压力容器焊接残余应力的消除对策

压力容器焊接残余应力的消除对策

陈磊惠栋

陕西化建工程有限责任公司陕西省杨凌示范区712100

摘要：本文从压力容器焊接应力的形成及其可能产生的危害入手，综合国内压力容器实际工作制造、使用情况，详细分析了几种常见的压力容器焊接应力消除技术，并对这几种方式进行了简单的评估，以期能够减少我国压力容器事故，为相关工作人员提供一定的技术参考。

关键词：压力容器；焊接；残余应力；消除对策

引言

经过不断的研究与实践证明，压力容器一经焊接，预应力的产生就无法避免，虽然我们目前已经初步掌握了压力容器的产生机理，但是不同的焊接工艺、施焊工序，甚至不同的外形尺寸，都会影响残余应力的分布和峰值。因此，需要针对具体情况选择有针对性的方式消除或者减小焊接残余应力，提高压力容器的质量。

1焊接残余应力的形成及危害

1.1残余应力的形成

压力容器在经过焊接步骤后，在焊缝的区域会有残余应力产生，这是因为在焊接的过程中压力容器由于受热不均匀导致内应力达到了材料的屈服极限，局部区域产生了塑形的变型，当温度慢慢降低到原始状态后，内应力并没有消失，依旧存在于结构之中，因此被称为残余应力。

1.2残余应力的危害

首先，残余应力的危害表现在焊接区收缩过程中受到阻力而发生拉应变，当超过材料的最大拉应变时，焊接区域会产生裂纹，残余应力会与焊缝中残存的氢结合，还会促使热影响区硬化，导致冷裂纹及延迟裂纹的产生；其次，焊接残余应力的存在还会降低焊接区金属的塑性和抗疲劳强度，这对承受动载荷的结构危害很大；最后，当残余应力与特定介质的腐蚀作用结合时，还会引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。研究结果表明，变形和残余应力对金属材料的主要影响在于使金属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀，即转变为晶间或穿晶腐蚀。

2残余应力消除对策

2.1超载法

在能够控制的范围内，对容器施加稍大于其工作状态的外载荷，该载荷形成的应力与容器局部存在的焊接残余应力相叠加，合成应力低于材料屈服极限时呈弹性状态，应力与应变成直线关系；当合成应力达到材料屈服极限时，局部区域便产生塑性变形，随着外加应力值的增加，合成应力达到屈服极限的范围增大，产生塑性变形的范围也应相应增大，但应力值没有增加，或者增加很少。由于容器本身是连续的，在外载荷卸除过程中，屈服变形区域与弹性变形区域同时以弹性状态回复，存在于容器内部的焊接残余应力被部分消除，被消除的残余应力的大小等于外加载荷产生的应力值。

2.2整体热处理法

2.2.1炉内整体热处理

为了加强对压力容器内部各个参数的控制，可将工件整体封闭在炉内进行加热。在进行处理时，在原则上需要将工件一次性整体放入炉内，但是由于实际工作条件的限制，一次性放入可能无法完成，那么在满足标准要求的情况下，也允许两次或者多次入炉。目前加热炉普遍采用燃气（油）加热的方式，也有小部分企业采用电加热的方式，但是无论哪种加热方式，设备的投资都比较大，只有少数大型的企业具备炉内整体热处理的能力，因此，该种方法并不适用于处理那些体积较大的工件。

2.2.2炉外整体热处理

炉外整体热处理是将加热元件置于容器内，通过辐射及对流换热对整个容器进行加热。容器内加热分为电加热以及燃油（气）加热。电加热一般将板式远红外电加热器置于容器内部，主要以辐射换热为主，通过热电偶反馈信号至控制回路控制加热器的输出以达到规定的工艺参数，其自动化程度较高，但设备投入和对电力的消耗很大；燃油（气）法加热是在容器内部喷射燃料燃烧进行加热，通过形成燃烧产物的回转气流，利用辐射及对流对整个容器进行加热，这种方式被应用的较多，但是很容易在容器内部形成不均匀的加热区，为了解决这个问题，国内研发出了增压旋转反射燃油加热，效果比较理想。

