吉章紅
(石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站,北京 100728)
某項(xiàng)原油商業(yè)儲(chǔ)備基地工程,共建造8臺(tái)10×104m3原油儲(chǔ)罐及附屬的配套設(shè)施。儲(chǔ)罐罐體采用12MnNiVR鋼板,內(nèi)罐底板直徑φ80 m,底圈壁板厚32 mm,邊緣板厚20 mm。邊緣板與底圈壁板焊接的焊腳尺寸13 mm。焊接時(shí)采用手工電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底,埋弧自動(dòng)焊填充蓋面。每臺(tái)儲(chǔ)罐在驗(yàn)收合格后進(jìn)行充水試驗(yàn)工作,充水試驗(yàn)最高液位20.2 m。
T13、T14、T15罐在充水試驗(yàn)完成并清理完畢后檢查發(fā)現(xiàn),底板的通長(zhǎng)板焊縫附近出現(xiàn)規(guī)則的凸起變形。按照儲(chǔ)罐施工程序及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行大角焊縫充水后的無(wú)損檢測(cè),在打磨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)T13罐內(nèi)大角焊縫內(nèi)側(cè)邊緣板局部有明顯裂紋,共8處,分布在GJ-10、GJ-11、GJ-13、GJ-19、GJ-20、GJ-21、GJ-28、GJ-29號(hào)邊緣板上,見(jiàn)圖1。
裂紋發(fā)生在內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處,最大連續(xù)長(zhǎng)度達(dá)到4 630 mm,外觀如圖2所示。在發(fā)現(xiàn)大角焊縫內(nèi)側(cè)邊緣板母材表面裂紋后,為確認(rèn)裂紋內(nèi)部走向,對(duì)位置7部位局部用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨,長(zhǎng)度約為150 mm,發(fā)現(xiàn)裂紋呈45°向大角焊縫內(nèi)側(cè)邊緣板母材下部延伸,打磨深度約15 mm仍能夠看到微裂紋,如圖3所示。內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂位置如圖4 所示。
圖1 裂紋位置平面布置
在充水試壓過(guò)程中,對(duì)儲(chǔ)罐的沉降進(jìn)行檢測(cè),主要監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降和罐底板錐面變形。結(jié)果顯示,在試水完畢后,T-13、T-14、T-15罐相比其他儲(chǔ)罐下沉大。
T13、T14、T15罐底板在充水預(yù)壓過(guò)程中沉降變形以及罐底板錐面變形測(cè)量結(jié)果如圖5~圖7 所示。
圖2 裂紋外觀照片
圖3 裂紋走向識(shí)別
與其他鋼結(jié)構(gòu)相比較,大型儲(chǔ)油罐能經(jīng)受住較大的整體沉降變形,因此對(duì)地基承載力要求較低,但是抵御地基不均勻沉降的能力有限。尤其當(dāng)?shù)鼗诓粷M(mǎn)足要求的情況下,地基不牢固等會(huì)加劇不均勻沉降的產(chǎn)生。從數(shù)據(jù)測(cè)量中的坡度變化也能反映出地基沉降后底板變形量在不同的半徑區(qū)域是不同的。顯然,邊緣板位置的變形會(huì)在內(nèi)側(cè)焊縫產(chǎn)生應(yīng)力的集中。
圖4 T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂位置示意
檢測(cè)結(jié)果表明,T13、T14、T15這3臺(tái)罐環(huán)梁內(nèi)側(cè)的底板產(chǎn)生了嚴(yán)重的下沉變形,并且位于壁板附近的環(huán)梁也存在不同程度下沉。各儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降量統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可見(jiàn),上述3臺(tái)罐的整體沉降量較大。而且數(shù)據(jù)中相鄰觀測(cè)點(diǎn)的最大高度差主要出現(xiàn)在T13與T14這2臺(tái)儲(chǔ)罐。
圖5 T13罐底板沉降變形
圖6 T14罐底板沉降變形
圖7 T15罐底板沉降變形
初步分析認(rèn)為,環(huán)梁的沉降幅度對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂具有重要的影響。環(huán)梁的沉降幅度不同,在T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫焊趾處產(chǎn)生應(yīng)力大小也會(huì)不同。該應(yīng)力與地基沉降引起底板變形造成的應(yīng)力相互作用,最終在焊趾處產(chǎn)生附加應(yīng)力。附加應(yīng)力大小與底板沉降變形以及環(huán)梁沉降直接相關(guān)。
