某公司從國外引進數(shù)臺十萬立方米大型浮頂油罐，委托聚航科技對油罐進行水載下罐壁、罐底邊緣板的應力及罐壁徑向變形進行了應力測試，同時采用無損殘余應力測試方法檢測罐壁軸向焊縫熱影響區(qū)的殘余應力。
浮頂油罐情況
油罐主要設計參數(shù)如下：
內(nèi)直徑：80m
最高液位：20.2m
罐底板：中幅板厚12mm，材質(zhì)為SS41；
邊緣板厚21mm，材質(zhì)為SPV50Q；屈服極限σs＞500MPa；
罐底外直徑：80.265m；
基礎圈梁：外徑81.1m，內(nèi)徑79.5m；
中心浮船直徑：12m
外周浮船寬度：5m；
單盤板：厚4.5m，材質(zhì)SS41；
抗風圈數(shù)：5個；
罐體重量：約1867噸。
油罐應力測試方案
應力測試概況
應力測試采用聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應變儀，罐壁測試部位在Ⅰ、Ⅱ號區(qū)底圈與第2圈內(nèi)、外壁的母線上，遠離軸向焊縫以便用于測試結(jié)果和理論計算結(jié)果的對比。邊緣板測試部位在Ⅰ、Ⅱ號區(qū)對應的罐內(nèi)底板徑向位置（見圖1）。油罐容量大，充水時間長，所以測試部位采用垂直90°箔基應變花，用914環(huán)氧粘結(jié)劑粘貼，用705硅橡膠防潮密封，外敷環(huán)氧樹脂保護。罐底邊緣板的應變片敷705硅橡膠再敷醫(yī)用凡士林，最后澆鑄環(huán)氧樹脂保護。罐內(nèi)應變片采用罐內(nèi)溫度補償,罐外Ⅰ號區(qū)采用罐外補償，由于Ⅱ號區(qū)應變測值受溫度變化影響大，因此改為罐內(nèi)補償。為了避免白日溫差的變化影響測量精度，定于早、晚溫度相對穩(wěn)定的時間進行測試。
水密封接頭通過不同配比的固化、半固化環(huán)氧樹脂依次灌注密封，安裝在攪拌器的孔上。
應力測試結(jié)果分析
罐壁應力
從罐壁軸向應力分布曲線可知，底圈罐壁軸向?qū)崪y應力分布曲線形似理論計算應力分布曲線，應力峰值和位置接近理論計算結(jié)果。底圈與第2圈罐壁環(huán)焊縫處及其附近的軸向應力分布曲線與理論計算結(jié)果相差很大，根據(jù)該部位的應力分布曲線形狀分析，說明此處主要是由于罐壁幾何尺寸的不連續(xù)而導致變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生了附加彎曲應力。
根據(jù)罐壁環(huán)向應力分布曲線圖可知，內(nèi)壁應力水平低于罐外壁，底圈外壁應力分布曲線接近理論計算曲線，罐壁環(huán)焊縫區(qū)幾何尺寸的不連續(xù)明顯影響內(nèi)壁環(huán)向應力分布，而外壁產(chǎn)生了相應的附加彎曲應力。
根據(jù)測試結(jié)果得知，罐壁最大環(huán)向電測應力在第2圈的外壁環(huán)焊縫附近，測值為279Mpa，遠小于壁板材料的屈服極限。最大軸向電測應力在內(nèi)壁罐底邊緣處，小于最大環(huán)向應力值。
邊緣板應力
