液化气体汽车罐车焊缝开裂原因分析.pdf

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江西化工
2015年第3期
液化气体汽车罐车焊缝开裂原因分析
刘金良谭粤李蔚夏莉
(广东省特种设备检测研究院,广东佛山528251)
摘要:本文对液化气体汽车罐车定期检验中发现的罐体尾部与车底架焊接位置焊
缝开裂的原因进行了分析,得到了罐体的设计问题和非对称循环交变应力的共同作用导
致焊缝开裂的结论,并提出了建议。
关键词:液化气体汽车罐车焊缝开裂非对称循环交变应力
1前言
液化气体汽车罐车既属于移动式压力容器,又属
于专用汽车,其年生产量近5000台,并有增大的趋势,
同时罐体的设计不断向大容积、轻量化方向发展,由于
它装载的介质容易燃烧、甚至在特定条件下会产生爆
炸,直接影响工业生产和居民生活安全,所以,确保液
化气体罐车的运行安全显得尤为重要。
我国16MnR、0Cr18N9的许用应力不高,采用球形
封头可以减轻罐车部分重量、有限增加容积,并实现多
装。近年来,随着小直径球形封头冲压技术水平的提
高,解决高难度焊接技术及相应设备的推广,球形封头
在液化气体罐车上得到广泛的应用。同时,也出现了
图2焊缝开裂部位实物近图
新的安全问题。本文通过对检验中发现的罐体与底架
焊缝开裂的原因进行分析,并提出整改建议,以确保罐
车运行的安全性。
2问题描述
开裂部位
在对近300台液化气体罐车的年度检验中,发现
18台罐车在罐体后封头部位与底架焊接位置出现了不
同程度的焊缝开裂,其中半球形封头罐车15台,椭圆
形封头罐车3台。且发生焊缝开裂的半球形封头罐车
投入使用年限仅1~3年。具体开裂位置如图1~3所
万示
图3焊缝开裂部位示意图
3原因分析
3.1设计
开裂部位
万
通过对制造厂家进行调查了解到该批次球形封头
罐车的底架设计采用了原有椭圆形封头罐车的结构,
对于相同的支撑结构,罐体封头由椭圆形改为半球形
结构,所用罐体钢材料有所减少,但盛装介质的重量可
以得到增加,因此,球形封头罐车满载时的重量比椭圆
形封头罐车大,也即罐体底架受到更大的支座反力。
根据材料力学和旋转薄壳理论,液化石油气罐体
的力学模型可简化为一受均布载荷的简支外伸梁,属
于一次静不定求解问题。如图4,其中a为半球形封头
图1焊缝开裂部位实物全图
罐体的力学简化模型,b为椭圆形封头罐体的力学简化
模型。
2015年6月
液化气体汽车罐车焊缝开裂原因分析
5
AI
A2 B
F
a半球形封头体
b圆形封头体
4罐体力学简化模型
由工程力学知识可知,罐体最大挠度及最大转角值部位(即产生应力集中部位)萌生,降低了焊接接头
出现的位置在罐体端部,即AI、A2、B1、B2处,且分别的疲劳寿命,从而使焊接缺陷对疲劳强度的影响很大。
对于液化气体汽牢罐车,同时存在应力集中现象,
3EI
(1)当罐体承受交变应力的大小超过一定限度,并经历了
多次的循环重复后,在罐体与罐车尾部底架焊接处(此
处为罐体应力最大处,且焊缝区域易形成薄弱环节)将
由于半球形封头罐体伸出端部支撑部分比椭圆形产生细微裂纹,称为疲劳源,这种裂纹随着应力交变次
封头罐体的长,也就是L1>I2,故半球形封头罐体端部数増加而不断向四周扩展。在扩展过程中,由于应力
的最大挠度和最大转角均比椭圆形封头罐体的大。
交替变化,开裂处两个面的材料,时而挤压,时而分离,
同时,满载后质量较大的半球形封头罐体所受到或时而正向错动,时而反向错动,这样反复摩擦就形成
的支撑反力的大小及カ偶均较大,罐车运行中,相同的「断口的光滑区。另一方面,由于裂纹尖端材料处于
缓冲力作用下,球形封头罐体的惯性力较椭圆形封头
三向拉伸应力状态,不易产生塑性变形,所以,当裂纹
罐体大,罐体与底架的焊缝连接部位的拉力也较大,所扩展到一定程度时,承受载荷的面积愈来愈小,就会在
以球形封头的受力状况比椭圆形封头更严重
某一载荷作用下发生突然断裂。
罐体封头部位存在形状突变,且罐体后封头与罐
因此,非对称循环交变应力及焊接结构的应力集
车底架焊缝连接部位为刚性约束的端部,该处存在局中现象构成了罐车疲劳破坏的重要因素,其在罐车结
部应力集中现象。所谓应力集中是指接头局部区域的构设计的不合理前提下极易发生开裂。
最大应力值比平均应力值高的现象,用应力集中系数
来表示。由于焊缝中存在工艺缺陷、焊缝外形不合理、
(1)球形封头罐车后封头部位罐体与底架焊缝开
焊接接头设计不合理等原因,焊接结构会产生应力集裂是由于罐体的设计问题导致罐体后部支撑位置产生
中现象。在交变载荷作用下,应力集中会引起脆性材较大的应力集中现象,在交变应力的作用下发生了疲
料断裂:使构件及焊缝产生疲劳裂纹。因此,采用球形劳破坏。
封头的液化气体罐车的结构设计问题构成了其焊缝开
2)在继续采用球形封头和相同充装系数的前提
裂的主要原因。
下,减小罐体的尺寸,适当的增大加强板面积,以缓解
3.2疲劳破坏
应力集中现象。
根据断裂力学理论,疲劳破坏是裂纹在重复或交
(3)改善焊缝几何形状、调整应力场的分布、缓和
变荷载作用下的不断开展;最后达到临界尺寸而出现集中应力;在易产生裂纹的缺口部位预制残余压应力,
的断裂。所以,疲劳破坏的形成过程可以理解为疲劳或消除有不利影响的焊接残余应力;覆盖塑料等涂层,
裂纹的萌生和逐渐扩展的过程。一般地说,疲劳破坏防止腐蚀介质环境的不利影响以提高焊接接头疲劳强
经历三个阶段:裂纹的形成;裂纹的缓慢扩展和最后迅度
速断裂。对于焊接构件,裂纹源往往出现在焊缝焊趾
(4)采用开破口,全焊透的焊接方式,并且采用高
处,因为该处常有焊渣侵人。有的焊接构件疲劳破坏质量的焊条,如J427、J507等,以改善焊接质量,增大焊
起源于焊缝内部缺陷,如气孔、欠焊、夹渣等。通过试接结构的承载能力。
验发现,疲劳强度与应力幅有关,但应力集中是疲劳破
(5)改变罐体与车底架的连接方式,采用高强度螺
坏最关键的因素。
栓连接方式,并及时的检查螺栓预紧情况,以改善交变
在焊接结构中焊接缺陷对疲劳强度的影响不可忽应力引起的罐体的冲击力。
视,大量的试验结果表明:焊接接头的抗疲劳性能和母
6)液化气体罐车使用单位要建立健全罐车的安
材相比要低得多,其中最主要的原因是焊接缺陷使焊全管理制度,严格按照相关标准规范进行定期检验;控
接结构产生了应力集中,而疲劳裂纹极易在高应力峰制重装量,严禁超装