管道焊接接头焊缝金属中残余应力（变型）

摘要

在管道的关注区域上，使用超声波脉冲回波技术来测量沿着和穿过管道轴线极化的纵波和横波的传播时间，并且使用测量结果来确定焊接接头的应力状态的特征。使用计算模型，预先计算平衡截面的位置，其中主金属中的平衡周向应力呈现最小值，以及平衡系数值，其等于焊缝金属中最大残余周向膜拉伸应力与主金属中最小残余周向膜压缩应力的比值。在形成焊接接头之前，在平衡段测量纵波和横波的传播时间的初始值，纵波和横波沿管道轴线和穿过管道轴线极化。焊接接头形成后，在相同的点测量相同类型波的传播时间的工作值。根据测量结果，计算每个截面的纵向和周向薄膜应力值以及弯矩值，并与平衡系数一起用于计算焊缝金属中残余纵向和周向局部应力的最大值。

说明书

发明群属于结构材料的无损检测领域，能适用于在焊接接头中残余纵向和环线焊接应力的测定，并且在按残余应力水平因素评价管道焊接接头质量时能适用，以及能在为了管道强度预测确定初始参数时使用。

所指的是基于弹性去应力的原理上的探测孔机械方式测定焊缝金属中应力的方法。所知道的方法包括按照变形反应用数码斑纹干涉学手段测量的结果，评价双轴表面应力的程序。变形反应，按照在焊缝表面上非穿孔的打钻结果测定。和所申请发明的特质特征相匹配在焊缝金属中直接测定残余应力的办法。

所知方法的缺点是，为了将其实现，必须破坏试验件，就是说，该方式是一种破坏性摊上方法。

所指的是缺点，因为在生产检验中不允许采用破坏性方法。

对所申请发明全体本质特征最邻近的一群特征，属于所知的管道焊接残余应力的超声波测定方法。

最为临近的技术解决方案，有发明专利【2】所知。所指的方法(首板)包括用回波式超声波方法测量顺着管道轴线纵向与横向极化的纵波与横波的传播时间(延迟)，按在控制点计算应力状态参数的数值。该方法允许将在焊接接头临近的管道阶段上纵向和环线残余应力的差数数值，确定为比例系数乘于测量点上泊松系数之间关系系数的乘积。和所申请发明的特质特征相匹配在焊缝主要金属中用超声波法在焊接接头主要金属中测定残余膜应力的办法。

但在用作原型的所知的方法中，应力状态的参数只有在主要金属临近焊接接头的区域中确定，而且应力状态的可测定的唯一参数是环线和纵向膜应力的差数。

所指出缺点的通过所知方法取得的结果，一个方面上，不能用于焊接接头质量与强度计算的评价，因为为此必须利用纵向和环线应力的独立数值，不是其差数。另一个方面上，在主要金属临近焊接接头的，进行测量的区域中的残余应力，比在金属焊缝【3】中的显著更小，同时为了强度计算，需要采用残余应力的就是最大数值。

所知的方法不允许取得在焊缝金属中的残余应力值—焊接接头中纵向和环线残余应力值最大数值。

这个限制，是因为所知的方法包括校准操作，该操作只能在没有残余应力的地区中进行。由于弹性波的传播速度既是依赖于金属当中的应力，也是依赖于金属的结构参数，只有在金属结构和测量点金属相同的位置才能进行校正。由于焊缝金属结构和主要金属结构相区别，所以在主要金属上校正的结果不能用于评价焊缝金属上的应力。同时，在焊缝金属中不可能进行校正，因为在其中不能分配保证没有残余膜应力的区域。从而在焊缝金属中不可能直接采用所知的方法检测应力。

此外，所知的方法不允许从应力状态所检测参数中分出纵向和环向膜应力的独立数值。

所申请发明群针对的任务是，在安装、维修和操作冲程中，通过应力状态无损检测的结果评价管道焊接接头的实际状态。

所申请一群发明的技术结果是，确保独立测定纵向和环线残余应力的办法。同时，在管道焊缝金属中，在达到最大数值的位置上测定应力。

按照第一方案发明的技术结果确保借助的是，在管道焊接接头金属中残余应力测定方法中，即是在被检验管道阶段上用回波式超声波探伤法测量顺着管道轴线纵向和横向所极化纵波和横波的传播时间，按照所申请的解决方案，为一个具体的管道种类通过计算模拟法，预先确定主要金属中均衡环线应力达到最小数值的均衡截面，以及均衡系数的数值，焊缝金属中最大残余张紧环线膜应力最大数值对主要金属中残余伸缩环线膜应力最小值比例等于的系数数值，进一步在焊接接头制造开始之前，在均衡界面中进行在管道轴线纵横极化的纵波和横波传播时间的初始时间值，在焊接接头制造完成以后，在相同的测量点上进行同一类波传播之间工作数值的测量，根据测量结果，采用双轴应力状态下声弹性公式：

