探析承压容器焊接接头残余应力测试

董强

（中石油华东设计院有限公司，山东青岛266071）

1 焊接残余应力产生的原因与危害性

1.1 焊接残余应力产生的原因

1.1.1 约束应力

在构件焊前加工过程中，可能会造成约束应力。受不同约束的影响，不均匀的作用力及构件内部组织的浓度差等会显示不同的结果，进而造成构件的不均匀变形，从而产生约束应力。约束应力的产生，也会影响后续焊接残余应力的产生。

1.1.2 焊接热应力

在实际的构件焊接过程中，移动的焊接热源会对金属构件进行不均匀的加热和冷却，使得构件的不同部位受热不均，温度不等。受加热不均匀的影响，金属构件热膨胀受到一定的阻碍，使得加热区局部出现压缩塑性变形。在构件冷却的过程中，金属变形区域难以收缩。在加热与冷却的不同温度影响下，焊接出现了热应力，其也是焊接残余应力的主要成因。

1.1.3 相变应力

在焊接过程中，在不均匀加热和冷却的情况下，金属构件组织会发生变化，相应的体积也会随之变化，从而产生了相变应力。其中，相变部分的宽度影响残余应力产生的一个因素。比如，在制造承压容器的过程中，对焊接部位进行超次反修，会在一定程度上加宽相变部分，相较于其他部位，此部分的焊接残余应力会大一些[1]。

1.2 焊接残余应力的危害性

焊接残余应力主要会造成焊接冷裂纹、热裂纹、再热裂纹。若在日常焊接工作中出现上述情况，会造成焊接结构的损害，严重时，焊接结构将难以恢复到正常水平。另外，刚度是构件工作的一项重要指标，是由内外合力产生的一种平衡点，其大小会受到残余应力的影响，特别是刚度水准方面的影响。除此之外，残余应力会影响焊接结构抵抗能力，在该作用力的影响下，且加上长期应用中受到的侵蚀和拉应力，会使得构件出现应力腐蚀性开裂，进而影响构件的作用。总之，对于焊接残余应力应做到早测试、早处理，从而保障焊接结构的可靠性。

2 承压容器残余应力测试及结果分析

2.1 对焊接应力进行测试

分汽缸尺寸为准426mm伊1250mm，其设计压力与材质分别为1.6MPa、Q235-B，该构件封头为标准椭圆形，按GB 150—2011《压力容器》的标准来制造工艺钢制承压容器。该构件存在2 类焊缝，在此设为A、B 2 类，2 类焊缝坡口均为单V 形。在进行焊接时，借助电弧焊，用焊材E4303 将水平位置多层焊接，纵缝背面封底。通过对焊缝残余应力进行测试，发现X和Y2 个方向的残余应力是基本对称的，对称中心为焊缝。残余应力纵焊缝、环焊缝的峰值分别为170N/mm2、185N/mm2，分别为屈服强度的72%、78.8%。另外，发现环焊缝和纵焊缝的焊缝残余应力分布呈现不同状态，环焊缝的焊缝残余应力分布对称性较好；纵焊缝的焊接残余应力分布对称性较差，出现该种情况的原因，可能是卷筒错边、锤击或者约束的作用。

2.2 承压洗涤塔焊缝残余应力的测试

承压洗涤塔直径准1800mm，根据GB 150—2011《压力容器》标准要求，科学合理地进行钢制承压容器的制造、检验和验收，其焊条型号为E5015 或E5016，设备材质为16MnR。通过对焊接缝的残余应力测试发现，纵焊缝残余拉应力最高可达238N/mm2，为16MnR 材料屈服强度的76.4%。该设备纵焊缝与环焊缝的相接区域为丁字缝区域，存在最大峰值在360N/mm2以上的焊接残余拉应力，该值相对较高，已超过母材的屈服极限，出现该种情况的原因，可能是设备制造过程中出现加工硬化现象。另外，在丁字焊缝区的一侧焊接残余应力呈现出分布的无规律性，压应力最大值达到115N/mm2。

2.3 测试标定的误差

通常情况下，在单向拉伸试板上进行测试残余应变的标定。在计算平面应力状态的焊接残余应力、应变-应力的换算等，人们都是采用上述标定结果，造成计算理论结果与工程实际出现了差异。在测定受压容器的焊接残余应力时，可采用三向应变法，相应的测试结果表示，残余应力的方向不仅有与焊缝水平和垂直2 个方向，还存在其他方向，并且其主方向与焊缝方向成一定的夹角（最大可达26毅）。由此可见，当焊缝出现裂纹时，不仅会沿着焊缝方向、垂直焊缝的方向延伸，还有可能出现垂直于所在区域的主应力方向扩展。

3 残余应力的分布特点

在一般情况下，将焊缝及其周围区域的残余应力叫作拉应力，将距离焊缝区域较远的称为压应力。焊接残余应力在范围与设备或构件的整体尺寸属于同一数量级时，拉应力与压应力会自相平衡。基于测试结果，发现残余应力的以下几个分布特点：（1）在焊缝处焊接残余应力的分布明显大于母材处；（2）与焊缝平行的残余应力要比垂直焊缝的残余应力要大；（3）在有丁字焊缝的一侧，残余应力呈现叠加的分布[2]。

4 预防或减少残余应力的对策研究

4.1 科学合理地制定焊接程序

为了保障焊接的质量，减少残余应力，首先，要科学合理地制定焊接程序，并严格按照制定程序进行操作，只有做好各个阶段的焊接工作，才能从整体上减少残余应力的发生。在实际的焊接过程中，还应注意以下几点：（1）充分考虑焊缝的自由收缩，结合焊缝的实际情况，选择恰当的焊接方法或者采用多种方法结合的方式，以保障焊缝的有效焊接；（2）注意焊接的过程，由中间往两边，逐格对称；（3）要注重温度的变化，因为温度过低或者过高都会或多或少地影响焊接质量，因此，要采用一定的保温或者降温的措施，确保焊接的质量。

4.2 完善和优化焊接设计和焊接工艺

在进行焊接设计时，要对焊接位置的实际情况进行了解，考虑可能存在的影响因素，保障焊接的可靠性和有效性。在焊接过程中，应尽量选用刚性较小的焊接零件，减少焊接应力的同时，还可以降低焊接的约束。另外，还可以应用焊接构件的物理性能和化学性能，来削减残余应力，从而实现降低残余应力对构件的损害程度，应用此种方法，通常可有效减少80%～90%的残余应力。除此之外，还可采用机械消除的方法，即利用物理方法消除残余应力，由于该种方法要求较低，因此，得到了广泛的应用。

4.3 常用的减小残余应力的方法

在实际的日常工作中，减小残余应力常用的方法有热处理法、局部处理法、机械处理法等。具体来说，热处理法就是充分利用材料的基本特性，即在高温的环境下，屈服点会有所下降且出现蠕动，在此种情况下，残余应力会出现一定的松弛；相较于热处理法，局部处理法比较简单，其消除效果也比较有限，只能降低最大的残余应力，无法达到大幅度的改善效果；机械处理法是通过物理器械来改善构件的内外应力，从而达到减少残余应力的目的，该种方法与其他方法比较，成本较低，被多数工厂或者企业采用[3]。

5 结语

总而言之，受压容器的焊接质量好坏影响着容器的使用寿命，因此，应提高容器各构件间的焊接。而焊接接头的残余应力会在一定程度上影响焊接的质量，因此，要严格按照焊接要求进行焊接，做好相应的焊接残余应力测试工作，并根据焊接的实际情况，采用减小或消除残余应力的方法，达到降低残余应力影响构件性能的目的。