設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝殘余應(yīng)力分析

彭放林 周偉

摘 要：設(shè)備構(gòu)件在制造加工過程中會受到多種工藝因素的影響，部分影響在設(shè)備構(gòu)件成型后仍不能消除，殘留在成型構(gòu)件內(nèi)形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是設(shè)備制造不可避免的影響因素，如何避免、消除殘余應(yīng)力的影響是大型工程設(shè)計、施工安裝中必須考慮的重要因素。該文對設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中存在殘余應(yīng)力的原因、可能存在的影響進行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出并分析了消除設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝中有害殘余應(yīng)力的手段，對大型工程設(shè)計和施工有著較為重要的實際意義。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)備 殘余應(yīng)力

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0100-02

設(shè)備構(gòu)件在制造加工過程中會受到多種工藝因素的影響，部分影響在設(shè)備構(gòu)件成型后仍不能消除，殘留在成型構(gòu)件內(nèi)形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是設(shè)備制造不可避免的影響因素，在實際工程中由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的失效案例很多[1-5]，因此，如何避免、消除殘余應(yīng)力的影響是大型工程設(shè)計、施工安裝中必須考慮的重要因素。

基于上述原因，該文中對設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中存在殘余應(yīng)力的原因、可能存在的影響進行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出并分析了消除設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝中有害殘余應(yīng)力的手段，對大型工程設(shè)計和施工有著較為重要的實際意義。

1 設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因

殘余應(yīng)力的來源主要由三類：加工中的塑性變形、加工中的溫度變化、加工中的化學變化。對于設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)的安裝而言，其殘余應(yīng)力主要來自于安裝過程中成型組裝、配合連接等工序中不可避免的工藝步驟，現(xiàn)分別分析如下。

1.1 成型組裝中的殘余應(yīng)力

對于大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的安裝，很多采用分段成型、運輸，在現(xiàn)場進行組裝的方式，以解決大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)不好運輸?shù)膯栴}。

對于煤氣柜、噴淋塔等大型設(shè)備，其殼體通常由多塊薄壁鋼板組合而成，這類鋼板在成型過程中通常承受彎曲變形。從鋼板的斷面分析，鋼板在承受純彎曲變形時，上部受拉應(yīng)力，下部受壓應(yīng)力，中間層變形不大通常為彈性區(qū)。對于鋼板中間彈性區(qū)來說，當外力取消時不會有殘余應(yīng)力；對于鋼板的上、下部位來說，通常會有不同程度的塑性變形，當外力取消后，這部分塑性變形不會消失，為平衡這部分塑性變形，鋼板內(nèi)部會存在相應(yīng)的殘余應(yīng)力。對于罐體、管道等彎曲、扭轉(zhuǎn)成型等多軸應(yīng)力狀態(tài)下的變形，和上述鋼板彎曲工序類似，可分解成單個方向的變形，每個方向存在的塑性變形在外力消除后存在殘余應(yīng)力。

另外，大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝中，存在大量的組裝工序，組裝過程中連接方式或安裝步驟的不合理容易產(chǎn)生間隙、角變形、錯位等缺陷，產(chǎn)生引起殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

1.2 配合連接中的殘余應(yīng)力

大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝中的連接方式，大多是采用螺栓連接和焊接兩種方式。

其中，螺栓連接按是否傳遞扭矩分為不傳遞扭矩、傳遞扭矩兩類。對于不傳遞扭矩的螺栓連接，主要依靠螺栓與連接件間的緊固力形成連接，如各螺栓的緊固力不同（過大或過小），會導(dǎo)致螺栓與連接件間的受力不均，受力大的部位產(chǎn)生殘余應(yīng)力。傳遞扭矩的螺栓連接，螺栓承受軸向力和剪切力，螺栓加工過程中的尺寸偏差，會導(dǎo)致受力不均，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。另外，高強度螺栓可通過連接件間的摩擦力來傳遞扭矩，摩擦力為摩擦系數(shù)與正應(yīng)力的乘積，因此，需要依靠較大的緊固力來獲得正應(yīng)力，螺栓與連接件的結(jié)合部分容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝中的焊接為熔化焊，包括熔化、結(jié)晶、固化等過程。在焊接過程中，焊接部位的溫差變化極大，屬于激熱激冷，不同溫度范圍區(qū)間內(nèi)的材料由于溫差會產(chǎn)生熱應(yīng)力，當熱應(yīng)力超過材料屈服極限時，材料產(chǎn)生塑性變形，溫差消失后即產(chǎn)生殘余應(yīng)力。除溫差外，焊接過程中金屬從液相向固相的轉(zhuǎn)化、熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變等，也會導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

