淺談壓力容器制造過程中產(chǎn)生的殘余應力及其測量

董 樑*

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院）

0 引言

壓力容器是化工、石油和電力等各個行業(yè)的關鍵設備。 壓力容器的制造過程涉及多個階段，包括材料加工、焊接和裝配。在這些過程中，殘余應力會殘留在材料中，影響壓力容器的性能和安全。殘余應力是在施加外部載荷或經(jīng)受不均勻的加熱及冷卻后材料中殘留的應力。如果殘余應力超過材料的屈服強度，就會導致部件變形、開裂甚至失效。本文全面回顧了壓力容器制造中產(chǎn)生的殘余應力情況以及可用于測量這些應力的技術，探討了壓力容器制造中殘余應力的各種來源，包括材料加工、焊接和裝配，還將可用于測量壓力容器殘余應力的技術進行了比較，主要包括 X 射線衍射法、中子衍射法和鉆孔法。

1 壓力容器制造中殘余應力的來源

在制造的各個階段，包括材料加工、焊接和組裝過程，殘余應力可能會引入壓力容器部件中。由于不均勻變形或熱梯度影響，材料加工（例如軋制或鍛造）可能會產(chǎn)生殘余應力；由于不均勻冷卻、相變和冶金變化，焊接也會使材料產(chǎn)生殘余應力，由于螺栓或夾緊力的不均勻擰緊，裝配過程也會導致殘材料產(chǎn)生余應力。

1.1 材料加工

由于不均勻變形、熱梯度或相變，材料在加工過程中可能會產(chǎn)生殘余應力。例如，軋制或鍛造會由于不均勻的變形和冷卻速率而產(chǎn)生殘余應力。不同形式的熱處理過程可能會使材料出現(xiàn)熱梯度，導致材料中產(chǎn)生熱應力和殘余應力[1]，熱處理時的相變也會因體積變化而產(chǎn)生殘余應力。國內(nèi)外研究者們還發(fā)現(xiàn)，彎曲和軋制等成型工藝會使材料產(chǎn)生顯著的殘余應力，特別是在高曲率區(qū)域。成型過程中產(chǎn)生的殘余應力是由于材料變形和幾何形狀變化引起的應力重新分布[2]。

1.2 焊接

由于不均勻冷卻、相變和金相組織變化，焊接會使材料產(chǎn)生殘余應力。在焊接過程中，材料承受高溫，這會導致其內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的冷卻速率和熱梯度，從而導致殘余應力。在焊接過程中材料也會發(fā)生相變，這會導致其產(chǎn)生體積變化和殘余應力[3]。金相組織變化（例如晶粒生長）也會影響材料中的殘余應力。研究顯示[4]，焊接是壓力容器殘余應力的主要來源，焊接區(qū)域的殘余應力水平最高。焊接過程中材料經(jīng)歷了快速加熱和冷卻過程，導致其中形成了復雜的微觀結構和大量的塑性變形，這是也是殘余應力較高水平的原因。

1.3 裝配

由于螺栓或夾緊時擰緊不均勻，裝配過程可能會導致材料產(chǎn)生殘余應力。在裝配過程中，如果螺栓擰緊時施力不均勻，或者夾緊力分布不均勻，就會使材料產(chǎn)生殘余應力。殘余應力的大小和分布取決于緊固扭矩或夾緊力以及材料的剛度。

另一方面，研究發(fā)現(xiàn)熱處理工藝對壓力容器中的殘余應力分布具有相對較小的影響。這是因為熱處理過程通常涉及緩慢且受控的加熱和冷卻，這使材料松弛并最大限度地減少了殘余應力的積累[5]。

總的來說，在壓力容器制造過程中應仔細考慮使用的制造工藝的重要性，特別是焊接和成型工藝，這些工藝常常是殘余應力的主要來源。了解殘余應力的來源及測量方式可用于指導制造工藝的設計和優(yōu)化，最大限度地減少殘余應力并提高壓力容器的性能和可靠性。

