压力容器消除焊接应力技术评述

压力容器消除焊接应力技术评述 艾景辉 (哈尔滨空调股份有限公司,黑龙江 哈尔滨150088) 摘 要:从压力容器焊接应力的形成以及可能产生的危害入手,综合国内实际应用情况,对几 种常用的压力容器消除焊接应力技术进行了阐述和评价,指出了一些存在的问题并提出了建议。 关键词:压力容器;焊接残余应力;热处理 中图分类号:TH49 文献标识码:B 文章编号:1009 - 3230(2007)07 - 0037 - 03 Technique Assess of Welding Stress Relief of Pressure Vessel AIJing - hui ( HARBIN AIR CONDITIONING CO.LTD. ,HARBIN150088) Abstract : Stating and remarkingon popular technique of welding stress relief of pressure vessel and point2 ing out some existing issues and proposals based on forming Remaining Stress of Welding; Heat Treatment 1 前言 研究证明,焊制的压力容器,焊接区均存在着 较大的残余应力。焊接残余应力的峰值大小、 分布 状态直接对容器的疲劳破坏和应力腐蚀开裂等产 生不良影响。因此需要确定合理的消除(或减少) 焊接残余应力的对策,使压力容器在制造时,保证 质量、 经济合理;在役时,安全运行、 杜绝事故。 2 焊接残余应力的形成及危害 在焊接过程中,一方面由于不均匀加热的温 度梯度造成焊接区冷却收缩而产生热应力,另一 方面由于在冷却中组织的转变引起的体积变化而 造成了组织应力,这样焊件在冷却过程中由于焊 接区体积变化受阻,即使温度回到原始的均匀状 态以后,内应力仍然残留在结构中,这就是焊接残 余应力。它的危害: 表现在焊接区收缩时因受 阻而发生拉应变,当超过材料的最大拉应变(产生 断裂的拉应变)则会在焊接区造成裂纹,当残余应 力与焊缝中残存的氢结合时,还会促使热影响区 收稿日期: 2007 - 06 - 07 修订稿日期: 2007 - 06 - 11 作者简介:艾景辉(1974 ) , 男,哈尔滨人,哈尔滨空调股份 有限公司工程师,做工艺开发和研究工作。 硬化,导致冷裂纹及延迟裂纹的产生; 焊接残余 应力的存在还会降低焊接区金属的塑性和抗疲劳 强度,这对承受动载荷的结构危害很大;同时当残 余应力与特定介质的腐蚀作用结合时,还会引起 裂纹状腐蚀,即所谓应力腐蚀,研究结果表明,变 形和残余应力对金属材料的主要影响,在于使金 属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀,即转变为晶间或 穿晶腐蚀。 3 常用的消除应力技术及评价 目前国内消除焊接应力技术主要包括热处理 法、 冲击法(振动时效、 爆炸法、 锤击、 喷丸、 豪克能 超波冲击等)以及机械拉伸法(液压过载法、 温差 拉伸法等 ) , 以下介绍几种常用的压力容器消除焊 接应力技术。 3.1 消除应力热处理 它是将容器加热到550650,最高不能超 过材料的相变点或钢材自身的回火温度,保温一 段时间后缓慢冷却的过程。当钢材的温度升高 时,其屈服强度下降,这样原有的弹性应变会成为 塑性应变,从而使应力松弛。消除应力热处理质 量的好坏关键在于对加热温度,保温时间以及温 732007年第7期(总第115期) 应用能源技术 度的均匀性等工艺参数进行控制。热处理的温度 越高,保温时间越长,应力消除的越彻底,研究证 明,经过消除应力热处理后工件的应力一般能消 除60 %80 %以上。目前此项技术主要包括以 下3项: 3.1.1 炉内整体热处理 为使各个工艺参数得 到良好的控制,将工件封闭在炉内进行加热是最 好的办法。进行处理时原则上需要将工件一次整 体入炉,但在满足标准要求的情况下也允许两次 或多次入炉,但必须保证重复热处理的区域符合 标准要求并采取有效措施控制加热区以外的温度 梯度。