隨著底板變形量的變化,附加應(yīng)力隨之變化。然而集中在T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫區(qū)域的附加應(yīng)力是否會(huì)導(dǎo)致內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂,則需要通過(guò)對(duì)附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析才能確定。
表1 各儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降量統(tǒng)計(jì) 單位:mm
一般來(lái)說(shuō),焊接接頭區(qū)域發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象的原因主要來(lái)自于兩種情況【1】:一種是焊接接頭出現(xiàn)的熱裂紋、冷裂紋以及存在的氣孔、夾渣等其他缺陷在焊接殘余應(yīng)力作用下開(kāi)裂,這種情況與焊接材料、焊接工藝及焊接結(jié)構(gòu)有關(guān),屬于焊接質(zhì)量問(wèn)題;另一種即為附加外力造成接頭內(nèi)拉伸應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致的開(kāi)裂,這種情況與焊接質(zhì)量無(wú)關(guān),是由過(guò)大的附加外力或附加外力與內(nèi)部殘余應(yīng)力疊加形成的綜合應(yīng)力導(dǎo)致的接頭部位開(kāi)裂。T13罐及其他儲(chǔ)罐的壁板與底板間角接接頭焊接質(zhì)量已經(jīng)確認(rèn),其焊后沒(méi)有產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋及氣孔、夾渣等其他焊接缺陷。
在儲(chǔ)罐充水試時(shí)中對(duì)底板變形進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),T13、T14、T15儲(chǔ)罐底板發(fā)生了沉降變形。充水試壓過(guò)程中,充水造成的靜壓力會(huì)在T形接頭中產(chǎn)生附加應(yīng)力,而底板的下沉變形也將在接頭中產(chǎn)生附加應(yīng)力。
通過(guò)對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂的T13儲(chǔ)罐與其他底板未變形的儲(chǔ)罐以及底板變形但內(nèi)部角焊縫未開(kāi)裂的T14、T15儲(chǔ)罐進(jìn)行對(duì)比分析,初步認(rèn)為T(mén)13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂的直接原因有二,一為充水過(guò)程中,水壓不僅會(huì)對(duì)底板產(chǎn)生壓力,在地基不穩(wěn)的情況還會(huì)使底板下沉變形;二是水壓還會(huì)對(duì)T形接頭產(chǎn)生附加靜壓力。
底板的沉降變形會(huì)在T形接頭內(nèi)產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。由于T形接頭本身存在焊接殘余應(yīng)力,與附加拉應(yīng)力疊加將使接頭內(nèi)應(yīng)力更大,發(fā)生開(kāi)裂的傾向也隨之增大。在焊接接頭質(zhì)量合格的條件下、儲(chǔ)罐充水試壓過(guò)程中,接頭開(kāi)裂是由水壓造成的附加靜壓力、底板沉降造成的附加拉應(yīng)力以及焊接接頭本身的殘余應(yīng)力中的某個(gè)因素引起的,還是多個(gè)因素疊加引起的,需要通過(guò)計(jì)算分析來(lái)確定。
在充水過(guò)程中,地基對(duì)底板的支撐力度不夠,導(dǎo)致底板承載能力下降進(jìn)而發(fā)生沉降變形,且地基沉降的不均勻性使底板在不同半徑方向的沉降量不一致。而底板沉降變形、特別是起重要支撐作用的環(huán)梁的沉降,將會(huì)在T型接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力(稱(chēng)為變形附加應(yīng)力)。另外,在充水試壓過(guò)程中水的靜壓也將會(huì)在T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力(稱(chēng)為靜壓附加應(yīng)力),而這兩個(gè)附加應(yīng)力將會(huì)改變T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)。
為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化,便于理解和分析,以?xún)?chǔ)罐T形接頭為中心,將底板抽象為一個(gè)有背面支撐的T形橫板直梁板結(jié)構(gòu)、壁板抽象為一立柱,如圖8所示。
