壓力容器中焊接殘余應(yīng)力的消除問(wèn)題分析

摘 要：壓力容器是能夠裝載液體氣體等物質(zhì)，而又能承載物質(zhì)所帶來(lái)的壓力的密閉容器，也是化工行業(yè)必不可少的儲(chǔ)存原料的設(shè)備儀器。焊接質(zhì)量是壓力容器能否使用和影響容器壽命的關(guān)鍵因素，因此消除殘余應(yīng)力是保障壓力容器質(zhì)量和化工企業(yè)員工人身安全和財(cái)產(chǎn)安全的重點(diǎn)之一，作者陳列出消除壓力容器的殘余應(yīng)力的對(duì)策，確切實(shí)施保障焊接技術(shù)的措施。

關(guān)鍵詞：壓力容器；殘余應(yīng)力；消除對(duì)策；熱處理

質(zhì)量過(guò)硬的壓力容器離不開(kāi)優(yōu)秀的焊接技術(shù)，而殘余應(yīng)力就是造成壓力容器在企業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)大量次品、不合格品的元兇之一。壓力容器在焊接的時(shí)候受到不均勻受熱的作用和影響，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力使壓力容器的材料變形。當(dāng)壓力容器本身的溫度和工作場(chǎng)所回復(fù)正常的溫度，壓力容器內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形無(wú)法恢復(fù)，留在壓力容器內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力就被稱(chēng)為殘余應(yīng)力。綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究壓力容器焊接殘余應(yīng)力的文獻(xiàn)資料，可以得到確切的是殘余應(yīng)力是不能在焊接過(guò)程中完全避免，其中蘊(yùn)含復(fù)雜的原因如焊接壓力容器的工藝、程序等等也會(huì)造成殘余應(yīng)力的分布不均，內(nèi)應(yīng)力的殘留大小也會(huì)不一樣。因此壓力容器內(nèi)不同殘余應(yīng)力的問(wèn)題有不同的消除方法。

1 壓力容器中焊接殘余應(yīng)力的消除對(duì)策

1.1 超載法

超載法作為最為經(jīng)常使用的消除壓力容器殘余壓力的方法不是沒(méi)有原因的。在條件得當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境對(duì)壓力容器施加不少于一次的外載荷，壓力容器的材料就會(huì)產(chǎn)生因載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力，再和壓力容器中原來(lái)就有的焊接殘余應(yīng)力疊加就形成一股新的合成應(yīng)力。這通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況：如果合成應(yīng)力低于壓力容器的材質(zhì)的屈服極限和合成應(yīng)力等于壓力容器材質(zhì)的屈服極限，而后者兩力的疊加就可以得到消除焊接殘余應(yīng)力的效果，壓力容器材質(zhì)就會(huì)形成塑性變形，外載荷數(shù)值越大，材質(zhì)產(chǎn)生塑形反應(yīng)越大。壓力容器是一體的、連續(xù)的，發(fā)生屈服變形和彈性變形的壓力容器位置就會(huì)在外載荷撤銷(xiāo)的時(shí)候回復(fù)，與此同時(shí)，也消除了數(shù)值等同于外載荷應(yīng)力大小的殘余應(yīng)力。

1.2 整體熱處理法

整體熱處理法是把已經(jīng)焊接完成的壓力容器整體施以高溫，并在某一溫度保持一段時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)臏囟韧嘶?，讓壓力容器?nèi)的焊接殘余應(yīng)力達(dá)到平衡，這就是所謂的整體熱處理法。而并不是熱量更高，高溫保持時(shí)間越久，就會(huì)得到更好地消除殘余應(yīng)力的效果。如果溫度太高，壓力容器內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)會(huì)有一定程度的破壞，就會(huì)影響操作者對(duì)壓力容器的使用，嚴(yán)重的還會(huì)有安全隱患。還有另外一種利用溫度消除殘余應(yīng)力的方法，就是利用低溫，據(jù)研究顯示，低溫對(duì)壓力容器的材料影響較小，針對(duì)某些焊接殘余應(yīng)力消除的特殊情況，可以嘗試低溫整體熱處理法。

1.3 局部熱處理法

局部熱處理法僅對(duì)壓力容器需要消除殘余應(yīng)力的特定部分進(jìn)行局部熱處理，也要經(jīng)過(guò)整體熱處理所經(jīng)的感應(yīng)加熱工序和冷卻工序。不過(guò)通常只針對(duì)焊接殘余應(yīng)力情況較為輕微的焊管接頭，局部加熱殘余應(yīng)力分布不均勻的位置，并且效果不如整體熱處理法理想，只能使殘余應(yīng)力分布更為平緩。

1.4 錘擊法

錘擊法最早被用來(lái)作為消除壓力容器殘余應(yīng)力的手段之一，流程是用錘子用力均勻地錘擊壓力容器的焊縫區(qū)和近縫區(qū)的因焊接殘余應(yīng)力而變形的位置，能讓壓力容器橫向塑性延伸，就會(huì)產(chǎn)生拉伸壓力容器內(nèi)殘余應(yīng)力的彈性應(yīng)變，就可減小或消除消除在壓力容器焊接時(shí)熱量所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。對(duì)于因焊接殘余應(yīng)力而造成的金屬裂紋也有一定的消除作用。

使用錘擊法時(shí)要控制好力度和速度，避免使壓力容器的金屬材質(zhì)進(jìn)行二次變化，以避免提高廢品產(chǎn)生的幾率。壓力容器的底部因?yàn)橐b載化工原料和承受一定壓力的緣故，因此盡量不要使用捶打法來(lái)錘擊壓力容器的底層，而且捶打要按程序分步實(shí)行，不可把捶打的程序一氣呵成，適度均勻地力量捶打要分好層次，才是消除壓力容器殘余應(yīng)力的良方。