2 壓力容器殘余應力測量技術

目前，多種技術可用于測量壓力容器中的殘余應力，包括 X 射線衍射法、中子衍射法和鉆孔法。這些方法可以完整了解材料中殘余應力的分布情況。X 射線衍射法是測量壓力容器中殘余應力最廣泛的技術，因為其具有高精度、非破壞性以及對材料中殘余應力分布的完整了解的能力。中子衍射法也同用于測量殘余應力，特別是在厚壁部件中，但由于成本高且可用范圍有限，因此應用較少。鉆孔法是一種半破壞性技術，需在材料中鉆一個小孔并測量孔周圍的應力釋放情況。這種方法不如 X 射線或中子衍射準確，但更簡單且更經(jīng)濟。多種技術均可用于測量壓力容器中的殘余應力，且每種技術各有優(yōu)缺點[6]。

2.1 X射線衍射法

X 射線衍射法是測量壓力容器殘余應力最廣泛使用的技術。該技術基于以下原理：當晶體暴露在 X射線中時，會以晶體結構特有的特定模式散射 X 射線。通過測量衍射圖案，可以確定晶體的晶格間距，并據(jù)此計算材料中的殘余應力[7]。

在 X 射線衍射法中，材料的一小塊區(qū)域暴露在X 射線線束下，然后使用檢測器測量產(chǎn)生衍射圖案。然后分析衍射圖案，并使用彈性方程計算殘余應力。這種方法是非破壞性的，可以對材料中殘余應力分布進行完整了解。然而，該方法需要專門的設備和專業(yè)知識，并且該方法的準確性在很大程度上取決于 X射線衍射數(shù)據(jù)的質量。

2.2 中子衍射法

中子衍射法是另一種測量壓力容器中殘余應力的技術。該技術與 X 射線衍射法原理相同，但使用中子而不是 X 射線來確定晶體的晶格間距。中子比X 射線具有更強的穿透深度，這使得該技術特別適用于厚壁部件[8]。

中子衍射法中是將一束中子射向材料，并使用檢測器測量由此產(chǎn)生的衍射圖案。然后根據(jù)衍射圖確定晶體的晶格間距，并且使用彈性方程計算殘余應力。這種方法也是非破壞性的，但比 X 射線衍射法更昂貴且應用范圍更廣。

2.3 鉆孔法

鉆孔法是一種半破壞性的壓力容器殘余應力測量技術。這種方法需在材料上鉆一個小孔，從而釋放孔周圍的應力。然后使用應變計測量孔周圍的變形，并使用彈性方程式計算殘余應力。

鉆孔方法不如 X 射線或中子衍射準確，但更簡單且更經(jīng)濟。該方法還可以在現(xiàn)場使用，是現(xiàn)場測量殘余應力的便捷方法。但需要注意的是，該方法只能測量孔所在位置的殘余應力，該方法的精度取決于孔的大小和位置[9]。

3 殘余應力測量技術優(yōu)缺點比較及影響因素討論

3.1 不同技術測量殘余應力的比較

X 射線衍射和中子衍射都是非破壞性技術，均使用衍射圖案來測量由殘余應力引起的應變情況。由于其高精度、易用性和可用性，X 射線衍射是殘余應力測量領域中常用的技術。適用于常規(guī)容器筒體、封頭部位的殘余應力測試。但這種方法對測試表面要求較高，對于結構復雜或幾何不連續(xù)處的應用有局限性。與 X 射線衍射相比，中子衍射是一種更先進的技術，能夠測量材料中更深處的殘余應力，應用范圍更廣且價格更高。這種方法適用于厚壁高壓容器筒壁或封頭處的殘余應力測試。鉆孔法是一種破壞性技術，需在材料中鉆孔并使用應變計測量由殘余應力釋放引起的應變[10]。與 X 射線和中子衍射相比，這是一種更簡單且更經(jīng)濟的方法，并且其應用不受容器結構形狀的限制，對于局部幾何不連續(xù)處，鉆孔法具有一定優(yōu)勢。但其僅限于測量材料表面附近的殘余應力，并且會因去除材料而存在誤差。研究結果表明，X 射線衍射和中子衍射均可有效測量壓力容器中的殘余應力，其中 X 射線衍射較為常用。鉆孔法是一種更簡單且更經(jīng)濟的替代方法，但在解釋結果時應考慮其有限的深度和潛在的錯誤。