在抽象建立的附加應(yīng)力分析模型中,T形接頭下部和底板下部考慮不同的支撐,并在相同的充水靜壓載荷下產(chǎn)生不同的沉降變形。由于充水靜壓、環(huán)梁沉降、底板沉降在充水試壓過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力是不同的,因此,為了便于分析,將充水試壓過(guò)程中在儲(chǔ)罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫產(chǎn)生的靜壓附加應(yīng)力和底板沉降變形附加應(yīng)力分類(lèi)討論。
圖8 儲(chǔ)罐T形接頭附加應(yīng)力分析模型示意
1) 靜壓附加應(yīng)力
在不考慮底板沉降變形的條件下,不同充水高度產(chǎn)生的靜壓力對(duì)T形接頭內(nèi)層角焊縫應(yīng)力狀態(tài)的影響如圖9所示。
圖9 靜水壓力下結(jié)構(gòu)受力模型示意
2) 變形附加應(yīng)力
充水20 m后,如果地基的承載能力不夠,則會(huì)發(fā)生地基沉降,從而導(dǎo)致底板沉降變形及環(huán)梁沉降。整體沉降后底板變形的結(jié)構(gòu)受力模型如圖10 所示。
圖10 整體沉降后底板變形的結(jié)構(gòu)受力模型示意
無(wú)論是變形附加應(yīng)力還是靜壓附加應(yīng)力,都將會(huì)改變T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。然而這兩種附加應(yīng)力對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫應(yīng)力狀態(tài)的改變目前還無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定出來(lái),只能通過(guò)有限元計(jì)算進(jìn)行定量分析。
通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)(對(duì)經(jīng)點(diǎn)最大差值與相鄰點(diǎn)差值)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)T13與T14罐的對(duì)經(jīng)點(diǎn)和相鄰點(diǎn)下降差值較T15罐更大。為了對(duì)照,將開(kāi)裂的T13罐與未開(kāi)裂的T14罐確定為主要研究對(duì)象,分別研究分析儲(chǔ)罐充水試壓過(guò)程中支撐環(huán)梁和底板基礎(chǔ)沉降變形造成的T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫附加應(yīng)力的變化規(guī)律。
鑒于有限元計(jì)算的復(fù)雜性,必須通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件進(jìn)行計(jì)算,因此委托院校進(jìn)行了有限元分析,本文在此只引用計(jì)算結(jié)論。
a) 充水靜壓對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力非常微小,可以忽略不計(jì)。
b) 支撐環(huán)梁周向沉降對(duì)T形接頭附加應(yīng)力的影響較小,可以忽略不計(jì)。
c) 如果支撐環(huán)梁不發(fā)生沉降,在其支撐下,僅環(huán)梁內(nèi)側(cè)儲(chǔ)罐底板變形對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)幾乎沒(méi)有影響;
d) 若支撐環(huán)梁發(fā)生不均勻沉降則會(huì)在T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)產(chǎn)生較大附加應(yīng)力,且應(yīng)力在底板焊趾處形成很大的應(yīng)力集中。在T13罐和T14罐兩種支撐環(huán)梁沉降條件下,底板焊趾處形成的應(yīng)力集中分別高達(dá)234 MPa和137 MPa。由于T13罐環(huán)梁沉降量大于T14罐,因而使得T13罐沉降條件下T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處的附加應(yīng)力要明顯大于T14罐沉降條件下的焊趾附加應(yīng)力。同時(shí)結(jié)果也表明,由于變形發(fā)生在底板,在T13罐和T14罐兩種沉降變形條件下,壁板上焊趾處的附加應(yīng)力均小于底板焊趾處的應(yīng)力。
e) 實(shí)際工況中,支撐環(huán)梁和內(nèi)側(cè)地基均發(fā)生不均勻沉降的條件下,儲(chǔ)罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。在T13罐和T14罐兩種底板沉降變形條件下,T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫底板焊趾處的附加應(yīng)力分別達(dá)到320 MPa和230 MPa。
f) 從計(jì)算結(jié)果上看,T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫單純由支撐環(huán)梁和底板沉降變形造成的附加應(yīng)力還未達(dá)到使其開(kāi)裂的應(yīng)力水平。
