X100直缝埋弧焊管焊接残余应力测试分析.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文） X100直缝埋弧焊管焊接残余应力测试分析摘 要：X100直缝埋弧焊管属于管道钢的新技术产品，通过研究其残余应力，从而可以提高其使用效率及寿命，使管道建设降低成本和损失，获得更好的经济效益。文中采用了盲孔法进行对X100直缝埋弧焊管焊接残余应力的测试分析，通过对实验数据及其平面图形的分析，从而了解其焊缝接头周围的轴向残余应力和周向残余应力的数值及分布情况，判断其分布规律。通过实验分析，得知X100直缝埋弧焊管的内表面及其外表面的焊缝接头周围的轴向残余应力和周向残余应力的峰值，并通过分析得出其分布曲线，明了其分布规律。关键词：残余应力；盲孔法；轴向；周向The X100 straight seam submerged arc welded pipe welding residual stress test analysis Abstract:X100 LSAW belonging to new technology products of steel pipes.Through the study of residual stresses,could improve its efficiency and lifetime,make pipeline construction to reduce costs and losses,obtain better economic.This paper uses a blind hole method for X100 LSAW pipe welding residual stress test analysis,Of experimental data and analysis of shapes,To understand the weld joints around the axial and circumferential residual stress value and the residual stress distribution,to determine its distribution.Through experimental analysis,Learning X100LSAW pipeinner surfaceandan outer surfaceof theweld jointaround theaxial residualstressand circumferentialresidual stresspeak,By analyzing theresultsof itsdistribution curve,acknowledges itsdistribution.Key words: Residual stress;Blind - Hole Method; Axial ;Circumferential目 录1 绪 论11.1 研究背景及意义11.2 X100直缝埋弧焊管21.2.1 高钢级管线钢发展应用概况21.2.2 X100级管线钢力学性能31.2.3 X100直缝埋弧焊管焊接工艺41.2.4 X100管线钢的焊接性分析41.2.5 X100级管线钢相关技术问题52 焊接残余应力简介72.1 焊接残余应力概述72.2 焊接残余应力的产生原因72.3 残余应力的影响92.4 消除残余应力的方法102.5 残余应力的测量方法112.5.1 传统的残余应力测量方法112.5.2 新型的残余应力测量方法132.5.3 残余应力测量的发展趋势分析143 残余应力测试实验163.1 实验方案163.2 盲孔法测定残余应力183.2.1 实验装置及材料183.2.2 盲孔法测残余应力的原理184 实验数据整理及结果分析224.1 实验数据整理224.2 实验结果分析223.3 实验误差分析255 总结26参考文献27致 谢28271 绪 论对于焊接构件中残余应力的问题已经被得到广泛的关注，并取得了丰硕的研究成果。本文所研究的是X100埋弧焊管焊接残余应力测试分析。本章首先从X100埋弧焊管的发展与应用、力学性能研究、焊接工艺等方面对X100埋弧焊管进行了综述。接着从残余应力的研究状况、测试方法等方面对残余应力加以了叙述。文章最后，讲述了研究本课题的目的及所研究的具体内容。