殘余應(yīng)力對(duì)軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性等有重要影響，為考察Q690焊接高強(qiáng)鋼管鍍鋅前后的截面縱向殘余應(yīng)力分布，采用盲孔法對(duì)截面規(guī)格分別為φ250×8、φ300×8、φ350×8共計(jì)24個(gè)試件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。
通過(guò)試驗(yàn)得出了每種截面規(guī)格圓鋼管的縱向殘余應(yīng)力的數(shù)值大小和分布模式，并將相同截面規(guī)格的鋼管在鍍鋅前后的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了比較，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管鍍鋅后殘余應(yīng)力有了明顯的降低。Q690高強(qiáng)鋼管的截面*大縱向殘余應(yīng)力與其鋼材屈服強(qiáng)度的比值明顯小于普通鋼材。
采用盲孔法對(duì)Q690高強(qiáng)鋼管熱浸鍍鋅前后的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)試分析，得到熱浸鍍鋅對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響。
1 盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力原理
盲孔法測(cè)試原理如下：殘余應(yīng)力是一種在構(gòu)件內(nèi)部自平衡的應(yīng)力，當(dāng)在構(gòu)件表面進(jìn)行鉆孔，原有的平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力得到釋放，而這種應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的應(yīng)變可通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)得。
2 試件設(shè)計(jì)
采用盲孔法分別對(duì)截面規(guī)格為φ250×8、φ300×8、φ350×8的未鍍鋅鋼管和鍍鋅鋼管進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。為了使測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確，本次試驗(yàn)采用多次測(cè)量求平均值的方法，對(duì)未鍍鋅鋼管和鍍鋅鋼管均分了三組，每組四根。
3 焊接殘余應(yīng)力測(cè)試
3.1 焊件測(cè)點(diǎn)布置
根據(jù)試件的形狀和特點(diǎn)，選擇測(cè)試部位以及測(cè)點(diǎn)數(shù)目。測(cè)點(diǎn)均布置在試件的跨中截面上。以φ250×8試件為例，試件長(zhǎng)度為1000mm，為了便于說(shuō)明測(cè)點(diǎn)所處位置，假設(shè)將試件沿焊縫*心線展開(kāi)，根據(jù)圓管對(duì)稱性的特點(diǎn)，給出1/2圓管的測(cè)點(diǎn)布置圖。采用盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力時(shí)，為確定測(cè)定精度，孔與孔的橫向*小間距不應(yīng)小于5倍的孔徑，孔與孔的*小縱向間距不應(yīng)小于15倍的孔徑，邊界與孔的*小間距不應(yīng)小于8倍的孔徑。本次試驗(yàn)采用的鉆孔直徑為1.5mm，則測(cè)孔間的橫向間距應(yīng)大于7.5mm；縱向間距應(yīng)大于 22.5mm；孔距邊界的距離應(yīng)大于12mm。由于焊縫附近應(yīng)力梯度較大，因此測(cè)點(diǎn)布置較密；隨著距焊縫距離的增加，測(cè)點(diǎn)布置逐漸稀疏。
另由船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《殘余應(yīng)力測(cè)試方法：鉆孔應(yīng)變釋放法》可知，鉆孔的*終深度應(yīng)為1倍~1.2 倍的鉆孔直徑，本次試驗(yàn)將鉆孔深度定為1.8mm。
3.2 測(cè)試步驟
盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力主要包括應(yīng)變片的粘貼和鉆孔兩個(gè)部分。在粘貼應(yīng)變片前應(yīng)對(duì)試件表面進(jìn)行處理，以確定應(yīng)變片粘貼后和試件表面有良好的接觸；鉆孔時(shí)應(yīng)嚴(yán)格確定鉆孔*心和應(yīng)變片測(cè)試*心重合。本次試驗(yàn)采用JH型殘余應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
4 測(cè)試結(jié)果
4.1 未鍍鋅鋼管測(cè)試結(jié)果 對(duì)未鍍鋅鋼管的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫附近的殘余應(yīng)力值為正值，即殘余拉應(yīng)力，隨著離焊縫*心距離的*大，殘余應(yīng)力值急劇下降，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，即殘余壓應(yīng)力。當(dāng)殘余壓應(yīng)力達(dá)到*大值后，隨著距離的增加，殘余壓應(yīng)力值逐漸減小，并轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。
