探析承壓容器焊接接頭殘余應力測試

董強

（中石油華東設計院有限公司，山東青島266071）

1 焊接殘余應力產生的原因與危害性

1.1 焊接殘余應力產生的原因

1.1.1 約束應力

在構件焊前加工過程中，可能會造成約束應力。受不同約束的影響，不均勻的作用力及構件內部組織的濃度差等會顯示不同的結果，進而造成構件的不均勻變形，從而產生約束應力。約束應力的產生，也會影響后續焊接殘余應力的產生。

1.1.2 焊接熱應力

在實際的構件焊接過程中，移動的焊接熱源會對金屬構件進行不均勻的加熱和冷卻，使得構件的不同部位受熱不均，溫度不等。受加熱不均勻的影響，金屬構件熱膨脹受到一定的阻礙，使得加熱區局部出現壓縮塑性變形。在構件冷卻的過程中，金屬變形區域難以收縮。在加熱與冷卻的不同溫度影響下，焊接出現了熱應力，其也是焊接殘余應力的主要成因。

1.1.3 相變應力

在焊接過程中，在不均勻加熱和冷卻的情況下，金屬構件組織會發生變化，相應的體積也會隨之變化，從而產生了相變應力。其中，相變部分的寬度影響殘余應力產生的一個因素。比如，在制造承壓容器的過程中，對焊接部位進行超次反修，會在一定程度上加寬相變部分，相較于其他部位，此部分的焊接殘余應力會大一些[1]。

1.2 焊接殘余應力的危害性

焊接殘余應力主要會造成焊接冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋。若在日常焊接工作中出現上述情況，會造成焊接結構的損害，嚴重時，焊接結構將難以恢復到正常水平。另外，剛度是構件工作的一項重要指標，是由內外合力產生的一種平衡點，其大小會受到殘余應力的影響，特別是剛度水準方面的影響。除此之外，殘余應力會影響焊接結構抵抗能力，在該作用力的影響下，且加上長期應用中受到的侵蝕和拉應力，會使得構件出現應力腐蝕性開裂，進而影響構件的作用?？傊?，對于焊接殘余應力應做到早測試、早處理，從而保障焊接結構的可靠性。

2 承壓容器殘余應力測試及結果分析

2.1 對焊接應力進行測試

分汽缸尺寸為準426mm伊1250mm，其設計壓力與材質分別為1.6MPa、Q235-B，該構件封頭為標準橢圓形，按GB 150—2011《壓力容器》的標準來制造工藝鋼制承壓容器。該構件存在2 類焊縫，在此設為A、B 2 類，2 類焊縫坡口均為單V 形。在進行焊接時，借助電弧焊，用焊材E4303 將水平位置多層焊接，縱縫背面封底。通過對焊縫殘余應力進行測試，發現X和Y2 個方向的殘余應力是基本對稱的，對稱中心為焊縫。殘余應力縱焊縫、環焊縫的峰值分別為170N/mm2、185N/mm2，分別為屈服強度的72%、78.8%。另外，發現環焊縫和縱焊縫的焊縫殘余應力分布呈現不同狀態，環焊縫的焊縫殘余應力分布對稱性較好；縱焊縫的焊接殘余應力分布對稱性較差，出現該種情況的原因，可能是卷筒錯邊、錘擊或者約束的作用。

2.2 承壓洗滌塔焊縫殘余應力的測試

承壓洗滌塔直徑準1800mm，根據GB 150—2011《壓力容器》標準要求，科學合理地進行鋼制承壓容器的制造、檢驗和驗收，其焊條型號為E5015 或E5016，設備材質為16MnR。通過對焊接縫的殘余應力測試發現，縱焊縫殘余拉應力最高可達238N/mm2，為16MnR 材料屈服強度的76.4%。該設備縱焊縫與環焊縫的相接區域為丁字縫區域，存在最大峰值在360N/mm2以上的焊接殘余拉應力，該值相對較高，已超過母材的屈服極限，出現該種情況的原因，可能是設備制造過程中出現加工硬化現象。另外，在丁字焊縫區的一側焊接殘余應力呈現出分布的無規律性，壓應力最大值達到115N/mm2。

