[发明专利]一种圆筒形零件筒壁残余应力的切环式测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆筒形零件筒壁残余应力的切环式测量方法。

背景技术

圆筒形零件在工业生产中普遍使用：当其有底时就是杯状的圆筒零件，如核工业中核原料的存储容器、军工生产中的炮弹壳等；当其无底时就是空心通管，在石油开采和炼油等化工行业中广泛应用。圆筒形零件筒壁一般存在残余应力，而残余应力对其强度、断裂韧性、抗腐蚀开裂能力、尺寸稳定性等都有重要的影响；当圆筒形零件筒壁的残余应力过大时，容易在其筒壁产生纵向(沿母线)裂纹而使圆筒形零件报废，产生安全事故。故需要测量圆筒形零件筒壁的残余应力，为合理设计圆筒形零件筒壁强度提供力学参数依据。

工业上常用圆筒形零件大多由金属塑性变形(挤压、轧制、拉深冲压)生产出来，在机械外载荷作用下，零件各部分变形不均匀，有些部分塑性变形大，有些部分塑性变形小，有些部分只产生弹性变形，而整个物体又要保持完整性；因此，当外加机械载荷卸载后，零件内形成残余应力。残余应力会引起零件尺寸和形状的变化；残余应力还会使零件的使用寿命缩短：当具有残余应力的零件在使用过程中受外力作用时，零件内实际应力为外力所引起的应力和残余应力之和，当实际应力达到材料的断裂强度时，零件上就会产生裂纹并扩展致使整个零件破坏，残余应力的存在影响材料的实际使用强度。

残余应力过大还是应力腐蚀开裂的主要原因，应力腐蚀开裂是指金属或合金在应力(包括残余应力)和腐蚀介质的联合作用下、产生的一种低应力脆断现象，应力腐蚀开裂在实际应用中非常普遍存在，而且具有很强的破坏危害性。历史上因为应力腐蚀开裂造成的危害事件不在少数，如1965年美国有一输气管线因应力腐蚀而破损，造成瓦斯泄露、爆炸，使10多人伤亡；二战时期，印度有一个建在山区的军火库中所有炮弹壳口部纵向开裂而报废：炮弹壳是由黄铜经拉深冲压生产出来的，塑性变形后存在环向残余应力，在山区腐烂树叶释放的氨气环境共同作用下因应力腐蚀而开裂。因此，在圆筒形零件的设计和可靠性分析中必须对残余应力进行评估，准确的测量筒形零件筒壁的残余应力，为合理设计圆筒形零件筒壁强度、在防止安全事故产生的前提下节省材料具有重要的现实意义和社会经济意义。

据文献调研分析，近10年以前，国内外常用切环法来评估圆筒形零件筒壁残余应力，但仅仅以切口张开距离定性地衡量残余应力的大小，切口张开距离并不能作为设计圆筒形零件筒壁强度的参数依据。

直到2007年，才出现专利号为200710118132·4的专利“螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法”，能定量计算用于石油、天然气输送的螺旋缝埋弧焊管管壁的残余应力。其残余应力用等效应力σ_残来表示，考虑了切口两端周向张开距离Δl、切口两端轴向错开距离Δz和径向错开距离Δr等与残余应力释放密切相关的切口儿何参数，残余应力大小表示为

其中E为管壁材料的杨氏弹性模量，h为管壁厚，D为焊管外径。

但该专利中残余应力计算公式是错误的，有如下两点原因：

1)据弹塑性力学，切口两端周向张开距离Δl是由管壁残余应力周向正应力分量σ_θθ的释放引起的，切口两端轴向错开距离Δz是由管壁残余应力剪应力分量τ_θz的释放引起的、径向错开距离Δr是由残余应力剪应力分量τ_θr的释放引起的。而专利号200710118132·4的专利中将径向错开距离Δr看作由管壁残余应力径向正应力分量σ_rr的释放引起的，代入到等效应力公式才得到上述残余应力计算公式，这是错误的。因为，从焊管的应力边界条件可知，焊管内外表面的径向应力σ_rr＝0，且径向应力σ_rr在管壁内是连续的，而管壁相对于管径来说较薄，所以认为管壁内处处的径向应力均为σ_rr＝0。

2)当管壁残余应力无剪应力分量为τ_θz和τ_θr时(即管壁残余应力为轴对称应力状态时)，切口处应该出现Δz＝0、Δr＝0，即专利号200710118132·4专利中的残余应力计算公式退化为

但它是文献【记为文献1】“螺旋焊管切环试验残余应力评价方法分析”(马家鑫，郑福恩，荆松龙，李记科.螺旋焊管切环试验残余应力评价方法分析[J]，应用与开发，2012，35(11)，pp30-32)中推导的残余应力计算公式的1/2。