總的來說，壓力容器殘余應力測量技術的選擇應基于對應用場合、測量精度和深度以及不同技術的適用性和成本的綜合考慮。

3.2 影響殘余應力測量精度和可靠性的因素

綜合國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)影響壓力容器殘余應力測量準確性和可靠性的因素較多。以下分別從樣品制備、測量技術、數(shù)據(jù)分析和環(huán)境因素進行討論。

樣品制備對殘余應力測量的準確性和可靠性起著至關重要的作用。材料的表面狀況和測量方向相對于材料微觀結構的對齊方式會顯著影響測量結果。因此必須仔細準備樣品，以去除可能影響測量的任何表面損壞或污染。

測量技術是影響殘余應力測量準確性和可靠性的另一個關鍵因素。選擇合適的測量技術取決于需要測量的殘余應力的類型和深度。不同的技術各有優(yōu)勢和局限性，應根據(jù)具體應用選擇合適的技術。

數(shù)據(jù)分析對于確保殘余應力測量的準確性和可靠性也至關重要。應使用適當?shù)臄?shù)據(jù)分析技術（如峰值擬合和殘余應力計算）對衍射圖案或應變測量進行解釋，確保結果準確、可靠。

溫度、濕度和振動等環(huán)境因素也會影響殘余應力測量的準確性和可靠性。這些因素會在測量中引入誤差或影響用于測量的設備的穩(wěn)定性。適當?shù)沫h(huán)境控制對于確保準確可靠的測量是必要的。

研究結果表明，壓力容器殘余應力測量的準確性和可靠性受多種因素影響，包括樣品制備、測量技術、數(shù)據(jù)分析和環(huán)境因素。應仔細考慮和優(yōu)化這些因素，確保準確可靠地測量殘余應力，這對于壓力容器的安全高效運行至關重要。

4 結論

本文主要對壓力容器制造過程中產(chǎn)生的殘余應力及其測量技術進行了比較分析。通過對不同測量方法的優(yōu)缺點進行了詳細闡述，并得出以下結論。

首先，在制造的各個階段，包括材料加工、焊接和組裝，殘余應力可能會引入壓力容器部件中，對于不同工藝流程，不同原因形成的殘余應力應選擇合適的測試方法進行測試。其次，X 射線衍射法、中子衍射法、鉆孔法是目前應用比較廣泛的非破壞性測量方法。前兩種方法均具有高精度、高靈敏度、非接觸性等優(yōu)點，且可適用于多種材料的測量；同時，也存在著各自的局限性，如X射線衍射法受樣品的晶體結構、厚度等因素的影響，而中子衍射法則需要在大型中子源實驗室中進行。而鉆孔法是一種更簡單且更經(jīng)濟的方法，并且不受容器結構形狀限制，對于局部幾何不連續(xù)處，或者壓力容器制造試板的殘余應力測試方面，鉆孔法具有一定優(yōu)勢。

最后，未來的研究方向可以從以下幾個方面進行探索：

（1）發(fā)展更高精度的殘余應力測量方法，針對X射線衍射法和中子衍射法存在的局限性，可以進一步探索新的測量方法，如激光衍射法、電子衍射法等；

（2）拓展應用領域，當前殘余應力的研究主要集中在壓力容器制造領域，但殘余應力在材料加工、機械制造等領域也有著廣泛應用，未來可以將殘余應力的研究拓展到更多領域；

（3）提高測量效率，X 射線衍射法和中子衍射法雖然精度較高，但測量時間長。可以研究新的算法和技術，提高測量效率，以更好地適應工業(yè)生產(chǎn)的需求。

綜上所述，殘余應力的測量和分析對于壓力容器的制造和使用具有重要意義。未來的研究方向應該圍繞著提高測量精度和擴展應用領域，同時也需要考慮測量效率和成本的問題。相信隨著技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，殘余應力測試在壓力容器制造領域將會得到更加深入和廣泛的應用。