1.5 爆炸法

爆炸法作為一種較為新型的消除壓力容器殘余應(yīng)力的處理工藝，消除殘余應(yīng)力效果良好，逐漸被推廣于各大化工企業(yè)。使用時(shí)把炸藥袋或混合字體放置于壓力容器殘余應(yīng)力殘留的焊縫區(qū)和近縫區(qū)，用引子將之安全引爆。那么炸藥在引爆之時(shí)會(huì)帶有高能量的沖擊力，壓力容器的材料就會(huì)因爆炸產(chǎn)生交互反應(yīng)，再和壓力容器中原來(lái)就有的焊接殘余應(yīng)力疊加就會(huì)得到釋放。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)值得一提，使用爆炸法不限于可以消除壓力容器殘余應(yīng)力，還能在焊接位置殘留壓應(yīng)力。爆炸消除殘余應(yīng)力，不僅能有消除壓力容器殘余應(yīng)力的作用，還能提高壓力容器作為材料承載器皿的抗壓水平，降低壓力容器在使用時(shí)的安全隱患?？墒窃谑褂帽ǚㄏ龎毫θ萜鞯臍堄鄩毫Φ臅r(shí)候要嚴(yán)格按照規(guī)范程序，以防爆炸的沖擊會(huì)對(duì)在場(chǎng)的工作人員造成人身傷害。

1.6 振動(dòng)消除法

振動(dòng)消除法是用震動(dòng)設(shè)備的激振器，并給與壓力容器焊接區(qū)進(jìn)行震動(dòng)，以此消除壓力容器殘余應(yīng)力的方法。震動(dòng)設(shè)備的主要零件是馬達(dá)，振動(dòng)應(yīng)力根據(jù)壓力容器的大小、形狀和重量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。原理為使用震動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力來(lái)讓壓力容器殘余應(yīng)力釋放。這種方法適用于戶(hù)外的作業(yè)環(huán)境，所需設(shè)備少，不需要再次處理因?yàn)楦邷責(zé)崽幚磉z留的問(wèn)題。

2 關(guān)于消除壓力容器殘余應(yīng)力的評(píng)估和建議

（1）壓力容器在焊接過(guò)程產(chǎn)生殘余應(yīng)力的情況不盡相同，而筆者上述的六種消除殘余應(yīng)力的方法也各有利弊，要根據(jù)場(chǎng)地、容器材質(zhì)和設(shè)備情況等等情況選擇合適消除殘余應(yīng)力的工藝。

（2）我們可以為壓力容器的殘余應(yīng)力設(shè)置數(shù)值，這使我們加深認(rèn)識(shí)殘余壓力?？墒菤堄鄳?yīng)力施加于壓力容器的損害，我們卻很難描述。因此制造壓力容器的時(shí)候要謹(jǐn)慎選材，仔細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，還要充分地考慮盡量不使殘余應(yīng)力大面積地發(fā)生，穩(wěn)定壓力容器的質(zhì)量和增加其使用壽命。

（3）綜合來(lái)說(shuō)，在常溫的工作環(huán)境使用超載法經(jīng)濟(jì)效益最大，因?yàn)槌d法操作方便，適用范圍廣；而整體熱處理法作為還在科研階段的消除壓力容器殘余應(yīng)力的方法，工藝現(xiàn)今使用還未成熟，操作過(guò)程復(fù)雜且成本高，還需投入大量的資源來(lái)建設(shè)設(shè)備，這并不能取得較大的經(jīng)濟(jì)性；錘擊法大多數(shù)作為輔助性工藝，不用整體投入使用；爆炸法和振動(dòng)法對(duì)設(shè)備要求較低，工藝并不繁復(fù)，既保障質(zhì)量又經(jīng)濟(jì)。

（4）壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與消除殘余應(yīng)力的作用息息相關(guān)。如果一味偏重壓力容器的設(shè)計(jì)工藝而不考慮焊接的可行性，就會(huì)有過(guò)多的后續(xù)要消除殘余應(yīng)力。設(shè)計(jì)不合理的焊件內(nèi)部產(chǎn)生的不平衡內(nèi)應(yīng)力，加劇焊接過(guò)程中的不均勻加熱；焊接的熱源對(duì)焊接的殘余應(yīng)力也有影響。熱源影響壓力容器的物理特性甚至是化學(xué)特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

壓力容器焊接技術(shù)的突飛猛進(jìn)，有賴(lài)于政府的政策大力支持和從事焊接技術(shù)工作的科研人員勤奮不懈的奮斗，也有賴(lài)于我國(guó)蓬勃發(fā)展的社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)給生產(chǎn)壓力容器的企業(yè)提供源源不斷的支持，也鼓勵(lì)其更好的改良推進(jìn)壓力容器消除殘余壓力的工藝，從而形成壓力容器一系列行業(yè)的良好循環(huán)。但是我們與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的焊接技術(shù)相比仍有不足之處，因?yàn)楦鞣N原因，我國(guó)壓力容器消除殘余應(yīng)力的技術(shù)薄，耗能大，技術(shù)不夠先進(jìn)。這更加要昂頭奮起直追，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)的距離，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌?？蒲型卣钩龈噌槍?duì)不同性質(zhì)，不同種類(lèi)壓力容器消除殘余應(yīng)力的方法，使壓力容器的質(zhì)量更佳，使用壽命更長(zhǎng)久。

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