式中t

按照第二方案发明的技术结果确保借助的是，在用声学各向同性金属制成的管道焊接接头金属中残余应力测定方法中，即是在被检验管道阶段上用回波式超声波探伤法测量体积波的传播时间，按照所申请的解决方案，为一个具体的管道种类通过计算模拟法，预先确定主要金属中均衡环线应力达到最小数值的均衡截面，以及均衡系数的数值，焊缝金属中最大张紧环线膜应力最大数值对主要金属中伸缩环线膜应力最小值比例等于的系数数值，并且测量主要金属所自备声学各向同性的数字，在焊接接头制造开始之后，在均衡界面中进行顺着管道轴线纵横极化的横波传播时间的时间的工作值，按照测量结果，根据测量结果，用纵向和环线膜应力差数声弹性公式，为每个测量点确定所指出差数的数值：

式中a

所申请的一群发明用图像资料说明，其中在第1号图形所示的是应力计算分配曲线，在第2、3号图形所示的是测量点分布简图，在第4号图形所示的是测量点在截面位置简图，在第5、6号图形，用图像形式显示在样品热加工之前和之后的在测量点测定纵向和环线应力的结果(按测量截面取中的)。

包括在管道纵横所计划纵波和横波传播时间测量操作的方法，以及在主要金属中焊接接头应力状态参数的测定，按照发明，额外包括以下的操作：在临近焊缝金属的一定区域中进行测量。这些区域相应于环线残余压缩膜应力的最小值，均衡在焊缝金属中的环线张紧残余膜应力的最大值。就在膜应力的情况下存在的均衡效果，确保在焊缝金属以及在焊缝临近区域中环线残余膜应力之间的相互单值的相应。这允许在其之间的比值—均衡系数，适用于在焊缝金属中，根据焊缝临近区域中的测量结果确定最大残余应力。

测量在位于所指出区域中的横截面进行。这些截面的位置，以及均衡系数的数值，根据提前研究或计算的结果确定。根据弹性波在焊缝制造之前和之后用声弹性法测定传播时间的测量结果，取得在测量截面上的纵向和环线沐英哩值。

在焊缝金属中纵向和环线局部残余应力的最大值，在均衡原理的基础上，用均衡系数，根据在测量截面上取得的应力值确定。

在用声学各向同性材料制管道上进行测量有关的各别情况下，在焊接接头制造之前弹性波传播时间的测量被排除，从而能够不仅在安装过程中，而且在正在处于使用中的管道上进行残余应力的评价。纵向和环线膜应力在测量截面数值的测量，只根据焊缝制造之后进行的测量结果进行。该操作的特征是，只采用在位于残余应力局限化的额外横向界面范围内进行残余应力测量的结果。

按照第1方案的方法，实现如下。

在管道焊接接头金属中测定残余应力的方法中，即是在被检验管道阶段上用回波式超声波探伤法测顺着管道轴线极化的纵波和横波的传播时间，并根据测量结果测定焊接接头应力状态的参数，为一个具体的管道种类通过计算模拟法，预先确定均衡截面的位置。在这些所指出的均衡截面上，在主要金属中的环线应力达到最大值。截面的地位，按照残余焊接应力的计算模拟的结果，或者根据在焊接之后，在热处理之前在被检验的焊接接头上进行的试验的结果而确定。检验为以管道直径、壁厚与焊接工艺为特征的每个焊接接头进行。

此外根据计算或试验结果确定的，等于焊缝技术中最大张紧环线膜应力(σ

就是作为确保测量不是表面应力【4】的且膜应力测量的唯一种无损探测方式的，用回波式超声波探伤法的声弹性测量方法应该用于测量。

应该用采用该测量方法的，并且作为单轴和双轴机械应力测量鉴定手段的仪器进行测量。

在焊接接头开始制作之前，在均衡截面上进行顺着管道轴线所极化纵波和横波传播时间初始数值的测量。

在焊接接头制作完成之后，在相同的测量点上进行同一波类传播时间工作值的测量。随后，根据测量结果，采用双轴应力状态声弹性公式：

式中顺着管道形成线所极化纵波和横波传播时间的t

其中К

根据时间延迟测量的结果，按公式(2)和(3)计算在测量点纵向和环线应力的数值，并对每个测量截面确定：

-根据测量截面取平均值的均衡性环线膜应力值

-根据测量截面取平均值的均衡性纵向膜应力值

-总合弯曲力矩，按公式：

式中M

式中W—是指薄壁管道的阻力矩；h—是指管壁厚度；D

如果测量在位于焊缝两边的两个截面上进行，则为了在焊缝金属中测定应力值，采用顺着两个截面取平均值的

在熔敷金属金属中的最大张紧环线应力，根据在焊接接头邻近的主要金属中最小均衡环线膜应力的数值而确定。在焊缝熔敷金属中环线残余应力的最大值(σ

最大纵向应力被定义为张力所决定应力以及总合弯曲力矩决定的弯曲应力的重叠。在焊缝熔敷金属中纵向残余应力的最大值(σ

如果根据测量结果，在主要金属代表式样上确定的是，它是各向同性的，就是按公式确定的主要金属(a

不超过0.0004，则实现的第2种残余应力的确定方法的方案；

按照第2种方案的方法，实现如下。

在所测量的管道阶段上，用回波式超声波探伤法测量体积波的传播时间，并根据测量结果确定焊接接头应力状态的参数。根据在用声学各向同性金属制成的管道焊接接头金属中确定残余应力方法的一2种方案，为具体的一类管道，从过计算模拟法，预先确定：

