化工設(shè)備殘余應(yīng)力無損檢測(cè)方法

杜 非，劉懌歡，張晉軍，李菊峰

（1.天津鼎華檢測(cè)科技有限公司，天津 300192；2.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192）

0 引言

殘余應(yīng)力可導(dǎo)致金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞壽命下降等問題，是設(shè)備失效的主要誘因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力腐蝕開裂造成的設(shè)備事故在整個(gè)石化設(shè)備腐蝕破壞事故中的比例高達(dá)50%左右[1]。化工設(shè)備制造過程中的焊接等工藝將產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力，是生產(chǎn)環(huán)境下焊接接頭失效的重要誘因。化工設(shè)備在焊接后通常會(huì)進(jìn)行整體或局部熱處理以降低有害的殘余拉應(yīng)力，但一般不會(huì)對(duì)處理后的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，難以保證處理的有效性。因此，選擇適用于化工設(shè)備的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，可根據(jù)應(yīng)力值評(píng)估設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)、評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力的處理和改善，對(duì)提高設(shè)備的安全性能和使用壽命具有重要意義。

殘余應(yīng)力檢測(cè)方法可分為有損方法和無損方法兩大類。有損檢測(cè)方法是指移除被測(cè)對(duì)象的部分材料使殘余應(yīng)力得到釋放，通過測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)變實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測(cè)，包括剝層法[2]、全應(yīng)變釋放法[3]、環(huán)芯法[4]和鉆孔法[5]等。但該類方法對(duì)材料會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，對(duì)于安全性要求較高的化工設(shè)備難以應(yīng)用。因此，對(duì)于化工設(shè)備尤其是在用設(shè)備的殘余應(yīng)力，一般選擇無損方法進(jìn)行檢測(cè)。目前，已有部分學(xué)者對(duì)各類殘余應(yīng)力檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述和比較[6-8]，但并未結(jié)合化工設(shè)備的實(shí)際檢測(cè)條件進(jìn)行分析和評(píng)估。本文結(jié)合化工設(shè)備的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況，分析了化工設(shè)備對(duì)殘余應(yīng)力檢測(cè)方法的具體要求，對(duì)現(xiàn)有方法的技術(shù)特點(diǎn)和適用工況進(jìn)行了整理和總結(jié)，并對(duì)化工設(shè)備殘余應(yīng)力的檢測(cè)方案進(jìn)行了探討。

1 化工設(shè)備殘余應(yīng)力檢測(cè)要求

化工設(shè)備的殘余應(yīng)力主要源自加工過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。設(shè)備制造過程中，各部件在安裝或組裝前一般已分別經(jīng)過去應(yīng)力處理，因此在用設(shè)備的殘余應(yīng)力主要產(chǎn)生在焊接的接頭和修復(fù)部位，這些部位也是疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕等應(yīng)力敏感缺陷的高發(fā)區(qū)域。在選擇化工設(shè)備的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)條件、檢測(cè)部位和可操作性從以下方面予以考慮：

（1）可靠性。檢測(cè)方法應(yīng)具有較高的精度和魯棒性，對(duì)外部環(huán)境等干擾因素不敏感，在現(xiàn)場(chǎng)條件下依然具有良好的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和可靠性，為殘余應(yīng)力的處理和評(píng)價(jià)提供參考。

（2）易用性。化工設(shè)備體積較大，由于部分焊接需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，因此要求方法具有原位檢測(cè)能力，檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有較好的便攜性和靈活性，能夠滿足不同位置的檢測(cè)需求。

（3）檢測(cè)效率。化工設(shè)備焊縫數(shù)量較多，需要檢測(cè)方法具有較快的檢測(cè)速度以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。此外，現(xiàn)場(chǎng)條件下被測(cè)表面的預(yù)處理也應(yīng)視作檢測(cè)時(shí)間的一部分。

（4）設(shè)備成本。檢測(cè)方法應(yīng)具有相對(duì)較低的設(shè)備成本，包括一次性成本和后期使用、維護(hù)及耗材的開銷，以保證檢測(cè)方法可被推廣應(yīng)用。

