設備及鋼結構安裝殘余應力分析

彭放林 周偉

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

關鍵詞：鋼結構 設備 殘余應力

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

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

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

1 設備及鋼結構安裝殘余應力產生原因

殘余應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。對于設備、鋼結構的安裝而言，其殘余應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，現分別分析如下。

1.1 成型組裝中的殘余應力

對于大型設備及鋼結構的安裝，很多采用分段成型、運輸，在現場進行組裝的方式，以解決大型設備及鋼結構不好運輸的問題。

對于煤氣柜、噴淋塔等大型設備，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，上部受拉應力，下部受壓應力，中間層變形不大通常為彈性區。對于鋼板中間彈性區來說，當外力取消時不會有殘余應力；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，鋼板內部會存在相應的殘余應力。對于罐體、管道等彎曲、扭轉成型等多軸應力狀態下的變形，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力。

另外，大型設備及鋼結構安裝中，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生間隙、角變形、錯位等缺陷，產生引起殘余應力的產生。

1.2 配合連接中的殘余應力

大型設備及鋼結構安裝中的連接方式，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），會導致螺栓與連接件間的受力不均，受力大的部位產生殘余應力。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，會導致受力不均，產生殘余應力。另外，高強度螺栓可通過連接件間的摩擦力來傳遞扭矩，摩擦力為摩擦系數與正應力的乘積，因此，需要依靠較大的緊固力來獲得正應力，螺栓與連接件的結合部分容易產生較大的殘余應力。

大型設備及鋼結構安裝中的焊接為熔化焊，包括熔化、結晶、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，不同溫度范圍區間內的材料由于溫差會產生熱應力，當熱應力超過材料屈服極限時，材料產生塑性變形，溫差消失后即產生殘余應力。除溫差外，焊接過程中金屬從液相向固相的轉化、熱影響區的組織轉變等，也會導致殘余應力的產生。

2 殘余應力對設備及鋼結構的影響

大型設備及鋼結構安裝中存在的殘余應力對設備及鋼結構的影響主要體現在對材料靜載強度、疲勞強度、剛度、穩定性及抗腐蝕能力等方面，具體如下。

2.1 殘余應力對靜載強度的影響

殘余應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，殘余應力對結構的靜載強度沒有影響；當材料的塑性變形能力逐漸消耗轉變為脆性狀態時，材料將不能產生足夠的塑性變形來均勻化應力，應力峰值累積增加，達到強度極限后使構件發生失效，此時殘余應力的存在會降低設備及鋼結構的靜載強度。

2.2 殘余應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）的循環應力載荷下，材料發生斷裂失效的行為。殘余應力對疲勞強度的影響類似于非對稱循環載荷時存在的平均應力造成的棘輪效應，拉伸殘余應力降低疲勞強度，壓縮殘余應力提高疲勞強度。對于壓力容器等大型設備而言，殘余應力通常為拉應力，會降低設備的疲勞強度；對于鋼結構而言，拉、壓殘余應力均可能存在，對疲勞強度的影響需根據具體情況進行分析。

2.3 殘余應力對剛度及穩定性的影響

對于鋼結構而言，殘余應力與外載產生的應力疊加，達到屈服極限后，材料產生局部的塑性變形，降低或散失結構的有效承載面積，導致結構的剛度及穩定性下降。

2.4 殘余應力對抗腐蝕能力的影響

應力腐蝕開裂（SCC）是壓力容器等大型設備普遍存在的問題，其發生條件為存在拉伸殘余應力的腐蝕介質。對于反應器等壓力容器，存在高溫堿洗等一系列的處理工藝，局部結構存在腐蝕介質的環境因素，此時只要局部結構存在拉伸殘余應力，就有可能產生應力腐蝕，進而導致應力腐蝕開裂。

3 消除殘余應力的措施

對于大型設備及鋼結構，在設計、制造加工中應避免產生較大的殘余應力，以免對后期安裝使用造成影響。同時，在設備制造加工中，對已有殘余應力可采用相應的措施進行殘余應力消除，常用的方法有預熱、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。

對于大型設備及鋼結構安裝過程中的殘余應力，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生過多的殘余應力。

4 結語

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

參考文獻

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