压力容器焊接残余应力分布与评价的研究现状

吴高峰



压力容器焊接残余应力分布与评价的研究现状

吴高峰

（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）

摘要：文中概述了压力容器残余应力方面的理论知识，详细综述了国内外有关于压力容器残余应力定量分析、测试及评价方法的研究概况，讨论了各方法在实际应用中的优缺点，同时也展望了未来压力容器残余应力测试与评价的发展趋向。

关键词：残余应力；压力容器；分布与评价；X射线

1　引言

残余应力是材料中发生了不均匀的弹性或弹塑性变形的结果，是材料各向异性的反应，在材料加工和处理过程中都是难以避免的［1］，是影响焊接结构使用性能和寿命的重要因素。当焊缝和热影响区附近应力发生很大的变化时，这些部位容易产生裂纹，设备零部件发生损坏的主要原因通常是由残余应力导致的应力腐蚀和疲劳裂纹等缺陷。因此，明确变化部位对判断和防止裂纹缺陷很有必要。

2　研究意义

据统计每年由压力容器失效造成的损失，美国达700亿美元，日本高达25000亿日元，中国也达到200亿元。全国现有在用压力容器233.59万台，锅炉60.73万台，这些设备多数在高温、高压、低温、疲劳、腐蚀性介质下运行，安全寿命长的20年以上，短的几年甚至几个月，主要由设备的原始缺陷和使用缺陷决定。材料内部结构不连续性、焊接过程中过大的温度梯度造成了应力集中，在介质、温度和压力的共同作用下诱发裂纹、疲劳损伤和腐蚀开裂的产生，最终导致设备失效。利用测试技术有效检测出材料由焊接产生的残余应力集中区，将极大程度的预防压力容器缺陷的产生并能对运行中的设备进行细微缺陷的监控［2］，对设备的安全有效运行意义重大。

3　国内外研究现状

对于压力容器的容许残余应力，现阶段还没有系统而规范的标准进行评价，因此压力容器残余应力的研究有待深入，且变得格外引人注目。目前，国内外对压力容器残余应力的研究主要包括：

3.1对残余应力定量分析方法的研究

对残余应力的测量方法主要分有损和微损两种，有损的分析方法如削磨面积法和小孔法，需要对检测对象进行破坏取样，在实际工程应用中受到很大限制。微损的分析方法，包括X射线衍射法、光弹性法、超声波法和磁力耦合应力检测法。对于光弹性法、超声波法和磁力耦合应力检测法目前只能定性的分析残余应力的分布情况，定量计算还很困难。X射线衍射法通过测量材料晶格畸变大小可以定量计算残余应力的大小。刘国伟等［3］对XRSA测试前表面处理测序进行了较详细的实验，说明由于表面加工应力层的存在对测试结果有很大影响，而且在测试中材料的成分、组织、晶粒尺寸、织构（择优取向）等都会对测量结果产生影响［4-6］，Ruibin Guo等［7-8］运用XRSA对焊接残余应力进行了定量分析，但是都未对XRSA的测量误差和精度进行实验验证分析，也未说明测量时表面预处理时所采用的方法是否将表层加工应力完全去除，且对于材料成分、组织、晶粒尺寸、织构的影响也都未考虑。

另外，目前对于内部残余应力的测量较准确只有剥层法和中子衍射法，但是剥层法属于破坏性分析方法在实际工程运用中被禁止，而中子衍射法虽然属于无损分析方法，但受实验条件、仪器设备和昂贵费用的限制，很难在工程中应用。所以现场目前还没有有效的方法对内部残余应力进行分析，但是对厚板焊接过程的模拟分析显示最大残余应力基本都分布在近表面，所以通过对接近最大值的表面残余应力进行评价也是可以达到判定现行热处理工艺效果的目的。

3.2对大型压力容器残余应力的现场定量测试

部分研究对大型球罐残余应力进行了实际测量，如张亦良等［9-11］通过X射线应力测定仪对1500m3乙烯球罐的热处理前后残余应力进行了定量计算，表明所采用的整体热处理效果明显。同时对另一使用一年之后的2000m3液化气球罐进行开罐检查，表明虽然经过热处理，但是经过一年使用之后有些测试点的残余应力仍达到0.9δS，这些部位极易出现新的缺陷。这些研究在测试部位的选择上带有一定的随机性，缺乏直接的依据，且未对研究对象进行跟踪分析，研究残余应力在实际使用过程中的变化情况，也未对测试的残余应力对大型球罐裂纹产生和发展的影响进行评价。

3.3对大型压力容器残余应力的评价

目前的研究中较多利用ANSYS、ABAQUS等有限元软件，在考虑球罐自身重力、内压、操作介质、雪压、风压及地震载荷的因素下，分析压力容器的应力水平［12］，这些研究的有限元分析大都未考虑残余应力的存在。很大一部分研究考虑了焊缝残余应力对裂纹发展的影响［13-16］，但是很少进行实际残余应力数据的测量，且大部分研究主要集中在评价残余应力对在用压力容器中已有裂纹的影响，但是这种评价对新建压力容器安全性能的提高意义不大。因为新建压力容器的焊缝都要经过无损检测，如果检测出裂纹是不允许存在的，必须要经过返修。然而，受检测方法和现场条件的限制，无损探伤很难检测出微米量级的缺陷，而这些微缺陷在拉应力集中部位将成为裂纹源，当应力水平达到一定程度就会扩展形成大裂纹，从而危害到压力容器安全。所以研究残余应力对裂纹的形成就显得尤为重要。

4　研究趋向展望

目前国内外的研究均取得了不同程度的研究结果，但是都未能对新建压力容器残余应力进行合理而有效的评价。金属磁记忆检测法（MMMT）通过检测金属的漏磁场，可以快速地定性判断压力容器的缺陷和焊接残余应力集中区域［17］，利用这一点可以分析新建大型压力容器热处理前后残余应力的整体分布情况。而结合X射线应力测定仪则可以对焊接残余应力集中区域有针对性的进行定量测量。依据现场测试所得的真实数据，结合有限元计算和试验研究方法评价其对新建大型球罐中微缺陷形成裂纹的影响，确定最大容许残余应力的门槛值，为后期残余应力调控提供依据。

参考文献

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收稿日期：2016-04-22

作者简介：吴高峰，男，福建省特种设备检验研究院，工程师，硕士

Research Status of Distribution and Evaluation for Welding Residual Stress in Pressure Vessel

WU Gao-Feng
（Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

Abstract:This paper outlines the theory knowledge of residual stress in pressure vessel and summarizes the research status of quantitative analysis test and evaluation methods for residual stress in pressure vessel. In the paper， the advantages and disadvantages of Various methods in practical application are discussed. Meanwhile， prospects the future development in test and evaluation for residual stress in pressure vessel.

Key words:Residual stress； Pressure vessel； Distribution and evaluation； X-ray