2 殘余應(yīng)力無損檢測(cè)方法

由于殘余應(yīng)力屬于內(nèi)部應(yīng)力，在不破壞工件的前提下直接測(cè)量較為困難，因此通常通過測(cè)量與其相關(guān)的材料物性或晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以間接方式實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的無損檢測(cè)。現(xiàn)有方法主要包括壓痕應(yīng)變法、X 射線衍射法、中子衍射法、磁方法和超聲波法等。

2.1 壓痕應(yīng)變法

壓痕應(yīng)變法在工件表面壓入球型壓痕產(chǎn)生材料流變從而引起受力材料的松弛變形，在其誘導(dǎo)和材料殘余應(yīng)力的作用下，壓痕產(chǎn)生的彈塑性區(qū)和周圍應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生變化。通過測(cè)量?jī)煞N行為疊加產(chǎn)生的應(yīng)變量，可求解得到殘余應(yīng)力的大小，如圖1 所示[9]。為獲取求解過程中所需的材料力學(xué)參數(shù)，壓痕應(yīng)變法需采用與待測(cè)工件材料相同的試板進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 壓痕應(yīng)變法測(cè)量殘余應(yīng)力示意圖

可靠性方面，壓痕應(yīng)變法的影響因素較少，在標(biāo)定完善的情況下具有較好的測(cè)量精度，但由于采用計(jì)算求解，其對(duì)被測(cè)區(qū)域材料的一致性要求較高：對(duì)于材料均勻的母材區(qū)域，該方法具有較好的檢測(cè)效果；而對(duì)于材料成分復(fù)雜的焊縫區(qū)域，其檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到一定影響。易用性方面，壓痕應(yīng)變法設(shè)備體積較小，具有較好的便攜性，操作簡(jiǎn)單，但需要垂直固定壓痕設(shè)備，由人員操作對(duì)壓痕進(jìn)行導(dǎo)向，對(duì)被測(cè)點(diǎn)周圍及上方空間具有一定要求，對(duì)垂直、倒置的檢測(cè)部位操作較為困難。效率方面，壓痕應(yīng)變法需完成工件表面打磨、粘貼應(yīng)變片、對(duì)中壓痕等操作流程，檢測(cè)效率一般。成本方面，壓痕應(yīng)變法設(shè)備價(jià)格較低，具有良好的可推廣性。

2.2 X 射線衍射法

對(duì)于具有晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，殘余應(yīng)力將導(dǎo)致其晶面間距發(fā)生變化。X 射線衍射法則通過測(cè)量材料的晶面間距實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測(cè)[10]。X 射線照射材料表面時(shí)，當(dāng)射線波長(zhǎng)、入射角度、衍射晶格間距和衍射角符合布拉格定律時(shí)，在衍射角方向可接收到射線的最大衍射峰值，據(jù)此可以計(jì)算得到檢測(cè)點(diǎn)的晶面間距。根據(jù)彈性力學(xué)方程和材料晶格參數(shù)，即可求出被測(cè)點(diǎn)某一方向的應(yīng)力值，如圖2 所示。

圖2 晶體中X 射線的布拉格衍射

可靠性方面，X 射線衍射法具有較高的測(cè)量精度、空間分辨率和穩(wěn)定性，是目前最為成熟的殘余應(yīng)力無損檢測(cè)方法。但該方法對(duì)于大晶粒或織構(gòu)組織的材料檢測(cè)效果相對(duì)較差，有效測(cè)量深度僅有數(shù)十微米，難以獲取材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力信息。易用性方面，現(xiàn)已有小型化檢測(cè)設(shè)備可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，但需采取一定的射線防護(hù)措施。此外，X 射線衍射法為非接觸檢測(cè)方法，與被測(cè)點(diǎn)之間可具有一定的提離值，對(duì)一些空間較小的特殊結(jié)構(gòu)和部位具有較好的檢測(cè)效果。效率方面，該方法應(yīng)力測(cè)量時(shí)間僅需數(shù)十秒，但由于檢測(cè)深度極淺，因此對(duì)材料的表面預(yù)處理要求極高，常規(guī)打磨后還需進(jìn)行電解拋光，較大程度上影響了檢測(cè)效率。價(jià)格方面，該類設(shè)備價(jià)格相對(duì)較高，不同的檢測(cè)金屬還需采用不同靶材，一定程度上限制了該方法的推廣。