2 殘余應(yīng)力對設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的影響

大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝中存在的殘余應(yīng)力對設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在對材料靜載強度、疲勞強度、剛度、穩(wěn)定性及抗腐蝕能力等方面，具體如下。

2.1 殘余應(yīng)力對靜載強度的影響

殘余應(yīng)力對材料靜載強度的影響主要由材料塑性變形能力決定，當材料具有足夠的塑性變形能力，殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜載強度沒有影響；當材料的塑性變形能力逐漸消耗轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)時，材料將不能產(chǎn)生足夠的塑性變形來均勻化應(yīng)力，應(yīng)力峰值累積增加，達到強度極限后使構(gòu)件發(fā)生失效，此時殘余應(yīng)力的存在會降低設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的靜載強度。

2.2 殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響

材料的疲勞破壞是指在低于屈服極限（高周疲勞）或抗拉極限（低周疲勞）的循環(huán)應(yīng)力載荷下，材料發(fā)生斷裂失效的行為。殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響類似于非對稱循環(huán)載荷時存在的平均應(yīng)力造成的棘輪效應(yīng)，拉伸殘余應(yīng)力降低疲勞強度，壓縮殘余應(yīng)力提高疲勞強度。對于壓力容器等大型設(shè)備而言，殘余應(yīng)力通常為拉應(yīng)力，會降低設(shè)備的疲勞強度；對于鋼結(jié)構(gòu)而言，拉、壓殘余應(yīng)力均可能存在，對疲勞強度的影響需根據(jù)具體情況進行分析。

2.3 殘余應(yīng)力對剛度及穩(wěn)定性的影響

對于鋼結(jié)構(gòu)而言，殘余應(yīng)力與外載產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，達到屈服極限后，材料產(chǎn)生局部的塑性變形，降低或散失結(jié)構(gòu)的有效承載面積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性下降。

2.4 殘余應(yīng)力對抗腐蝕能力的影響

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）是壓力容器等大型設(shè)備普遍存在的問題，其發(fā)生條件為存在拉伸殘余應(yīng)力的腐蝕介質(zhì)。對于反應(yīng)器等壓力容器，存在高溫堿洗等一系列的處理工藝，局部結(jié)構(gòu)存在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境因素，此時只要局部結(jié)構(gòu)存在拉伸殘余應(yīng)力，就有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，進而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

3 消除殘余應(yīng)力的措施

對于大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)，在設(shè)計、制造加工中應(yīng)避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，以免對后期安裝使用造成影響。同時，在設(shè)備制造加工中，對已有殘余應(yīng)力可采用相應(yīng)的措施進行殘余應(yīng)力消除，常用的方法有預(yù)熱、自然時效、回火（整體及局部高溫回火）、機械及溫差拉伸、振動等。

對于大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中的殘余應(yīng)力，可采用合理安排焊接順序、采用間斷焊、熱補償、減小焊縫尺寸及約束度、分步安裝等方法來避免產(chǎn)生過多的殘余應(yīng)力。

4 結(jié)語

殘余應(yīng)力是大型工程設(shè)計、施工過程中必須考慮的重要因素。文章對設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)安裝中成型組裝、配合連接等工序存在殘余應(yīng)力的原因、可能存在的影響進行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出并分析了消除設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)制造加工、施工安裝中有害殘余應(yīng)力的手段，對大型工程設(shè)計和施工有著較為重要的實際意義。

參考文獻

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