承压容器焊接接头残余应力测试的现代探究

摘 要 压力容器作为特种设备，在炼油、医药、有机合成乃至核电行业发展中扮演着重要的角色。压力容器的封头、接管、开孔、密封元件、支座等诸多结构基本都为焊接构件，焊接后产生的焊接残余应力是影响构件使用安全的危险因素，往往是引起裂纹、应力腐蚀开裂等缺陷的主要原因。开展压力容器焊接接头焊接残余应力的研究有助于了解残余应力的分布规律，优化设计方案，对于压力容器的安全性能也是一种保障。

关键词 承压容器；焊接接头；残余应力测试

前言

当压力容器在焊接完成后，会在部分焊缝区域产生出残余应力。由于在焊接过程中温度的不均与是的内应力超过了金属的屈服极限是的部分地区产生了变形，当温度降到常温后，由于无法消除而残留在结构中的内应力就叫作残余应力。焊接构件的焊接残余应力的特点是某些区域量值很大，所以开展压力容器焊接接头焊接残余应力研究有助于优化焊接工艺，消除残余应力，保证焊接质量，保证压力容器能够长期、安全、平稳的使用。

1 焊接残余应力产生的原因

焊接残余应力产生时的状况，在实际情况下是相当复杂的，其应力的大小与分布因焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等不同而不同。就其产生原因及过程关系有下列三种情况。

1.1 焊接热应力

由于焊接时，焊接热源是移动的，对金属构件进行局部的不均匀加热和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。在加热过程中不均匀的焊接温度场使金属热膨胀受阻，从而在加热区形成了局部的压

缩塑性变形区；在冷却过程中，受压缩的塑性变形区的金属收缩受阻，于是由加热和冷却的温度梯度而产生了焊接熱应力，这是焊接残余应力起主导作用的部分。

1.2 约束应力

约束应力是焊前加工状况造成的，由于约束不同，不均匀的作用力及构件内部组织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分显示的不同的屈服行为而引起构件的不均匀变形产生了约束应力。

1.3 相变应力

焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而引起体积的变化，产生了相变应力，相变部分的宽度与残余应力产生的状况直接有关。例如，在压力容器制造过程中超次反修焊接部位，相变部分加宽，则焊接残余应力较其他部位大些[1]。

2 压力容器残余应力测试及结果分析

2.1 对焊接应力进行测试

分汽缸尺寸ø426×1 250，设计压力为1.6MPa，材质Q235-B，标准椭圆封头，制造校圆时有锤击现象，制造工艺按GB150-89钢制压力容器进行，A、B类焊缝均开单V形坡口，手工电弧焊，水平位置多层焊接，纵缝背面封底，焊材E4303。

经测试环焊缝残余应力，σx和σy两向焊接残余应力以焊缝为中心基本对称，残余应力的峰值纵焊缝170N/mm2；环焊缝185N/mm2，分别为屈服强度σs的72%和78.8%。且环焊缝的焊缝残余应力分布对称性较好，与试板结果相比规律基本相同。纵焊缝的焊接残余应力分布对称性较差，可能与卷筒错边、锤击及约束有关。

沿着焊缝长度上焊缝中心的应力均为拉应力，离开焊缝两侧30-40 mm为压应力，最大压应力达到80.5 N/mm2，由于粘贴应变时对焊缝进行了打磨，因此释放一部分残余应力，且不是把所有焊缝余高打磨干净，则有的测点可能受到影响。

2.2 承压洗涤塔焊缝残余应力的测试

承压洗涤塔直径ø1 800，设备材质为16MnR，双面手工电弧焊，水平位置，焊条型号为E5015或E5016。根据GB150-89钢制压力容器进行制造、检验和验收。焊前不预热，焊后不进行消应处理。

纵焊缝残余拉应力峰值238N/mm2为16MnR材料的σs的76.4%；设备环焊缝与纵焊缝，丁字缝区域，焊接残余拉应力的最大峰值超过360N/mm2，已超过母材的屈服极限，并在丁字焊缝的一侧呈现出焊接残余应力分布的无规律性，最大压应力达到115 N/mm2，并且与焊缝垂直及平等的两向应力无对称性，有资料表明，应力峰值超过母材屈服极限的原因可能是制造过程中加工硬化所致。

2.3 测试标定的误差

a.测试残余应变时的标定是单向拉伸试板上进行的，目前人们计算平面应力状态的焊接残余应力时，应变-应力的换算也用上述标定结果，与工程实际有差距。

b.在对压力容器进行焊接残余应力测定时，使用双向应变花是在假定残余应力的方向虽与焊缝平等或垂直，但是从三向应变花测出的结果来看，残余应力的方向并不是仅沿这两个方向中，而呈现出无规律性，主方向与焊缝方向的夹角最大可达26°，说明焊缝中即便出现裂纹也不会仅沿焊缝方向或垂直于焊缝方向发生和扩展，可能的裂纹会垂直于所在区域的主应力方向并随方向扩展。

c.在实际焊接结构中由于刚性约束的结果，使测试的部分结果呈现无规律性；且钻孔时产生的热而显示的应变不能完全恢复也影响到焊接残余应变的测试[2]。

3 残余应力的分布特点

从测试结果来看，焊接残余应力的分布在焊缝处明显大于母材处；平行于焊缝的残余应力大于垂直焊缝的残余应力；在有丁字焊缝的一侧，残余应力叠加。

在通常情况下，焊缝及其附近区域的残余应力为拉应力，而远离焊缝区域为压应力。焊接残余应力在范围与构件或设备的整体尺寸属于同一数量级，拉压自相平衡。

4 焊接残余应力控制途径

①在压力容器制造过程中严格工艺管理，质量保证体系切实可行。②焊前预热，焊后保温可有效地降低焊接残余应力，在生产中对焊接厚度较大的低合金钢尤为重要。③消除焊接残余应力。最彻底的消除方法是热处理，以整体热处理为最好，但大的热处理设备，一般中小型压力容器制造企业不能做到，有的企业进行局部热处理或低温消除残余应力。

5 结束语

随着人们对残余应力评定和控制技术的逐渐重视，其测试方法也得到了不断发展，同时一些新型的测试方法也不断涌现，这些都为科学研究和工业生产提供了更大的便利。然而，纵观机械法和无损检测法，不同的测试方法适用于不同的材料和不同的应用领域，而且每种测试方法各有利弊，因此有待进一步的发展和完善。

参考文献

[1] 王秋成.航空铝合金残余应力消除及评估技术研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[2] 宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京：中国化学出版社，2004：79.

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