2.3 中子衍射法

中子衍射法與X 射線衍射法原理相似，均基于布拉格衍射原理通過測(cè)量材料的晶面間距實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測(cè)。與X 射線相比，中子具有更強(qiáng)的穿透能力，可對(duì)材料近表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)[11]。中子衍射應(yīng)力儀通過限束光學(xué)系統(tǒng)控制入射和接收中子束的寬度和位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)部位的選擇，典型檢測(cè)光路如圖3 所示。

圖3 中子衍射法檢測(cè)應(yīng)力的光路

可靠性方面，中子衍射方法理論成熟、結(jié)果準(zhǔn)確，其最大優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)材料表面及一定深度內(nèi)的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。易用性方面，中子衍射設(shè)備體積龐大，僅能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需求。效率方面，中子源的流強(qiáng)較弱，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，但試樣制備過程不需要精密的表面處理。成本方面，中子源裝置費(fèi)用極其昂貴，國(guó)內(nèi)裝置數(shù)量也極為有限，目前無法廣泛推廣應(yīng)用。

2.4 磁方法

磁方法是利用應(yīng)力對(duì)材料磁學(xué)特性的影響來實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的測(cè)量，適用于鐵磁性材料的殘余應(yīng)力檢測(cè)，常用方法包括電磁檢測(cè)法和磁噪聲法。

殘余應(yīng)力在鐵磁性材料中會(huì)產(chǎn)生磁各向異性，電磁檢測(cè)法即基于這一原理實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測(cè)[12]。該方法采用交流磁化激勵(lì)，對(duì)無應(yīng)力條件下等磁位點(diǎn)的磁位差進(jìn)行測(cè)量得到該處的殘余應(yīng)力值，如圖4 所示。為確定磁位差與應(yīng)力值之間的關(guān)系，電磁檢測(cè)法需采用與被測(cè)對(duì)象材料種類和化學(xué)成分相同，且具有相同熱處理?xiàng)l件的標(biāo)準(zhǔn)拉壓試樣進(jìn)行標(biāo)定。

圖4 電磁檢測(cè)方法中四極傳感器的磁極分布

磁噪聲法又稱巴克豪森磁噪聲法，其利用鐵磁性材料中應(yīng)力對(duì)巴克豪森信號(hào)的影響實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測(cè)[13]。在外磁場(chǎng)的作用下，材料內(nèi)部的磁疇壁將克服勢(shì)能壘發(fā)生不連續(xù)、跳躍式的運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生類似脈沖噪聲的磁信號(hào)，即巴克豪森噪聲。鐵磁材料中的殘余應(yīng)力會(huì)改變疇壁間距，影響巴克豪森噪聲信號(hào)的強(qiáng)弱。因此可通過對(duì)材料進(jìn)行交變磁化激勵(lì)，測(cè)量巴克豪森磁噪聲的參數(shù)來評(píng)估材料的殘余應(yīng)力。磁噪聲法同樣需要預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，以獲得噪聲信號(hào)特征和應(yīng)力值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

盡管兩種磁方法的檢測(cè)原理不同，但在技術(shù)特點(diǎn)方面較為相似。可靠性方面，兩種方法在準(zhǔn)確標(biāo)定的條件下均具有較好的檢測(cè)精度，但由于標(biāo)定試驗(yàn)需采用與被測(cè)對(duì)象材料、組織、熱處理狀態(tài)完全一致的試件，而實(shí)際上在制備標(biāo)定試件時(shí)很難保證所有因素完全一致，可能會(huì)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生一定的影響。易用性方面，兩種方法的探頭均可與主機(jī)分離，適合一些外部空間狹小部位的檢測(cè)，但對(duì)于大曲率表面和面積小于探頭的測(cè)試部位較難實(shí)現(xiàn)良好耦合，需設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的探頭進(jìn)行檢測(cè)。效率方面，磁方法具有較快的檢測(cè)速度，材料表面僅需平整、無銹蝕、磁屏蔽涂層或包覆層，可保證傳感器磁隙相同即可，檢測(cè)效率較高。成本方面，磁方法的設(shè)備價(jià)格尚可，后期維護(hù)簡(jiǎn)單，具有較好的可推廣性。