加热炉大多采用燃气(油)加热,也有少量 采用电加热的方式,但不论采取何种加热方式其 设备投资都比较大,只有少数企业具备条件,因此 不适于处理一些较大的工件,如贮罐等。 3.1.2 炉外整体热处理 对于尺寸较大结构复 杂的容器,无法进入炉内进行整体热处理,那么可 以采取炉外整体热处理的方式。大多采用容器内 加热的方法,即将加热元件置于容器内,通过辐射 及对流换热对整个容器进行加热。容器内加热分 为电加热以及燃油(气)加热。电加热一般将板式 远红外电加热器置于容器内部,主要以辐射换热 为主,通过热电偶反馈信号至控制回路控制加热 器的输出以达到规定的工艺参数,其自动化程度 较高,但设备投入和对电力的消耗很大。燃油 (气)法加热是以容器内部喷射燃料燃烧进行加 热,通过形成燃烧产物的回转气流,利用辐射及对 流对整个容器进行加热,此方法应用比较多,但很 容易在容器内形成不均匀的加热区,虽然有些单 位在设计系统时增加了挡流板,但仍然不能保证 内腔温度的均匀性。个别单位虽然在重点部位加 装了远红外电加热器,但也无法从根本上解决问 题。针对燃油(气)法的一些弊端,国内还发展了 增压旋转反射燃油加热,获得了满意的效果。 3.1.3 局部热处理 其工作原理与整体热处理 相同,目前多采用红外板式加热器或履带式电加 热器直接加热焊缝,也有采用气体或感应加热的, 其质量控制的关键是控制加热区的宽度和温度梯 度。由于是局部加热,消除残余应力的效果不如 整体热处理,只能降低内应力的峰值,使应力分布 比较平缓,而不能从根本上消除,但可以改善焊接 接头的力学性能。鉴于G B150 - 1998钢制压力 容器10.4.5.3中 “B、C、D类焊接接头,球形封头 与圆筒相连的A类焊接接头以及缺陷焊补部位, 允许采用局部热处理方法”,的规定,局部热处理 的处理对象往往受到局限。 焊后热处理由于其消除应力比较彻底,同时 具有改善焊接接头的机械性能、 防止延迟裂纹的 产生并能增强焊接接头的抗疲劳、 抗腐蚀性能等 优点,是目前压力容器制造行业唯一被大家所认 同的焊后消除应力方式。但其设备投资和能源消 耗都比较大,而且工期长,工件氧化严重,这样就 限制了该技术在一些压力容器制造单位的应用。 3.2 振动时效 它是将激振器置于容器或焊补位置,利用控 制系统控制电机转速,通过激振器反复对工件施 加周期性载荷,以机械方式迫使工件在其共振范 围内产生共振,当材料屈服极限条件成立时,则造 成工件中残余的高峰值处产生微小塑性变形,使 得工件内部残余应力峰值降低,并使残余应力重 新均化分布,从而达到释放应力的目的。 国内在70年代开始研发振动时效技术,但真 正应用到压力容器消除焊接应力处理方面还是在 80年代之后,已有许多成功案例。同消除应力热 处理法相比,振动时效设备投资少,能耗降低 90 % ,工期也从原来的10余小时缩短至1小时之 内,而且其无氧化,尺寸精度稳定,其应力消除效 果已达到或接近热处理的效果,国内研究证明,采 用振动时效处理可消除应力50 %70 %。但目 前振动时效技术在设备的可靠性以及自动控制程 度还较低,并且对于是否能对材料造成其它方面 的缺陷,例如疲劳损伤等方面缺乏必要的验证。 3.3 爆炸法 爆炸法消除应力处理就是通过计算和合适的 布置,利用少量炸药爆炸时产生的高温和巨大压 力对工件进行处理。一方面在紧靠炸药的焊缝 区,由于爆炸冲击载荷与残余应力叠加而超过了 材料的动态屈服强度,随即产生塑性变形,原始残 余应力开始释放,同时,应力波经23次的反射 后,或在压力容器的其它部位应力波的峰值与残 余应力叠加虽小于材料的动态屈服值,但由于振 动产生的消除应力的效果,可使压力容器各部分 的残余应力都产生不同程度的降低。 爆炸法在原东欧国家应用较多,在国内压力 容器制造中也有多个成功案例。爆炸法成本很 低,工期短,对设备和场地几乎没有要求,从质量 上讲不但可以有效消除焊接残余应力,而且在处 理区域可以形成一定的压应力。