探討減少壓力容器焊接應(yīng)力的相關(guān)方法

摘要：研究證明，焊制的壓力容器的焊接區(qū)存在著極大的殘余應(yīng)力。該殘余應(yīng)力的峰值大小和分布狀態(tài)會直接對壓力容器產(chǎn)生不良影響。所以，本文筆者探討了減少壓力容器焊接殘余應(yīng)力的方法，希望能提高壓力容器的制造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：壓力容器；焊接應(yīng)力；方法

隨著生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，壓力容器的工作環(huán)境越來越苛刻。壓力從高真空到幾萬個大氣壓，溫度從超低溫到高溫，尺寸也不斷變大，結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，我們知道壓力容器所處理的介質(zhì)通常是易燃、易爆或有毒的，所以如果由于壓力容器質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致發(fā)生事故，將給公共財產(chǎn)和人民生命安全帶來不可估量的損失。因此，當(dāng)前加快研究減少壓力容器焊接應(yīng)力的方法，加強(qiáng)壓力容器的制造質(zhì)量控制是重中之重。

1.壓力容器焊接應(yīng)力的產(chǎn)生與危害

在壓力容器制造過程中，焊接和熱處理是兩個關(guān)鍵工序。在壓力容器焊接時會產(chǎn)生三種附加的內(nèi)應(yīng)力，分別是焊接接頭各部位因受熱和冷卻的速度不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力、金相組織變化產(chǎn)生的組織應(yīng)力以及施焊時壓力容器結(jié)構(gòu)本身的約束產(chǎn)生的拘束應(yīng)力。若焊接工藝控制不當(dāng)，這此應(yīng)力就容易變大導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。除此之外，因為下料尺寸公差等級不高，加上材料冷熱加工不當(dāng)，就使受壓部件的成形尺寸變差，如果再采用強(qiáng)制組裝焊接的方法，還將會引起附加強(qiáng)制組裝應(yīng)力的產(chǎn)生。在一定條件下，這些應(yīng)力會影響壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的性能，產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞效果。很長一段時間以來，減少壓力容器焊接應(yīng)力的傳統(tǒng)方法是采用焊后熱處理，直到今天它仍然是改進(jìn)焊接接頭質(zhì)量的一種重要方法。當(dāng)然，隨著現(xiàn)代技術(shù)不斷發(fā)展，焊后熱處理已經(jīng)不是惟一的方法，接下來筆者對幾種當(dāng)前常用的方法加以簡要介紹。

2.減少壓力容器焊接應(yīng)力的幾種方法

2.1焊后熱處理

焊后熱處理，又叫降低應(yīng)力熱處理。這種方法在很久以前就被應(yīng)用于提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量中，并且它的使用在世界各國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程中都作了明確規(guī)定。焊后熱處理分為局部焊后熱處理和整體焊后熱處理兩種。整體焊后熱處理又分為整體爐內(nèi)和整體爐外焊后熱處理，其中整體爐內(nèi)焊后熱處理在條件許可的情況下可以把整個容器放入加熱爐內(nèi)進(jìn)行整體熱處理，它減少應(yīng)力的效果十分明顯，具有加熱和保溫均勻、溫度場易于控制的優(yōu)勢。且它減少應(yīng)力的程度能夠通過溫度高低和保溫時間長短來進(jìn)行調(diào)節(jié)。不容忽視的是，熱處理是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，它需要消耗大量的能源和采取正確的熱處理工序，因此它也具有消耗熱能大、費用較高的缺點。而局部焊后熱處理則是對環(huán)焊縫進(jìn)行減少應(yīng)力的處理，它并不是簡單應(yīng)用局部烘烤的辦法，相反是對整體環(huán)縫進(jìn)行處理，較適用于一些大型的壓力容器以及不能進(jìn)行整體焊后熱處理的場合。

2.2機(jī)械減少應(yīng)力處理

機(jī)械降低應(yīng)力處理主要是采用振動的方法，具體地說就是把激振器放在壓力容器中或者焊補(bǔ)位置上，利用控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后通過激振器反復(fù)對工件施加周期性載荷，迫使工件在其共振范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，經(jīng)過一段時間后就能達(dá)到強(qiáng)化金屬基體、減少應(yīng)力的目的。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，采用這種振動的方法來減少殘余應(yīng)力的效果能夠達(dá)到70%左右，這一方法的主要優(yōu)勢是它克服了熱處理減少應(yīng)力所引起的容器變形、耗能多、耗資大等缺點，除此之外，它還具有尺寸精度穩(wěn)定的優(yōu)勢，因此在當(dāng)前的應(yīng)用中十分普遍。

2.3爆炸沖擊法

爆炸沖擊法是在高溫動態(tài)沖擊波的作用下，容器制作材料的強(qiáng)度是隨壓力、溫度和應(yīng)變率的變化而變化的一個參數(shù)，它利用爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用力與工件殘余應(yīng)力的相互疊加產(chǎn)生的合成應(yīng)力，使工件產(chǎn)生塑性變化，以此達(dá)到釋放和減少焊接應(yīng)力的目的。在處理過程中，通過引爆安置在焊縫和它周圍的爆炸帶，就會產(chǎn)生巨大的爆炸沖擊波，這些沖擊波在工件內(nèi)部連續(xù)反復(fù)地加載和卸載，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形，實現(xiàn)減少工件殘余應(yīng)力的效果。這一方法的最大好處在于能夠有效地減少焊接應(yīng)力，還能提高焊接接頭與拉應(yīng)力相關(guān)的破壞抗力，以適用各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境。

2.4液壓超壓消應(yīng)法

液壓超壓消應(yīng)法也可稱為超載法和機(jī)械拉伸法。它是指在可控條件下，對壓力容器施加一次或多次比其工作狀態(tài)下稍大的外載荷，進(jìn)而使外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與壓力容器的焊接應(yīng)力相互疊加，也就是借助液體壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力來減少焊接應(yīng)力，使之從不穩(wěn)定的狀態(tài)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)。如果疊加后的合成應(yīng)力比材料屈服極限低，出現(xiàn)彈性狀態(tài)，應(yīng)力與應(yīng)變則變成直線關(guān)系；如果疊加后的合成應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到材料屈服的極限，那么局部區(qū)域就會產(chǎn)生塑性變形，外加應(yīng)力值也會逐漸變大。相應(yīng)地，合成應(yīng)力達(dá)到屈服極限的范圍越大，產(chǎn)生塑性變形的范圍也會隨之變大，但是此時的應(yīng)力值并沒有增加，接下來開始卸除外載荷，屈服變形和彈性變形的區(qū)域就會恢復(fù)彈性狀態(tài)，這樣一來就很好地減少了壓力容器內(nèi)部的焊接應(yīng)力。這種方法在實際運用中也收到了良好的效果，操作起來方便快捷、經(jīng)濟(jì)適用，關(guān)鍵是效果顯著，不但做了質(zhì)量檢驗，又極大地減少了應(yīng)力，真可謂一舉兩得。

3.結(jié)束語

綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)，這些減少壓力容器焊接應(yīng)力的方法各自都有其獨特優(yōu)勢。在實際生產(chǎn)中運用這些方法時，我們應(yīng)當(dāng)綜合考慮耗資、耗能、便捷性、工時以及減壓效果等多方面的因素，慎重選用其中最合適的方法，這樣才能達(dá)到最佳的處理效果。

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作者簡介：馬黎（1976-），男，漢族，江西省核工業(yè)地質(zhì)局機(jī)械研究所，從事焊接工藝及設(shè)備的研究。