圖5 磁噪聲法檢測(cè)殘余應(yīng)力的原理

2.5 超聲檢測(cè)方法

超聲檢測(cè)方法利用殘余應(yīng)力對(duì)材料聲學(xué)特性的影響實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的測(cè)量。近年來，基于超聲臨界折射縱波的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法逐漸得到推廣應(yīng)用[14]。臨界折射縱波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ奶厥饪v波，其聲速對(duì)應(yīng)力較為敏感。當(dāng)聲束由第一臨界角入射時(shí)即可激發(fā)臨界折射縱波，采用另一探頭接收這一信號(hào)，根據(jù)探頭之間的距離和傳播時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)聲速的測(cè)量，如圖6 所示。超聲檢測(cè)方法同樣需要標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得聲速與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以計(jì)算得到殘余應(yīng)力的具體數(shù)值。相比電磁方法，超聲方法可對(duì)非鐵磁性材料進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)于大晶粒、聲衰減強(qiáng)烈的材料檢測(cè)效果較差。

圖6 超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法原理圖

可靠性方面，超聲方法具有較好的檢測(cè)精度，并且具有一定的檢測(cè)深度，可滿足表面和近表面的殘余應(yīng)力檢測(cè)需求。但該方法的檢測(cè)精度同樣受到標(biāo)定試驗(yàn)的影響，并且對(duì)溫度、耦合等因素較為敏感，因此在實(shí)施檢測(cè)時(shí)需要控制上述變量對(duì)精度的影響。易用性方面，超聲探頭同樣可與主機(jī)分離，具有較高的靈活性，但與磁方法類似，同樣存在大曲率表面和小面積測(cè)試點(diǎn)的耦合問題，需采用特制探頭或楔塊進(jìn)行檢測(cè)。效率方面，超聲方法具有較快的檢測(cè)速度，材料表面可使探頭良好耦合即可，處理要求較低。成本方面，超聲設(shè)備的價(jià)格略低于X 射線衍射設(shè)備，在應(yīng)用推廣方面存在一定的優(yōu)勢(shì)。

近期，部分基于激光超聲[15]和電磁超聲[16]的殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)開始逐漸出現(xiàn)。該類方法可實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的非接觸測(cè)量，降低對(duì)材料表面的要求，對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)具有較好的檢測(cè)效果。但該類技術(shù)聲波的指向性難以控制，目前僅適合檢測(cè)方向已知的一維應(yīng)力，距離成熟應(yīng)用還存在一定差距。

3 討論與總結(jié)

在對(duì)化工設(shè)備進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合檢測(cè)時(shí)機(jī)、部位以及技術(shù)特點(diǎn)選擇合適的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法。中子衍射法由于其無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，更多用于科學(xué)研究、工藝驗(yàn)證等領(lǐng)域。對(duì)于經(jīng)熱處理、表面處理而尚未焊接加工的母材檢測(cè)，可采用成本較低、較為方便的壓痕應(yīng)變法進(jìn)行檢測(cè)，以評(píng)估處理工藝對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果。對(duì)于焊接區(qū)域，對(duì)于外部空間較大，檢測(cè)點(diǎn)面積較小的部位，可采用X 射線衍射方法進(jìn)行檢測(cè)。而對(duì)于外部空間受限，檢測(cè)部位較為平整的區(qū)域，磁方法或超聲方法則更為適用。在實(shí)際應(yīng)用中，各方法可相互補(bǔ)充，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需求。

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)化工設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性要求也日益提升，殘余應(yīng)力引起的安全隱患也逐漸得到重視。通過對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，可為改善制造、加工和安裝工藝提供參考，并評(píng)估熱處理、噴丸、超聲沖擊等方法對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果，提高化工設(shè)備的安全性能和使用壽命，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合化工設(shè)備的檢測(cè)要求，根據(jù)現(xiàn)有殘余應(yīng)力檢測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)，探討了適用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)方案，可為化工設(shè)備殘余應(yīng)力的檢測(cè)、管理和評(píng)價(jià)提供參考。