FPSO典型焊接節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究

衛(wèi) 濤，李良碧，2，蔣文進(jìn)，周 宏，2

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003)

隨著人類開始向深海領(lǐng)域開發(fā)海洋資源，浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)正逐漸成為深海石油資源的開發(fā)工具［1］.焊接是船舶建造中最主要的連接形式，焊接過程中由于加熱冷卻循環(huán)導(dǎo)致非協(xié)調(diào)變形，不可避免地會產(chǎn)生殘余應(yīng)力［2］.FPSO在服役期間所受外部載荷引起的工作應(yīng)力及其內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力的雙重作用將嚴(yán)重影響FPSO內(nèi)部焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度［3］.因此，合理地推斷焊接殘余應(yīng)力對FPSO典型焊接節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度的影響，對焊接殘余應(yīng)力的研究十分重要.

目前，針對FPSO內(nèi)部焊接接頭殘余應(yīng)力的研究并不多，文中主要采用試驗(yàn)方法對FPSO典型焊接節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究.測量焊接殘余應(yīng)力的方法主要分為有損檢測法和無損檢測法.有損檢測法主要包括鉆孔法、裂紋法、剖面法等，其中實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用最多的是鉆孔法［4］.無損檢測法主要包括X射線衍射法、超聲波法、中子衍射法等，其中實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用最多的是X射線衍射法.由于有損檢測法中的鉆孔法相對無損檢測法中的X射線衍射法誤差較大，而且有損檢測法可能對試件之后的疲勞試驗(yàn)產(chǎn)生影響，因此文中殘余應(yīng)力測量試驗(yàn)采用X射線衍射法.

1 FPSO典型焊接節(jié)點(diǎn)模型試件尺寸

文中選出能代表FPSO典型焊接結(jié)構(gòu)形式的一種焊接接頭模型進(jìn)行研究，典型焊接節(jié)點(diǎn)模型如圖1，試驗(yàn)試件材料為Q345鋼，尺寸見圖2.

圖1 FPSO典型焊接節(jié)點(diǎn)Fig.1 A typical welded joint of FPSO

圖2 試件尺寸(單位:mm)Fig.2 Size of the model(unit:mm)

2 X射線法測量原理

文中在測量試件焊接殘余應(yīng)力時主要采用X射線應(yīng)力測量儀.X射線法測量殘余應(yīng)力是基于X射線衍射理論的.X射線衍射是當(dāng)一束X射線照射到多晶體上后，在某個角度接收到反射的X射線強(qiáng)度極大值(即衍射峰).X射線波長λ、衍射角2θ與衍射晶面間距d間的關(guān)系遵從布拉格定律:

2dsinθ=nλ n=1，2，3，… (1)

在確定射線波長λ后，式(1)就變?yōu)檠苌浣?θ與衍射晶面間距d之間的關(guān)系.當(dāng)材料中存在應(yīng)力σ時，晶面間距會有所改變，根據(jù)布拉格定律可知，2θ也會發(fā)生變化.X射線應(yīng)力儀可以準(zhǔn)確地測得衍射角2θ，再根據(jù)彈性力學(xué)可計算得到應(yīng)力σ［5］.

3 測量過程

FPSO典型焊接節(jié)點(diǎn)焊趾部位由于長期承受較大的拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生疲勞破壞［6］，圖3中所示短焊縫A區(qū)域?yàn)榈湫偷暮附庸?jié)點(diǎn)疲勞熱點(diǎn)區(qū)域，因此文中將重點(diǎn)對短焊縫A進(jìn)行研究.X方向焊接殘余應(yīng)力是影響焊接結(jié)構(gòu)的焊縫趾端疲勞壽命的主要應(yīng)力，因此文中主要對X方向的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析研究.

在測量前，通常需要對焊件所測區(qū)域進(jìn)行表面處理，具體步驟如下:

1)用電動軟打磨機(jī)對焊件的測量區(qū)域表面進(jìn)行打磨，除去表面鐵銹，使材料表面光潔.

2)用記號筆在測量區(qū)域劃線定點(diǎn)，標(biāo)記所測的位置及編號(圖3).

