壓力容器中焊接殘余應力的消除策略

王松 于明琦

摘要：壓力容器在焊接之后，會在焊縫處產生一定的殘余應力，對容器的質量會產生一定的影響，而且，根據容器焊接的具體情況的不同，焊接殘余應力的大小也會有所差別，為了降低殘余應力對焊接容器造成的質量影響，需要采取有效的方法消除容器焊接中產生的殘余應力。

關鍵詞：壓力容器;焊接;殘余應力;消除

前言

對壓力容器焊接殘余應力的消除方法主要有輻射加熱法、錘擊法、超載法等，作者結合自身多年經驗，主要從這幾方面消除焊接殘余應力的方法進行分析。

1.焊接殘余應力的概述

所謂焊接殘余應力，就是在焊接的過程中，由于加熱溫度場不均勻，使得內應力達到材料的屈服極限，造成材料的局部產生變形的現象，在溫度降低到原始均勻狀態后，殘留在材料結構中的內應力就是焊接的殘余應力[1]。焊接殘余應力的分布狀態以及峰值大小對容器的應力腐蝕開裂以及疲勞破壞有著直接的影響，而且，容器在焊接的過程中殘余應力是不可避免的，殘余應力與容器的焊接工藝、外形尺寸、焊接程序等有著直接的關系，要避免或降低焊接殘余應力對容器的影響，必須要了解殘余應力的原理，才能有效的消除焊接容器的殘余應力。

2.壓力容器中焊接殘余應力的消除策略

2.1 輻射加熱消除殘余應力

輻射加熱消除殘余應力的策略，主要是由熱源把熱量輻射至容器的金屬表面，然后再由金屬表面將熱量傳導至其他的方向，經常用到的輻射加熱方式如電阻爐加熱法、火焰加熱法、紅外線加熱法等，實踐效果非常顯著。壓力容器中焊接的殘余應力主要是因為焊接處與整體結構之間的溫差引起的，而要降低或消除焊接的殘余應力，主要就是對焊接處以及容器整體結構之間的溫差進行控制，而輻射加熱的方式，可以將熱量傳道給容器，根據實際的焊接情況，對溫差進行有效的控制，可以有效的實現消除壓力容器殘余應力的效果。

2.2 錘擊法消除殘余應力

捶擊法主要是通過工具對容器的焊接縫隙金屬進行迅速而均勻的錘擊，在錘擊之下會產生橫向塑性伸展，這樣能夠使容器的焊縫收縮得到補償，當然，具體的補償程度與實際的情況有著直接的聯系，這種操作主要是為了能夠讓焊接部分的殘余應力彈力在拉伸的情況下變的松弛，從而達到消除部分焊接殘余應力的目的[3]。例如，某工程對200m3球罐接管凸緣，在對這個球罐進行焊接的過程中出現貫穿裂縫的現象，這是不允許應用到工程中的，為此需要對其進行返修加強預熱處理，然后再從內外側同步的對裂縫處進行焊接，與此同時，還配有輔助的錘擊工具對其進行分層錘擊，通過降低焊接殘余應力的峰值之后，才可對該容器的裂縫處完成焊接工作，并且，在后期的檢查中未發現存在任何容器裂縫。從這里例子中不難看出，捶擊法雖然是一種消除焊接殘余應力的輔助方法，但是，該方法的應用效果十分顯著，而且，操作方法也比較簡單，只需要適度的對焊接區域進行分層錘擊即可起到降低焊接殘余應力的效果。

2.3 超載法消除殘余應力

超載法是對焊接的容器施加一次或多次的外載荷，施加的外載荷要比正常的工作狀態稍大一些，施加的外載荷產生的應力與焊接容器的殘余應力疊加，如果合成的應力達到焊接材料的屈服極限時，那么焊接材料的局部區域就會產生塑性變形，而且，在外加應力不斷增加的同時，合成應力達到的材料屈服基線范圍也會隨之增大，相應的材料產生塑性變形的范圍也會逐漸增大，而這時的應力值是沒有增加的，再加上焊接容器本身就具有連續性的特征，當外載荷移除之后，屈服變形的區域以及材料彈性變形區域也會在彈性的影響下回復，在這個過程中能夠有效的消除焊接容器的一部分殘余應力[4]。在采用超載法的實踐中發現，超載法不僅能夠消除容器焊接的殘余應力，同時相比與其他方法來說操作比較簡單，而且消除殘余應力的效果十分顯著，造價也比較低，具有較高的經濟性，超載法也是當今壓力容器中焊接殘余應力消除的主要方法。

2.4 設計措施消除殘余應力

對于壓力容器中焊接殘余應力的消除策略，還可以在容器焊接設計的過程中采取相應的措施。①減少焊縫的數量，容器的焊接殘余應力主要來源于焊接，尤其是焊縫數量過多的情況下，相應的焊接殘余應力也會隨之增加，因此，要盡量減少焊縫數量，這樣可以有效的降低容器的焊接殘余應力;②和合理布置容器的焊接縫，并盡量采用剛性較小的接頭，這樣可以在焊接的過程中，能夠降低焊接的殘余應力，避免殘余應力對焊接容器的影響。

2.5 工藝措施消除殘余應力

除以上幾種消除壓力容器焊接殘余應力的方式之外，還可以從工藝入手減小焊接殘余應力，盡量將焊接殘余應力控制到最低，這樣避免殘余應力對容器的影響。①要在壓力容器焊接順序以及焊接方向上進行控制，例如，要先對收縮量較大的焊接縫進行焊接、對受力較大的位置先對其進行焊接、對平面上存在交叉的位置進行先焊接等。②利用加熱的方式消除壓力容器焊接的殘余應力，可以根據實際的情況對容器進行局部加熱或整體加熱，主要是控制焊接處與整體結構之間的溫差，這樣可以有效的減少壓力容器的焊接殘余應力。③可以利用冷焊法降低焊接的殘余應力，主要原理也是對焊接處與整體結構之間的溫差進行控制，盡量將其控制在最低。

3.總結

壓力容器中焊接殘余應力的消除具有多種方法，如本文提到的輻射加熱法、錘擊法、超載法等，每種方法在消除焊接殘余應力的過程中都有著獨特的優勢，具體采用哪種方法要根據壓力容器焊接的實際情況以及用途來選擇，通過本文對壓力容器中焊接殘余應力消除策略的分析，焊接殘余應力與容器的焊接工藝、外形尺寸、焊接程序等有著直接的關聯，因此，在選擇消除焊接殘余應力的過程中，要對其他因素進行詳細的分析，這樣才能保證選取的焊接殘余應力消除法的經濟性、效益性。

參考文獻：

[1]劉國偉，尚世顯，黃文龍.焊接后熱與焊后熱處理溫度對焊接殘余應力松弛的試驗研究[J].壓力容器，2009（05）

[2]陳登豐.爆炸處理法消除焊接殘余應力[J].壓力容器，2012（01）

[3]羅利偉，付小超.焊接殘余應力的產生及其消除方法[J].山西建筑，2008（20）

[4]劉國偉，尚世顯，黃文龍.焊接后熱與焊后熱處理溫度對焊接殘余應力松弛的試驗研究[J]. 壓力容器，2013（05）