液化石油气钢瓶焊接残余应力分析

目前生活燃气在城乡得到广泛使用，气钢瓶是燃气的载体。日常生活中，燃气钢瓶经常发生火灾、爆炸事故，给人民的生命和财产安全造成严重威胁。火灾主要是由于气瓶发生泄露而引起的，而气瓶爆炸则主要由瓶体所承受的zui大应力超过材料的强度极限所致。

气瓶应力主要是工作应力和制造过程中产生的残余应力。工作应力可以通过有效的管理手段和合理的充装工艺控制在安全范围内，残余应力则需要在生产过程中采用合理的热处理来消除应力。

液化石油气钢瓶全部为焊接成型，由于组对误差、焊接过程中加热、冷却不均匀等原因，使瓶体、焊缝及其热影响区内存在残余应力。当残余应力为拉应力时，会造成疲劳失效和脆性断裂，同时对钢瓶的疲劳强度、断裂性能及抗应力腐蚀性能产生不利影响。因此，残余应力是影响液化石油气钢瓶强度的一个重要因素。而对液化石油气钢瓶关键部位进行残余应力分析显得尤为重要。本文就是以液化石油气钢瓶为研究对象，通过对不同部位进行焊接残余应力测试，研究其焊接残余应力的分布特点。

样品信息

钢板冲压拉伸后制成上、下椭圆形封头，下封头缩口与上封头对接焊后制造成型。成型后进行去应力退火，退火温度为650℃。瓶体有一条环焊缝，阀座和底座部位为角焊缝。

选用同一厂家同一批次的三支液化石油气钢瓶作为测试对象，编号为1^#、2^#、3^#_。1^#和2^#气瓶用于残余应力测试，3^#气瓶用于气瓶的材质分析。气瓶基本参数为：瓶体材料HP295，公称容积35.5L，工作压力2.1MPa，外径320mm，设计壁厚3mm。

残余应力分析试验

本次残余应力分析方法选用盲孔法，采用聚航科技生产的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成。应变花灵敏系数为2.18.

残余应力测点选择

由于钢瓶的上、下封头在冲压拉伸过程中会产生残余应力，且瓶体环焊缝和阀座、护罩角焊缝处也会产生残余应力。根据气瓶残余应力的分布特点，选取3个区域进行残余应力测试。

区域1以下封头的底部中心为起点，经过封头曲面过渡区域，最终到达封头的柱面部分，以20mm为间距，布置15个测量点；区域2以筒体环焊缝为中心线，在焊缝两侧以不同的间距布置14个测点；区域3在护罩与上封头的角焊缝一侧，以不同间距布置6个测点。

残余应力测试结果分析

根据区域1测试结果可知，两支气瓶下封头残余应力整体水平较低，zui大值均出现在底部中心位置，1^#气瓶环向残余应力zui大值为78MPa，轴向残余应力zui大值为158MPa；2^#气瓶环向残余应力zui大值为206MPa，zui大轴向残余应力值为175MPa。越靠近封头曲面与柱面的交接线，残余应力应力越低；柱面上的残余应力维持在很低的水平，轴向残余应力略高于环向残余应力。

从气瓶生产工艺可知，气瓶封头由HP295板材落料后拉伸成型，这一过程的实质就是将毛胚的凸缘部分材料逐渐转移到筒壁。在转移过程中，凸缘部分由于拉伸力的作用会在径向产生拉应力，在切向产生压应力，在拉伸结束后作用于圆周回弹方向上的拉应力也会增加，使封头成型后产生很大的残余应力。在生产过程中也经常会发生部分经拉伸后的封头产生纵向开裂的现象，而本次被测气瓶下封头残余应力整体水平较低，且分布良好，这与气瓶制造过程中合理的热处理过程直接相关。一般情况下，气瓶成型后，均要进行消应力退火和水压试验，这两个过程均会对残余应力的消除和重新分布产生重要的影响，柱面上的残余应力分布与曲面相比较为均匀，这是由于柱面上各区域的材料在热处理时升温和冷却过程比较均匀。

由区域2残余应力分布可知，除环焊接头附近区域外，瓶体轴向、环向残余应力均维持在较低的水平，基本在50-100MPa的范围内；但是，焊缝及其附近区域的残余应力分布比较特殊，即焊缝处于拉应力状态，轴向、环向残余应力达到150-200MPa的水平，且在焊接接头的热影响区出现了残余压应力区域。随着距焊缝中心距离的增加，轴向、环向残余应力呈现出现较低的拉应力状态。如前所述，焊缝、热影响区残余应力的分布状态与气瓶制造过程中的热处理过程直接相关，故从结果中的焊接接头的应力状态和应力水平来看，其热处理工艺还有一定的改进空间。

由3区域残余应力分布可知，连接角焊缝附近区域的残余应力均呈压应力状态。残余应力的存在无疑是对气瓶有益的。通过与封头曲面区域的残余应力分布状态进行比较后不难看出，连接角焊缝的存在改变了该区域残余应力的分布状态。

总结

根据残余应力分析结果可以看出，所选的两支液化石油气钢瓶的热处理工艺较为合理，其残余应力总体水平较低。同时，使用盲孔法测残余应力方法操作简单，成本低，适合在工厂开展大批量成本的残余应力取样检测工作，从而使得气瓶在使用过程中的风险降到zui低。