压力容器中焊接残余应力的消除对策.doc

1、1压力容器中焊接残余应力的消除对策【摘要】随着科技的发展，压力容器的使用越来越规范。然而在焊接时产生的残余应力仍然是影响压力容器安全使用的障碍。本文对压力容器焊接残余应力产生原因进行了分析，并结合实际工作，寻找焊接残余应力消除的有效对策。 【关键词】压力容器，焊接，残余应力，消除对策 中图分类号：O6-335 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 现代社会，压力容器的使用越来越广泛，其质量问题备受关注。如何能够在保证压力容器性能和使用寿命的前提下，让压力容器使用更安全，其中的重点和难点就是消除焊接残余应力。现在，我将分析一下压力容器中焊接残余应力产生的原因及消除对策。 二、压力容器焊接残余应力

2、产生原因 压力容器焊接后，结构焊缝区会产生残余应力。它是由于焊接时不均匀加热的温度场所造成的内应力达到材料屈服极限使局部区域产生塑性变形，当温度回到原始的均匀状态以后内应力仍然残留在结构中造成的，故称“残余应力” 。焊接残余应力的峰值大小分布状态直接对容器的疲劳破坏和应力腐蚀开裂等产生不良影响。 焊接残余应力与外载荷产生的应力叠加，局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹和变形，使焊件形状和尺寸发生变化，需要2进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废甚至导致结构失效。 研究证明：容器一经焊接，残余应力就不可避免地同时伴生。它的产生机理虽已被初步认识，但由于压力容器的外形尺寸、焊接工艺、 施焊

3、程序以及拘束大小的不同，残余应力的水平也大不一样，并且分布十分复杂。故需要确定合理的消除或减少焊接残余应力的对策，使压力容器在制造时保证质量，经济合理；在役时，安全运行，杜绝事故。 三、压力容器焊接残余应力消除对策 1、超载消除法 在可控条件下，对容器施加一次或多次比其工作状态下稍大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增加不多。由于容器本身是连续的在外载荷卸除

4、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、热处理消除法 焊后热处理是一种消除焊接残余应力常用的方法。工程上我们主要用退火处理，火温度越高、保温时间越长，消除焊接残余应力的效果就越好。但是温度过高，使工件表面氧化比较严重，组织可能发生转变，影响工件的使用性能，存在弊端。蠕变应力松弛理论为热处理消除焊接3残余应力提供了另一条思路，工件在较低温度时会发生蠕变，材料内部的残余应力会因应力松弛而得到释放，只要保温时间足够长，理论上残余应力可完全消除。在低温消除焊接残余应力时，材料的组织和性能变化甚微

5、，几乎不影响材料的使用性能，而且低温处理材料表面的氧化和脱碳也比较小，这就可以在材料的力学性能和组织基本不变的情况下达到降低材料焊接残余应力的目的。 在压力容器焊接过程中，按照一定的速度，将整个焊接完成的压力容器加热到 5070 的温度，并保持在该温度一段时间，通过使变形金属形成等轴晶粒的过程来消除晶体的缺陷、降低金属的强度的同时提高金属韧性，最终达到减小、消除由焊接造成的残余应力的目的。 但由于绝大多数的压力容器体积都非常大，很难轻松地将其放入到加热炉内去进行热处理工作，现在研发出一种新方法，就是通过在容器外部覆盖上一层保温层的同时，在压力容器内部进行高温加热或者采用电热发对整个容器进行热处

6、理。 3、锤击消除法 锤击处理很早被引入焊接领域，初期主要应用于消除焊接变形。通过观察分析，认为适当锤击可以消除和减少焊接裂纹，进而推断锤击有消除焊接残余应力的作用，一般认为，锤击处理消除焊接残余应力是使被处理金属通过锤击，在体内局部产生一定的塑性伸长，释放焊接过程产生的残余拉伸弹性应变,从而达到释放焊接残余应力的目的。 通过对根据数值分析在焊接中应用的基本理论，有外力作用时的有限元增量表达式为 4Kedue=dRe+dFe 式中， Ke 为单元刚度矩阵；due 为单元位移；dRe 为由温差引起的等效节点载荷；dFe 为由外力引起的等效节点载荷,在此指由锤击作用产生的载荷。 通过建立锤击处理的

7、有限元数学模型，模拟分析锤击工艺与消除残余应力的关系。完全可以发现锤击对消除焊接残余应力的作用。 焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残余应力降低。 锤击时要掌握好打击力量，保持均匀、适度，避免因打击力量过大造成加工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及时锤击，除打底层不宜采用锤击外，其余焊完每一层或每一道都要进行锤击。锤击铸铁时要避开石墨膨胀温度。 某 400 m 球罐接管凸缘与球罐壁焊后出现贯穿裂缝，在返修中除加强预热，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 任何裂纹，这说

8、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。 4、局部热处理法 整体热处理的原理与局部热处理的原理基本相同，但局部热处理大多都是采用履带式电阻加热器或者红外板式加热器来对焊缝区进行加热，但由于只是拒不加热达不到整体加热对残余应力那么明显的消除效果，只能达到平缓分布应力、降低应力峰值的目标，所以局部热处理的改善5处理区域力学性能的能力也被广泛使用，只不过大多数情况下局部热处理只是用来处理简单的焊接接头。 5、温差拉伸法 针对焊缝区残余应力的分布状态，利用温差热效应形成一个反向应力场，从而消除残余应力的一种方法。此法消除效果的关键在于温差的选择，与材料屈服

9、极限，模量 E 以及热膨胀系数有关。只要加温区和t选择适当，不致引起塑性变形而损失塑性储备，也不影响金属的金相组织，可以取得较好的消除应力效果，消除效果可达 50-70%，此法在焊缝较规则，厚度又不太大的板壳结构上有一定应用价值。 6、爆炸消除法 通过引爆布置在焊缝及其附近的炸药带，利用炸药在焊缝区瞬间爆炸的冲击波与残余应力 的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，残余应力因而得到松弛。 爆炸消除法处理不仅可以有效地消除焊接残余应力，而且在处理区域内产生一定量的压应力，从而使焊接接头提高了与拉应力有关的破坏抗力，对此，热处理是无能为力的。爆炸法对于在 役的压力容器开罐检查中焊缝返修工程消除残余应

10、力具有独到之处。 7、预载消除法 残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整，例如对压力容器可以采用水压试验，也可以在焊缝两侧局部加热到 200，造成一个温度场,使焊缝区得到拉伸，以减小和消除焊接残余应力。 四、结束语 6综上所述，目前，压力容器焊接残余应力消除的方法有很多，各有利弊。在实际应用中，一定要根据压力容器的实际情况，选择合适的消除方法，在保证容器质量的前提下，对焊接残余应力进行有效的消除。同时，我们一定要严格的按照操作规范对焊接残余应力进行消除，保证压力容器的性能和使用寿命。 参考文献： 1秦长城. 压力容器焊接的质量控制方法 压力容器-2003 年 12.期 2中国机械工程学会焊接学会编焊接手册机械工业出版社-1992 年版 3王佳琪浅析焊接残余应力的消除方法压力容器-2008 年 6 期. 4拉达伊.D.熊第字译 焊接热效应 机械工业出版-1997 年版 5日增渊兴一张伟昌译焊接结构分析机械工业出版社-1985 年版 6陈楚 数值分析在焊接中的应用 上海交通大学出版社1985 年版