3)用電解拋光機(jī)對測量點(diǎn)的表面進(jìn)行拋光處理，電解拋光后用酒精擦拭干凈，確保材料表面干燥，防止生銹.

4)用X射線測量儀依次對每個測點(diǎn)進(jìn)行測量，通過計算機(jī)處理得到各個測點(diǎn)的殘余應(yīng)力值.

圖3 測量點(diǎn)示意圖(單位:mm)Fig.3 Measuring points(unit:mm)

由于測點(diǎn)較密，因此在圖3中未能標(biāo)注所有點(diǎn)，僅標(biāo)注了5個典型測點(diǎn)，試驗(yàn)中測量點(diǎn)總共有15個，其中#1～#13均在中心線上，所有測點(diǎn)的具體位置及編號見表1，2.

表1 測點(diǎn)編號及位置Table 1 Number and the position of measuring points

表2 測點(diǎn)編號及位置Table 2 Number and position of measuring points

4 測量結(jié)果

本試驗(yàn)共對3組試件進(jìn)行了殘余應(yīng)力測量，各組試件中各測點(diǎn)的殘余應(yīng)力的測量結(jié)果見表3、圖4和圖5，在圖4，5中增加了殘余應(yīng)力測試結(jié)果趨勢.

表3 殘余應(yīng)力測量結(jié)果Table 3 Results of residual stresses measurement

圖4 垂直焊縫方向殘余應(yīng)力測量值比較Fig.4 Results of the test of residual stresses along vertical welding line direction

圖5 沿焊縫方向殘余應(yīng)力測量值比較Fig.5 Results of the test of residual stresses along welding line direction

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在焊趾附近殘余應(yīng)力較大且為拉應(yīng)力;在垂直焊縫方向，殘余應(yīng)力隨著距焊縫趾端的距離(D)增加而降低，在沿著焊縫方向，殘余應(yīng)力隨著距中心線的距離(DZ)增加而降低.

5 結(jié)論

1)在典型焊接節(jié)點(diǎn)的焊趾附近殘余應(yīng)力較大，且為拉應(yīng)力.

2)在垂直焊縫方向，典型焊接節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨著距焊縫趾端的距離增加而降低;在沿著焊縫方向，殘余應(yīng)力隨著距中心線的距離增加而降低.

References)

［1］ 高震，胡志強(qiáng)，顧永寧，等.浮式生產(chǎn)儲油輪船艏結(jié)構(gòu)疲勞分析［J］.海洋工程.2003，21(2):8-15.Gao Zhen，Hu Zhiqiang，Gu Yongning，et al.Fatigue analysis of the bow structure of FPSO［J］.The Ocean Engineering，2003，21(2):8 -15.(in Chinese)

［2］ 孫文婷，萬正權(quán).對接焊殘余應(yīng)力的有限元分析［J］.船舶力學(xué).2007，11(1):94-101.Sun Wenting，Wan Zhengquan.Finite element analysis of butt-welding residual stresses［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11(1):94 -101.(in Chinese)

［3］ 李良碧.殘余應(yīng)力釋放影響FPSO疲勞強(qiáng)度的研究綜述［J］.造船技術(shù)，2008(6):19-21.Li Liangbi.A review of relaxation of residual stress influence on fatigue strength of FPSO［J］.Journal of Marine Technology，2008(6):19 -21.(in Chinese)

［4］ 王娜.中厚板焊接殘余應(yīng)力測試的盲孔法研究［D］.遼寧大連:大連理工大學(xué)，2007.

［5］ 張曉飛.殘余應(yīng)力對深海耐壓結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響研究［D］.江蘇鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2013.

［6］ 李良碧，王自力.基于殘余應(yīng)力釋放的FPSO典型焊接接頭的疲勞強(qiáng)度修正公式［J］.船舶力學(xué)，2009，13(1):82-90.Li Liangbi，Wang Zili.A modified fatigue strength formula of typical weld joints based on residual stresses relaxation of FPSOs ［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13(1):82-90.(in Chinese)