2.3 測試標定的誤差

通常情況下，在單向拉伸試板上進行測試殘余應變的標定。在計算平面應力狀態的焊接殘余應力、應變-應力的換算等，人們都是采用上述標定結果，造成計算理論結果與工程實際出現了差異。在測定受壓容器的焊接殘余應力時，可采用三向應變法，相應的測試結果表示，殘余應力的方向不僅有與焊縫水平和垂直2 個方向，還存在其他方向，并且其主方向與焊縫方向成一定的夾角（最大可達26毅）。由此可見，當焊縫出現裂紋時，不僅會沿著焊縫方向、垂直焊縫的方向延伸，還有可能出現垂直于所在區域的主應力方向擴展。

3 殘余應力的分布特點

在一般情況下，將焊縫及其周圍區域的殘余應力叫作拉應力，將距離焊縫區域較遠的稱為壓應力。焊接殘余應力在范圍與設備或構件的整體尺寸屬于同一數量級時，拉應力與壓應力會自相平衡?；跍y試結果，發現殘余應力的以下幾個分布特點：（1）在焊縫處焊接殘余應力的分布明顯大于母材處；（2）與焊縫平行的殘余應力要比垂直焊縫的殘余應力要大；（3）在有丁字焊縫的一側，殘余應力呈現疊加的分布[2]。

4 預防或減少殘余應力的對策研究

4.1 科學合理地制定焊接程序

為了保障焊接的質量，減少殘余應力，首先，要科學合理地制定焊接程序，并嚴格按照制定程序進行操作，只有做好各個階段的焊接工作，才能從整體上減少殘余應力的發生。在實際的焊接過程中，還應注意以下幾點：（1）充分考慮焊縫的自由收縮，結合焊縫的實際情況，選擇恰當的焊接方法或者采用多種方法結合的方式，以保障焊縫的有效焊接；（2）注意焊接的過程，由中間往兩邊，逐格對稱；（3）要注重溫度的變化，因為溫度過低或者過高都會或多或少地影響焊接質量，因此，要采用一定的保溫或者降溫的措施，確保焊接的質量。

4.2 完善和優化焊接設計和焊接工藝

在進行焊接設計時，要對焊接位置的實際情況進行了解，考慮可能存在的影響因素，保障焊接的可靠性和有效性。在焊接過程中，應盡量選用剛性較小的焊接零件，減少焊接應力的同時，還可以降低焊接的約束。另外，還可以應用焊接構件的物理性能和化學性能，來削減殘余應力，從而實現降低殘余應力對構件的損害程度，應用此種方法，通?？捎行p少80%～90%的殘余應力。除此之外，還可采用機械消除的方法，即利用物理方法消除殘余應力，由于該種方法要求較低，因此，得到了廣泛的應用。

4.3 常用的減小殘余應力的方法

在實際的日常工作中，減小殘余應力常用的方法有熱處理法、局部處理法、機械處理法等。具體來說，熱處理法就是充分利用材料的基本特性，即在高溫的環境下，屈服點會有所下降且出現蠕動，在此種情況下，殘余應力會出現一定的松弛；相較于熱處理法，局部處理法比較簡單，其消除效果也比較有限，只能降低最大的殘余應力，無法達到大幅度的改善效果；機械處理法是通過物理器械來改善構件的內外應力，從而達到減少殘余應力的目的，該種方法與其他方法比較，成本較低，被多數工廠或者企業采用[3]。

5 結語

總而言之，受壓容器的焊接質量好壞影響著容器的使用壽命，因此，應提高容器各構件間的焊接。而焊接接頭的殘余應力會在一定程度上影響焊接的質量，因此，要嚴格按照焊接要求進行焊接，做好相應的焊接殘余應力測試工作，并根據焊接的實際情況，采用減小或消除殘余應力的方法，達到降低殘余應力影響構件性能的目的。