但爆炸法是利用 83 应用能源技术 2007年第7期(总第115期) w w w . b z f x w . c o m 爆炸冲击波在极短的时间内对材料给予强烈的冲 击,材料受到的加载速度非常大,当焊缝表面质量 不好的情况下有应力集中的尖端很容易产生脆性 裂纹扩展,国内就有企业发生过分别采用整体热 处理和爆炸法消除焊接应力的贮罐,在相同工况 下工作一年后,在爆炸法消除应力的贮罐焊缝中 发现裂纹而经过整体热处理的贮罐焊缝完好的情 况。由于缺乏必要的深入的研究,虽然同消除应力 热处理相比该技术具有一定的优越性,但其应用和 控制的准确性和可靠性方面还不能使人完全信服, 因此并未在整个压力容器制造行业得到推广。 3.4 液压超载法 可控条件下,对容器施加一次或多次比其工 作状态下稍大的外载荷。该载荷形成的应力与容 器局部存在的焊接残余应力叠加,当合成应力达 到材料屈服极限时,局部区域便产生了塑性变形, 随着外加应力值的增加,合成应力达到屈服极限 的范围增大,产生塑性变形的范围也应相应增大, 但应力值没有增加或增加不多。由于容器本身是 连续的,在外载荷卸除过程中,屈服变形区域与弹 性变形区域同时以弹性状态回复,存在与容器内 部的焊接残余应力随之获得释放而被部分消除。 此技术一般是通过水压试验来进行的,这对 于一些焊后需要进行液压试验的焊接容器特别有 意义。因为水压试验时容器所承受的试验压力均 大于容器的工作压力,例如钢制压力容器其试验 压力为容器工作压力的1.25倍,所以容器在进行 水压试验的同时,对容器材料进行了一次相当于 机械拉伸的膨胀,从而消除了部分焊接残余应力。 试验结果表明,当容器材料选定时,残余应力消除 效果与水压试验的压力成正比,因此可以适当的 提高水压试验的压力以利于消除残余应力。由于 水压试验是压力容器制造过程中必经的工序,因 此采用此方法无需增加设备的投入,工期短,成本 低,体现了良好的经济效益。目前国内常温使用 的低压容器已开始采用此技术消。 3.5 锤击法 采用锤击法适用于较长的焊缝和堆焊层。焊 缝金属在冷却时由于焊缝收缩时受阻而产生应 力,这时趁着焊缝和堆焊层还在赤热的状态下用 锤轻敲焊缝区,焊缝金属在迅速均匀的锤击下产 生横向塑性伸展,使焊缝收缩得到一定补偿,从而 使该部位的拉伸残余应力的弹性应变得到松弛, 焊接残余应力即可部分消除。锤击应在较高的温 度下进行,但应避开材料的蓝脆范围。多层焊时, 第一层和最后一层焊缝不用锤击,其余每层都要 锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹, 最后一层焊缝要焊接得较薄,以便消除由于锤击 而引起的冷作硬化。锤击法从原理上讲对防止应 力腐蚀开裂是会有一定的抑制作用,在实际压力 容器制造中应用的比较广泛。但是由于在实践操 作过程中没有量化指标和较严格的操作规程,受 人为操作因素影响较大,加上对比使用的验证工 作不够,始终未被现行标准所采用,无法作为消除 应力的最终处理,目前大多作为焊接过程中的应 力松弛手段,也可用于难于进行热处理的奥氏体 不锈钢焊接中。 4 结语 不同的消应处理工艺都有自己的优点和特 点,但每一种工艺也有其应用上的局限性。消除 应力热处理是最成熟也是应用最广泛的压力容器 消除焊接应力技术,目前也是唯一被纳入G B150 和ASME标准的消除应力技术,但很多企业出于 生产条件和经济效益方面的考虑并不愿意采用, 因此目前需要重点解决加热技术的研制开发,以 解决目前常用热处理方法存在的高投资、 高成本、 低效率的问题以及在热处理过程中的加热控制问 题。同时,虽然存在一定的问题,我们也不能放弃 对其它消除焊接应力技术的探索应用,还要结合 实际大胆使用。压力容器制造单位和应力处理设 备制造单位应就诸如振动消应、 爆炸消应和液压 过载等技术的研究和论证加强合作,共同开发稳 定性好、 自动化程度高的消除应力技术,特别是要 展开对不同技术的应力消除的效果评价工作,力 争获得行业内的一致认同。 压力容器的焊接采用何种方法消除焊接残余 应力,是要结合残余应力在容器中的分布状态,压 力容器的不同用途以及生产效率、 成本等方面综合