4.2 鍍鋅鋼管測(cè)試結(jié)果 對(duì)鍍鋅鋼管的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鍍鋅鋼管殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分布趨勢(shì)與未鍍鋅鋼管的分布趨勢(shì)基本一致，但在一些關(guān)鍵點(diǎn)的峰值差異較大，主要表現(xiàn)在殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的峰值都有明顯下降。
4.3 未鍍鋅鋼管測(cè)試結(jié)果與鍍鋅鋼管測(cè)試結(jié)果對(duì)比分別將截面規(guī)格為φ250×8、φ300×8、φ350×8的未鍍鋅件鋼管和鍍鋅件鋼管的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
4.3.1 φ250×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管結(jié)果對(duì)比
φ250×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管的殘余應(yīng)力分布形式基本相同，兩者的殘余應(yīng)力值*點(diǎn)基本交于一點(diǎn)。鍍鋅后鋼管的殘余拉應(yīng)力峰值和殘余壓應(yīng)力峰值均明顯下降。由峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，鍍鋅后鋼管的*大殘余拉應(yīng)力較鍍鋅前下降了34%；*大殘余壓應(yīng)力下降了31%。
4.3.2 φ300×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管結(jié)果對(duì)比可以看到，φ300×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管的殘余應(yīng)力分布形式基本相同，兩者的殘余應(yīng)力值*點(diǎn)基本交于一點(diǎn)。鍍鋅后鋼管的殘余拉應(yīng)力峰值和殘余壓應(yīng)力峰值均明顯下降。由峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，鍍鋅后鋼管的*大殘余拉應(yīng)力較鍍鋅前下降了31%；*大殘余壓應(yīng)力下降了29%。
4.3.3 φ350×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管結(jié)果對(duì)比可以看到，φ350×8未鍍鋅鋼管與鍍鋅鋼管的殘余應(yīng)力分布形式基本相同，兩者的殘余應(yīng)力值*點(diǎn)基本交于一點(diǎn)。鍍鋅后鋼管的殘余拉應(yīng)力峰值和殘余壓應(yīng)力峰值均明顯下降。峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，鍍鋅后鋼管的*大殘余拉應(yīng)力較鍍鋅前下降了40%；*大殘余壓應(yīng)力下降了40%。
將三種截面規(guī)格的鋼管鍍鋅后殘余應(yīng)力峰值的下降程度進(jìn)行整理。鍍鋅后鋼管殘余應(yīng)力較鍍鋅前之所以下降，原因在于：鍍鋅過(guò)程與焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量分布不同，熱浸鍍鋅時(shí)，鋼管在鋅池里受熱是均勻的，不會(huì)出現(xiàn)熱量在某個(gè)部位過(guò)分集中的現(xiàn)象，這就相當(dāng)于對(duì)鋼管進(jìn)行了一次熱處理，使得原有的殘余應(yīng)力重新分布。
4.4 測(cè)試結(jié)果分析 由建議的普通強(qiáng)度等級(jí)的鋼管截面縱向殘余應(yīng)力分布模式，并與試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：高強(qiáng)鋼管的截面縱向殘余應(yīng)力分布模式與普通強(qiáng)度鋼管的分布模式相同，但兩者的*大殘余壓應(yīng)力與對(duì)應(yīng)鋼材屈服強(qiáng)度的比值有明顯差別，普通鋼管的該值為0.35，而本次測(cè)得Q690鋼管的殘余壓應(yīng)力*大值與Q690鋼材的屈服強(qiáng)度之比僅為0.15。
5 結(jié)論
通過(guò)對(duì)3種截面規(guī)格，24個(gè)直焊縫焊接Q690高強(qiáng)鋼管縱向殘余應(yīng)力的測(cè)試，得出了鋼管鍍鋅前后的殘余應(yīng)力數(shù)值大小和分布模式，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：
(1) 殘余拉應(yīng)力集中在焊縫及鄰近區(qū)域，應(yīng)力梯度大，峰值拉應(yīng)力已達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度；殘余壓應(yīng)力峰值較小，*大值僅為鋼材屈服強(qiáng)度的15%。
(2) 熱浸鍍鋅可以有效減小殘余應(yīng)力的峰值，*大殘余拉應(yīng)力峰值的消除率從31%~40%不等，*大殘余壓應(yīng)力峰值的消除率從29%~40%不等。