2.3局部热处理法

局部热处理法是针对压力容器需要消除残余应力的局部进行热处理。这种方式主要针对焊接残余应力情况不严重的焊管接头和由于局部加热残余应力分布不均匀的位置，并且这种残余应力的消除方法并没有整体处理法理想，只能使残余应力分布更加平缓，不能被完全去除。

2.4锤击法

焊缝金属在迅速均匀的锤击下产生横向塑性伸展，使焊缝收缩得到一定补偿，从而使该部位的拉伸残余应力的弹性应变得到松弛，焊接残余应力即可部分消除。若容器接管凸缘与罐壁焊后出现贯穿裂缝，在返修中除了加强预热，内外侧同步焊接外，还辅以分层锤击，降低残余应力峰值，后经无损探伤，焊缝未发现任何裂纹，这说明在压力容器焊接过程中，采取均匀适度的分层锤击是降低焊接残余应力的一种简易有效的方法。

2.5爆炸法

爆炸法即为通过计算以及合理的布置，通过使用少量炸药爆炸时产生的高温和巨大压力消除工件的残余应力，在紧靠炸药的焊缝区，爆炸产生的冲击载荷和残余应力相叠加，大于材料的动态屈服强度，随即产生塑性变形，原始残余应力开始释放。同时，应力波经2-3次的反射后，或在压力容器的其它部位应力波的峰值与残余应力叠加虽小于材料的动态屈服值，但由于振动产生的消除应力，可使压力容器各部分的残余应力都产生不同程度的降低。

爆炸法成本低，工期短，对场地和设备也没有什么要求，且其不但能够有效地消除焊接残余应力，在处理区域还能够形成一定的压应力。但是爆炸法是利用爆炸产生的巨大冲击波在短时间内给予材料强烈的冲击，材料受到的加载速度非常大，当焊缝表面质量不好的情况下有应力集中的尖端很容易产生脆性裂纹扩展。国内就有企业发生过分别采用整体热处理和爆炸法消除焊接应力的贮罐，在相同工况下工作一年后，在爆炸法消除应力的贮罐焊缝中发现裂纹而经过整体热处理的贮罐焊缝完好。由于我国对爆炸法的研究还不够深入，虽然其在消除应力方面有一定的优越性，但是爆炸法的准确性和可靠性不高，因此在压力容器制造行业并没有得到大范围的推广。

2.6振动消除法

振动消除法主要是利用振动设备给予压力容器焊接区一定的振动力，来消除压力容器的残余应力。震动设备的主要零件是马达，振动应力根据压力容器的大小、形状和重量进行数学建模，使用震动设备产生循环应力来让压力容器残余应力释放。这种方法适用于户外的作业环境，所需设备少，不需要再次处理因为高温热处理遗留的问题。

3关于消除焊接残余应力方法的评估及建议

目前，压力容器消除焊接残余应力的方法较多，各有利弊，就上述方法而言，超载法、局部热处理法、锤击法、爆炸法和震动法设备简单、操作方便、成本较低，其中超载法是用水压试验来实现，同时达到了质量检验和消除残余应力两个目的，而水压试验是压力容器制造中必经的工序。因此，超载法消除焊接残余应力，不但方法简便，效果显著，而且经济性最好。所以，在某些常温条件下使用的压力容器应优先考虑超载法消除焊接残余应力，至于锤击法宜作为消除应力的辅助手段或用在既不能整体热处理又不宜用其它方法处理的压力容器上。整体热处理的效果虽然很好，但与其它方法相比，设备较多、工艺复杂、操作不便且成本最高，一般宜用在三类压力容器中。

结语

综上所述，相关人员需要根据焊接残余应力在压力容器中的分布状态、压力容器的不同用途，正确选用消除对策，使不同的处理方法在不同性质、不同压力容器上各扬其长、各得其所，从而达到既保证安全可靠又经济适用的目的。

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