根據(jù)罐底邊緣板的應力分布圖可知，最大電測應力是徑向應力，其值為400MPa，位于罐內(nèi)邊緣板大角焊縫根部（見圖1），放水卸載后，該測點未產(chǎn)生殘余變形。由圖可看出，大角焊縫附近徑向電測應力高于理論計算應力，應力分布曲線偏離理論計算曲線。分析其原因，主要是理論計算考慮了罐壁自重和液壓使邊緣板產(chǎn)生的彎曲應力，而電測應力是在油罐建成后充水前粘貼應變片測取的，顯然測值未含罐壁自重產(chǎn)生的彎曲壓應力。
油罐殘余應力檢測方案
磁測法殘余應力檢測試方法
因為現(xiàn)場的要求只能對油罐進行無損測試，所以決定采用磁測法檢測油罐殘余應力。
由施工現(xiàn)場提供底圈310*270*32.5mm的對接焊試板一塊，對接焊試板的焊接工藝與現(xiàn)場罐壁軸向焊縫的焊接工藝相同。用JH-60磁測儀對試板進行測試，然后用于現(xiàn)場測試。
在磁測儀用于現(xiàn)場測試之前，對三塊A3材質(zhì)的對接焊試板用切割法和磁測法進行了對比測試。測試結(jié)果表明，磁測法測值誤差較大，但兩種方法測得的應力分布規(guī)律相同。然后，對油罐底圈焊試板進行了磁法測試，并用測得的同一組數(shù)據(jù)分別由兩條邊界（σx=0）作為已知應力點計算各測點的應力。由罐壁試板殘余應力分布曲線可知，測點越多累計誤差越大，但是作為定性分析了解油罐的最大殘余應力位置及殘余應力分布情況還是有其參考價值的。因此，我們在現(xiàn)場Ⅰ號區(qū)，罐壁的軸向焊縫右側(cè)，高于罐底底板1.4m的部位，沿罐體環(huán)向選擇了間隔分別為20mm的11個測點進行了實測。
磁測法殘余應力測試結(jié)果分析
從罐壁實測殘余應力分布曲線可知，殘余應力很大，與壁板材料的屈服極限同屬一個量級，其分布規(guī)律與試板的應力分布規(guī)律基本相同。環(huán)向應力隨著背離焊縫距離的遞增殘余應力呈遞減趨勢。罐壁軸向殘余應力沒有陡峭的曲線段，應力分布較平緩，于背離焊縫約180mm處進入壓應力區(qū)。在拉應力區(qū)，環(huán)向和軸向應力分布曲線的整體應力水平差異不大，因為軸向殘余應力測值含有該部位罐壁自重的影響，焊接殘余應力疊加罐壁自重壓應力，使軸向殘余應力總體水平下降?？梢姽薇谧灾貕簯筛纳戚S向焊縫熱影響區(qū)的應力狀態(tài)。
總結(jié)
1. 從十萬立方米油罐的實測應力分析可以看出，罐壁最大電測應力均在焊縫附近，其值遠小于材料的屈服極限。
2. 油罐可采用磁測殘余應力測試方法，測試結(jié)果表明，焊縫附近有很大的焊接殘余應力。焊接殘余應力為局部應力，具有自限性。由資料可知，壓力容器防水卸載后，其器壁的焊接殘余應力可得到部分消除。
3. 邊緣板大角焊縫根部的電測應力最大，防水卸載后，該測點并未發(fā)生殘余變形。這一測試結(jié)果改變了我們長期認為這里應力不可避免地達到屈服極限的看法。有資料可知，我國設計的二萬和五萬立方米的浮頂油罐，邊緣板大角焊縫根部應力都大大超過了材料的屈服極限。相比之下，在同樣的載荷下，三個油罐邊緣板大角焊縫根部的實測應力不同，十萬立方米油罐的應力水平還很低，說明其設計上更加合理。
4. 我國在用油罐全是短期裝載油品，由于油罐載荷經(jīng)常變化，邊緣板大角焊縫根部這種有附加彎曲應力作用的高應力區(qū)非常容易造成疲勞破壞。為了改進油罐設計，降低邊緣板大角焊縫根部的應力水平，建議適當增加邊緣板的厚度，改善罐壁與邊緣板T型焊接接頭結(jié)構(gòu)，旨在加強大角焊縫區(qū)抗疲勞破壞能力，從而提高油罐的使用壽命。