在主要金属中的环线应力达到最小值的均衡截面的定位；

-均衡系数(k)的数值，按公式(1)。

此外，测定主要金属的自备声学各向同性值(a

均衡截面的定位，在顺着管道形成线上位于各点上进行预先测量时，应在制成焊接接头后进一步更加准确测定。

在焊接接头制作之后，在均衡截面上进行顺着管道轴线所极化纵波和横波传播时间工作值的测量。根据测量结果，采用为了纵向和环线膜应力声弹性公式，为每个测量点确定所指出差数的数值：

其D—是指为单轴应力状态声弹性关系的系数，根据【5】规定的标准程序确定(对于用碳钢和低合金钢制成的被焊接成分，允许不确定D的数值，但却采用弹声关系的综合性系数【6】)。

纵向和环线膜应力的分别中，采用在额外截面上测定纵向应力的结果。为此，根据在位于残余焊接应力作用区之外的额外截面上的测量结果，确定

环线膜应力值的确定，根据在横截面上补偿纵向弯曲应力的补偿原理，以及考虑到纵向膜应力值顺着圆筒形组件的全长都相同的。为每个测量截面确定

总合弯曲力矩值M以及其组成成分M

如果测量在位于焊缝两边的两个截面上进行，则为了在焊缝金属中测定应力值，采用顺着两个截面取平均值的

在焊缝金属中残余纵向和环线应力值σ

所申请的一群发明，用如下的案例说明。

案例1.在用管道坯件Ду850х70(钢号10ГН2МФА)制成组合线圈的焊接接头中最大残余焊接应力的测定。

声弹性参数的测量，用作为单轴和双轴机械应力测量手段认证的ИН- 5101А型仪器进行。测量按照要求【5】进行。

此类管道以及均衡系数的数值，在人处理前计算模拟残余焊接应力的结果，采用在莫斯科国立鲍曼技术大学焊接和诊断教研室上开发的“SVARKA”成套软件。

在图形1上显示根据焊接接头中环线膜应力计算结果，用有限元法确定测量截面(1a和1b)的示意图。

根据计算(图形1)结果确定，1a与1b测量截面位于离焊缝中心轴线±50mm的距离，且按公式(1)的均衡系数：k＝-3,25。

随后，确定测量点。在控制项目上1a和1b截面上测量点的部署示意图，在图形2和3上所示。

在所有测量点上，在进行焊接之前，已确定声信号传播时间值(t

(t

为确定应力，采用根据对钢号10ГН2МФА要求【5】取得的弹性声关系系数。

K

根据应力测定结果，定为：

在热处理之前和之后(相应的

根据公式(4-6)在焊缝截面上，在热处理之前和之后(相应的М

М

由于没有组合线圈端部的固定，取平均值的纵向应力

在焊接接头中按公式(13)在热处理之前和之后(相应的

在焊接接头中按公式(14)在热处理之前和之后(相应的

案例2.在用管道坯件Ду850х70(钢号10ГН2МФА)制成的，为其完成金属声学参数的预先研究的组合线圈的焊接接头中最大残余焊接应力的测定。

根据在线圈焊接构件主要金属代表样品上进行研究的结果确定，本身的声学各向异性值在于0.0001±0.0003的范围内，就是说，线圈的主要金属是一种声学各向异性的金属。作为本身声学各向同性的初始值，取：

а

为确定测量截面的位置，在焊接接头制造完成之后，在顺着管道形成线的点上进行了额外声学各向同性测量(图形4，在显示管道形成线I和II 测量点(O1-4)的位置)。

根据测量的结果确定的是，本身声学各向同性的最小值符合于离焊缝线50mm的О2点，这符合与计算模拟的结果。

这样一来，测量1а和1б截面的位置以及均衡系数的数值，取和案例 1相同。应力测量点的位置也是和案例1相同。由于因为组合线圈端部没有固定，取平均值的纵向应力

(t

根据声学各向同性测定结果，定为：

按公式(10)在热处理之前和之后(相应的

根据公式(11-12)在焊缝截面上，在热处理之前和之后(相应的М

М

在焊接接头中按公式(13)在热处理之前和之后(相应的

在焊接接头中按公式(14)在热处理之前和之后(相应的

参考文献列表：

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