委托院校進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算,本文只引用計(jì)算結(jié)論:
a) 多層多道焊接過(guò)程中,前、后焊道間相互熱作用對(duì)接頭焊接殘余應(yīng)力水平具有重要的緩解作用【2-3】。
b) T13和T14罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫壁板焊趾和底板焊趾處殘余應(yīng)力分別為524 MPa和385 MPa,壁板焊趾處的殘余應(yīng)力水平明顯高于底板焊趾,這是由于多層多道焊接過(guò)程中前、后焊道間的附加熱處理造成的。
c) T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊接殘余應(yīng)力峰值接近儲(chǔ)罐母材的屈服強(qiáng)度,低于材料的抗拉強(qiáng)度。
d) 從計(jì)算結(jié)果上看,儲(chǔ)罐T形接頭焊接殘余應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致接頭的直接開(kāi)裂。
儲(chǔ)罐在焊接接頭存在焊接殘余應(yīng)力的條件下,由于底板發(fā)生不均勻沉降變形在T形接頭內(nèi)產(chǎn)生了附加應(yīng)力,而焊接殘余應(yīng)力和附加應(yīng)力的疊加則有可能造成T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂。因此,本部分基于焊接殘余應(yīng)力和和附加應(yīng)力的疊加建立儲(chǔ)罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂失效判據(jù)。
多重因素影響下,焊趾處發(fā)生開(kāi)裂與該處的應(yīng)力狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)。儲(chǔ)罐在充水試壓過(guò)程發(fā)生底板不均勻沉降變形,T形接頭內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。該附加應(yīng)力與T形接頭內(nèi)原有的焊接殘余應(yīng)力疊加后,如果超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度則會(huì)使接頭開(kāi)裂失效。因此,將焊接殘余應(yīng)力σi(內(nèi)應(yīng)力)和底板沉降變形及充水靜壓造成的附加應(yīng)力σo(外應(yīng)力)疊加作為接頭的綜合應(yīng)力σT,即σT=σi+σo其是否超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度作為接頭是否開(kāi)裂失效的判據(jù)。若T形接頭綜合應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度,則可以判定該T形接頭開(kāi)裂。
1) 將焊接殘余應(yīng)力峰值(焊趾處殘余應(yīng)力)與材料抗拉強(qiáng)度σb進(jìn)行比較,判斷在焊接殘余應(yīng)力(內(nèi)應(yīng)力)作用下T形接頭是否開(kāi)裂:
a)σi<σb:T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫不會(huì)開(kāi)裂,亦即接頭焊接質(zhì)量無(wú)問(wèn)題;
b)σi>σb:T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫發(fā)生開(kāi)裂,接頭焊接質(zhì)量存在問(wèn)題。
通過(guò)數(shù)值分析,內(nèi)側(cè)角焊縫罐底板焊趾處殘余應(yīng)力峰值為385 MPa,小于罐體材料的抗拉強(qiáng)度680 MPa。因此,可判定T形接頭焊接殘余應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致其焊趾處開(kāi)裂。
2) 將附加應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較,判斷在附加應(yīng)力作用下接頭是否開(kāi)裂:
a)σo<σb:底板沉降變形在接頭內(nèi)形成的附加應(yīng)力不會(huì)使T形接頭開(kāi)裂;
b)σo>σb:底板沉降變形在接頭內(nèi)形成的附加應(yīng)力使T形接頭直接開(kāi)裂。
T13和T14罐的T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫底板焊趾處的附加應(yīng)力分別為320 MPa和230 MPa,都小于材料抗拉強(qiáng)度。因此,T13和T14儲(chǔ)罐底板沉降變形在T形接頭內(nèi)形成的附加應(yīng)力未達(dá)到使T形接頭直接開(kāi)裂的水平。
3) 將綜合應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較,判斷接頭在充水試壓過(guò)程中是否開(kāi)裂:
a)σT<σb:T形接頭不開(kāi)裂;
b)σT>σb:T形接頭開(kāi)裂。
