大口径厚壁埋弧直缝焊管内应力检测研究.pdf

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第27卷第1期
振动、测试与诊断
Vol27 No. 1
2007年3月
Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis
Mar.2007
大口径厚壁埋弧直焊管内应力检测研究
张慎伟张其林
陈国栋
(同济大学建筑工程系上海,200092)
(长江精工钢结构股份有限公司广州、510635)
摘要以广州新电视塔钢结构工程用大口径厚壁埋弧直焊管为对象,采用一种应用广泛且精度较好的检测方法
盲孔法,对厚壁直缝焊管内外表面的残余应力进行了检测。检测结果表明,该方法可以有效地测出钢管内部残余
应力的大小与分布,可为结构设计提供理论依据。
关词大口径厚壁直缝焊管残余应力检测育孔法应变释放系数
中图分类号TU392.3TU502+.6
放的应变△e,根据弹性力学理论反推出测量部位的
引言
初始残余应力。
对于图1所示应变片测得的释放应变,其应力
大口径厚壁埋弧直缝焊管主要承担海洋及陆地计算公式为
油气、石油及天然气、煤及矿浆等介质的管道输送,随
着一些超高层或高耸结构的建设,该类钢管也开始应
ら+eV(
4A
e1ーe3)2+(2e2-e1ー4
用于建筑结构领域,目前正在建设的广州新电视塔钢
结构工程就采用这种钢管。此类构件的特点是:由于
tan20=282e1-e9
el te3
管壁较厚(一般都超过40mm),构件表面除了焊接
过程产生焊接残余应力以外,厚板的冷弯成型会产生
很高冷弯残余应力。残余应力对钢构件承载能力、稳
定性以及疲劳强度都有不利影响,因此在使用厚壁直
缝焊接钢管之前,了解钢管内部的残余应力大小与分
布是非常必要的。而此类构件也是刚刚应用于建筑结
构领域,相关试验数据缺乏
本文以广州新电视塔钢结构工程用大口径厚壁
埋弧直缝焊管为对象进行试验研究,旨在了解大口
图1盲孔法测试残余应力应变片
径厚壁埋弧直缝焊管在焊接和冷弯成型过程中产生
的纵向和环向残余应力的大小与分布,为设计加工
测点部位在x,y方向上的应力a-,、分别为
提供理论依据。本试验检测所用方法为盲孔法,该方
法是一种应用广泛且精度较好的检测钢构件残余应
力的方法口3。
应力强度,为
1测试原理与方法
G+2
其中:∈1,e2,e3分别为应变片1,2,3上所测出的释放
1.1测试原理[2?
应变;1,02分别为测点残余应力的最大和最小主应
力;0为最大主应力与1的夹角;系数A,B为应变
盲孔释放法测量焊接残余应力是由德国学者
J. Mathar于1934年提出的,其基本原理为:若构件
释放系数。
内存在残余应力场a和弹性应变场e,在任意点开
这里重要的一点就是应变释放系效A,B的确
孔后,该处金属的残余应力即被释放,通过测量所释定。在弹性阶段,A,B可用 Kirsch理论解得出
收稿日期:2006-03-16;修改稿收到日期:2006-04-29
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振动、测试与诊断
第27卷
A=-?
40mm,长度L=1500mm,钢号为Q390GJC
4
Z15,用于测试厚壁(40mm)直缝焊接钢管截面上的
B
2-1+1+
vd2(ろ+rr2+r2
残余应力分布,如图2所示。标定试件用于标定测量
4
4r2
其中:E,v分别为被测材料的弹性模量和泊松比;d,
试件打孔后应变释放系数,考虑到试验机夹持端的
1,r2分别为孔径和盲孔中心到应变片近孔端、远孔
板件厚度要求,对试件两端进行了铣薄处理,如图3
所示。试验钻孔设备采用直径2mm的手电,试验
端的距离。
由于孔边必然出现应力集中现象,当试件残余
数据自动采集。测量试件选择3个截面进行测量,在
应力达到o,/3时,孔边区域即已达到屈服,上式计焊缝周国测点布置比较密集,在焊缝两侧36以外
算出的基于弹性理论的值已不再适用,所以这两个
布置较为稀疏,内外表面沿环向各布置24个应变
系数需由试验标定。假设在构件中施加单向应力场
花,如图4所示。为考虑加载偏心的影响,标定试件
在两面各布置4个间距为40mm?的三向应变花,
(の1=o,の2=0),应变片1,3分别平行于1,o2方向,
即6=0,则有
两侧面各布置2个单向应变片,如图5所示。
A=(e1+e3)/2o
B=(e1ーe3)/2o
焊缝
由1,3应变片测得的释放应变61,3即可求出
应变释放系数A,B。
1500
1.2测试方法
测量试件:在选定截面上粘贴应变片,数据采集
图2测量试件详图(单位为mm)
系统调试好后,即可打孔测试,测量打孔前后应变的
应变花,反面同
变化。孔径d=2mm,根据文献[5]的规定孔深取
2d,按2.5mm考虑。标定试件:在测点部位粘贴
应变片,将试件就位于万能试验机上,加载到100
kN,持荷、打孔,测出打孔前后的应变差,然后每
10150150100
200kN为一荷载等级加到500kN,共3级,记下每
级荷载下打孔前后应变片的读数
单向应变片,反面同
2试验概况
150
150
100
本试验共制作2个试件,一个为测量试件,另ー
()
个为标定试件。测量试件为直缝焊管850,壁厚为
图3标定试件详图(单位为mm
()
图4钢管内外表面应变片布置
3应变释放系数标定结果
在单向拉伸试验机上测得标定试件在各级荷载
下开孔面与不开孔面的应变差,经弯曲修正后,由公
图5标定试件应变片布量
准分字いい式(5)推算出应变释放系数A,B,再经回归修正得