1-4的σ1值高達(dá)409 MPa，相當(dāng)于1.05 Rel；缺陷凹坑的長(zhǎng)軸頂部測(cè)點(diǎn)1-5的σ1值為336 MPa，相當(dāng)于0.86 Rel。缺陷凹坑的短軸中部測(cè)點(diǎn)1-2點(diǎn)的σ1為274 MPa，相當(dāng)于0.70 Rel；缺陷凹坑的短軸頂部測(cè)點(diǎn)1-1的σ1值為157 MPa，相當(dāng)于0.40 Rel，該值為罐體受力的正常值。

5個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果表明罐體凹陷區(qū)域呈現(xiàn)了較大的工作應(yīng)力，高應(yīng)力主要集中在凹陷區(qū)域的長(zhǎng)軸方向，以凹坑的中心點(diǎn)1-3最為嚴(yán)重。

(2)缺陷附近封頭焊縫熱影響2區(qū)應(yīng)力

凹坑缺陷附近封頭焊縫熱影響區(qū)測(cè)點(diǎn)2-1和2-2的最大σ1值為121 MPa，僅相當(dāng)于0.31 Rel，該值低于理論計(jì)算值0.38 Rel，因此該區(qū)的工作應(yīng)力屬正常水平。

(3)罐體母材部位3區(qū)的應(yīng)力

在罐體母材處兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力測(cè)量值σ1為176 MPa，相當(dāng)于0.45 Rel，母材區(qū)工作應(yīng)力水平略高于理論計(jì)算水平0.38 Rel，該區(qū)應(yīng)力水平正常。

綜上可知，凹陷1區(qū)應(yīng)力水平較高，過高的應(yīng)力水平主要是由于碰撞過程中罐體變形所致；刮擦導(dǎo)致2區(qū)和3區(qū)油漆層脫落，但罐體并無明顯變形，因此對(duì)這兩個(gè)區(qū)的應(yīng)力水平基本上沒有影響。

4結(jié)論與討論

在1.77 MPa的設(shè)計(jì)壓力下，橢圓缺陷沿長(zhǎng)軸方向的工作應(yīng)力已經(jīng)超過材料的屈服應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到1.12 Rel，表明該區(qū)已經(jīng)工作在塑性區(qū)，但此時(shí)的應(yīng)力仍與載荷保持線性關(guān)系，造成該結(jié)果的主要原因?yàn)椋涸跉鈮涸囼?yàn)前，曾經(jīng)進(jìn)行了1.25倍設(shè)計(jì)壓力的水壓實(shí)驗(yàn)，壓力為2.26 MPa。由氣壓試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果看，水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)缺陷區(qū)已經(jīng)屈服并已進(jìn)入強(qiáng)化階段，該結(jié)果導(dǎo)致材料彈性階段提高、塑性降低。本次測(cè)試中壓力為1.77 MPa，因此仍在強(qiáng)化后的彈性區(qū)工作，這是工作應(yīng)力與載荷保持線性關(guān)系的主要原因。

液化氣罐體缺陷區(qū)域板材強(qiáng)度極限Rm為510 MPa，在設(shè)計(jì)壓力1.77 MPa下，缺陷部位的最大應(yīng)力達(dá)到0.85 Rm，呈現(xiàn)了相當(dāng)高的應(yīng)力水平。氣壓試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力為僅為工作應(yīng)力，沒有反映出液化氣罐體本身的殘余應(yīng)力，若疊加上殘余應(yīng)力的影響，液化氣罐的總應(yīng)力水平可能還會(huì)增加。

綜上可知，液化氣罐受撞擊產(chǎn)生的橢圓型凹坑區(qū)域呈現(xiàn)了很高的應(yīng)力水平，進(jìn)入了塑性階段，由于水壓試驗(yàn)使該區(qū)經(jīng)歷了屈服和強(qiáng)化過程，罐體該區(qū)域的屈服強(qiáng)度得到了提高，導(dǎo)致該區(qū)域在最大設(shè)計(jì)壓力時(shí)仍工作在彈性區(qū)域，盡管如此，該區(qū)的高應(yīng)力仍為罐體使用安全的重要威脅。針對(duì)該液化氣罐工作應(yīng)力的特點(diǎn)，對(duì)罐體受損情況總結(jié)如下：

(1)在1.77 MPa的設(shè)計(jì)壓力下，缺陷凹坑區(qū)域呈現(xiàn)了高應(yīng)力水平，凹坑中心應(yīng)力最大，達(dá)到1.12 Rel，該區(qū)域已經(jīng)屈服并進(jìn)入強(qiáng)化階段，該區(qū)域的高應(yīng)力對(duì)于罐體的使用安全極為不利；(2)罐體應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果僅僅反映了罐體的工作應(yīng)力水平，并不包括罐體自身的殘余應(yīng)力，若疊加上殘余應(yīng)力的影響，液化氣罐的總應(yīng)力水平可能還會(huì)增加；(3)罐體使用過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控液化石油氣中H2S和水含量，并定期對(duì)變形部位內(nèi)部做表面探傷，以防濕H2S環(huán)境對(duì)高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕[15]。如果條件允許，建議對(duì)變形部位做消除殘余應(yīng)力熱處理。

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(責(zé)任編輯：李孟良)

收稿日期：2016-01-20

基金項(xiàng)目：安徽高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2016A181)；安徽科技學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)(AKZDXK2015C03)。

作者簡(jiǎn)介：于敏(1981-)，女，河南省滑縣人，碩士，講師，主要從事工程力學(xué)研究。

中圖分類號(hào)：TE88

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8772(2016)03-0075-06

Working Stress Measurement and Analysis of a Liquefied Petroleum Gas Tank

YU Min1，GOU Rui-bin1，QIU Fei2

(1. Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China；2. Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China)

Abstract：To investigate the influence of the deformation and access the stress level of a deformed liquefied petroleum gas tank, gas pressure test was carried out and electrometric method was used for the pressure-tested tank to detect its working stress and strain in the deformed region, the heat affected zone and the base metal zone of the tested tank, respectively. The results show that high stress level is the characteristic of the deformed region and the maximum working stress is high up to 1.12 times the yield strength under the maximum design pressure. The actual stress level might increase if taking the influence of residual stress into account. Heat treatment to eliminate residual stress and regular surface inspection should be done because stress corrosion easily cause high stress level in the H2S environment.

Key words:Liquefied petroleum gas tank; Strain measurement; Electrometric method; Gas pressure test