根據(jù)對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫殘余應(yīng)力和充水過(guò)程施加的外應(yīng)力的分析,T13罐和T14罐T形接頭綜合應(yīng)力對(duì)比如表2所示。
表2 基于綜合應(yīng)力T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫焊趾處開(kāi)裂判斷
從表2數(shù)據(jù)對(duì)比可知:T13罐T形接頭底板焊趾處綜合應(yīng)力為705 MPa,超過(guò)罐體材料12MnNiVR鋼的抗拉強(qiáng)度,T形接頭在內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處發(fā)生開(kāi)裂;T13罐壁板焊趾處的綜合應(yīng)力達(dá)到了664 MPa,超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度,接近但沒(méi)有達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度,因而T形接頭未在壁板焊趾處開(kāi)裂。另外,在充水試壓過(guò)程中,對(duì)于底板焊趾和壁板焊趾,哪個(gè)位置的綜合應(yīng)力先達(dá)到并超過(guò)罐體材料的抗拉強(qiáng)度,那個(gè)位置就會(huì)開(kāi)裂。而一旦在某一焊趾處開(kāi)裂,就將大幅度釋放T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的殘余應(yīng)力,也就不會(huì)造成在另一焊趾處同時(shí)開(kāi)裂。由于充水試驗(yàn)過(guò)程中底板沉降變形在底板焊趾處的附加應(yīng)力明顯高于在壁板焊趾處的附加應(yīng)力,使得底板焊趾處的綜合應(yīng)力先達(dá)到罐體材料的抗拉強(qiáng)度,因此,T形接頭會(huì)在底板焊趾處開(kāi)裂。對(duì)比T13罐兩焊趾處的焊接殘余應(yīng)力、變形附加應(yīng)力以及開(kāi)裂位置可以看出,底板變形附加應(yīng)力才是T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾開(kāi)裂的直接誘導(dǎo)因素。
T14罐T形接頭底板焊趾和壁板焊趾綜合應(yīng)力分別為615 MPa和622 MPa, 均低于罐體材料12MnNiVR鋼的抗拉強(qiáng)度, 因而T14罐的T形接頭未發(fā)生開(kāi)裂。該判斷結(jié)果與實(shí)際情況一致。
采用模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式,以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)揭示了T13儲(chǔ)罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂的原因。經(jīng)過(guò)分析得到以下結(jié)論:
1) 如果支撐環(huán)梁不發(fā)生沉降,在其支撐下,僅環(huán)梁內(nèi)側(cè)儲(chǔ)罐底板變形對(duì)T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)幾乎沒(méi)有影響;
2) 在充水試壓過(guò)程中,由于充水靜壓和底板不均勻沉降變形,特別是環(huán)梁沉降造成的變形在T13罐T形接頭內(nèi)產(chǎn)生320 MPa的附加應(yīng)力,但未超過(guò)罐體12MnNiVR鋼的抗拉強(qiáng)度。因此,單獨(dú)由T13罐底板不均勻沉降造成的附加應(yīng)力未達(dá)到使T13罐T形接頭開(kāi)裂的應(yīng)力水平。
3) 對(duì)儲(chǔ)罐T形接頭多層多道焊接殘余應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果表明, T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫殘余應(yīng)力為385 MPa, 低于罐體12MnNiVR鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。因此, T形接頭內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力不會(huì)直接導(dǎo)致T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂。
4) T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂的直接原因?yàn)門(mén)13罐底板不均勻沉降變形,特別是環(huán)梁沉降造成的變形,該變形在T形接頭造成較大的附加應(yīng)力,與T形接頭原有的焊接殘余應(yīng)力疊加造成開(kāi)裂,而底板變形附加應(yīng)力則是T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開(kāi)裂的直接誘導(dǎo)因素。