1.1 研究背景及意义随着天然气的需求在全球范围内持续增长, 天然气供应以及现有输送系统使得天然气市场呈现供不应求的现状, 如何实现经济有效的天然气长距离输送已成为现今全球经济大环境中的重要一环。为了提高其输送效率、降低铺设管线费用, 高钢级管线钢将成为今后长距离输气管线铺设的主要用钢。残余应力水平是焊管质量的重要指标，较高的残余应力会导致管线工作能力严重下降，高值拉伸残余应力会削弱其承压能力，应力集中处易产生应力腐蚀,成为管线安全的重大隐患。影响油气管线的使用安全，其对结构刚度、受压杆件的稳定性、静载强度、疲惫强度、焊件加工精度和尺寸稳定性均有影响。因此，对焊管中残余应力的产生原因及其分布特征进行分析，采取措施降低残余应力，以提高焊管质量。油气输送用钢管主要为直缝焊管、螺旋缝焊管() ,直缝焊管包括焊管和焊管。随着技术的进步油气输送压力、管径、壁厚都有所提高，在西气东输线中焊管直径已经达到1016mm,螺旋焊管用量125. 48104t，直缝焊管89.13104t，其二线直径更达到了1219mm，焊管总量200104t。在制管过程中板材都要经过弯曲成型、焊接、水压、弯管、防腐等工艺过程，这些工艺过程造成的残余应力关系到焊管的服役寿命，不可避免地将使焊管内残留有不同程度的残余应力。指出，焊管的残余应力与其成型工艺关系重大，一般直缝焊管的残余应力水平低、分布均匀，螺旋焊管的残余应力水平高，且分布均匀性差。残余应力与管线的输送压力叠加后，会导致管线内局部的应力值过高，并对焊管的承载能力变形能力耐腐蚀性能疲劳断裂等产生重要影响。由于残余应力对管线运行安全、对焊管的疲劳、腐蚀、稳定性、承压能力都有重要影响，掌握焊管中残余应力的水平及分布状况，进而分析残余应力产生原因及调控措施是非常必要的，也是当前急需解决的工程实际问题。 本文通过实验研究对X90直缝埋弧焊管中的焊接残余应力进行分析检测，为各种工况中选材和设计提供依据，对于改善直缝埋弧焊管使用性能提出了指导方向，对于油气管线标准的制定和改进都具有一定意义。1.2 X100直缝埋弧焊管直缝埋弧焊管属于管线钢的一种。管线输送石油天然气具有高效、经济、安全、无污染等特点，是长距离输送油气的有效工具。为提高输送效率、降低能耗、减少投资和降低管线运营费用，长输管线向高压、大口径发展已成趋势。这样采用高强度管线钢将更经济，同时由于管线途经的地理环境恶劣，对安全性要求高，需采用焊接方式制管和施工，因而对管线用钢在强度、韧性、焊接性和抗腐蚀性等方面不断提出更高的严格要求。直缝埋弧焊管生产技术出现于20世纪50年代，并在随后的20年中得到大力发展，逐渐成熟。因其安全可靠性高，输送压力大等技术优势，在国外长期被作为长输油气管线的主要管型使用。90年代以后，随着我国能源经济的蓬勃发展，油气输送技术向着更高的层次迈进，工程用管的要求逐渐提高，国内也开始了对直缝埋弧焊管生产线的研究工作，国内首条直缝埋弧焊管生产线已于 2002正式运行投产。目前我国已经拥有华北、沙市、番禺等数条成熟的直缝埋弧焊管生产线，为国内近年管线建设工程提供了大量优质焊管。对于长输管线中直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管的选用，其他国家一直存在着截然相反的意见：美国、日本总体上是否定螺旋埋弧焊管的，认为主干线不宜使用。美国本土近二十年建造的油气输送主干线，几乎100%使用直缝埋弧焊管；俄罗斯总体上是肯定螺旋埋弧焊管的；德国、意大利有两派不同的意见；在加拿大，螺旋埋弧焊管与直缝埋弧焊管完全处于同等地位，但主干线实际使用量，螺旋埋弧焊管占 70%左右。1.2.1 高钢级管线钢发展应用概况（1）国外情况对于 X100 级管线钢，目前国外几大钢管生产厂家均采用低碳高锰的纯净钢，结合微钛处理，在炼钢和轧钢工艺过程中通过Nb,Mo，B 和 Ni 等合金元素的固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用，得到具备高强度高韧性以及良好焊接性的管线钢。各厂家在生产时都十分注意 X100 级管线钢化学成分的准确控制、非再结晶区的总压下量、终冷温度以及贝氏体+ 马氏体组织的控制。 日本钢铁公司 NSC ( Nippon Steel Corporation) 早在 1985 年就开始了 X100 级管线钢的研究。英国BP 公司 9 年前开始与钢铁和制管企业合作，开发了非酸性天然气输送管道用 X100 级管线钢管，进行了冶金理化性能评价、焊接性评估以及钢管现场弯曲试验，并进行了多次全尺寸爆破试验以确定X100级管材对钢管长程开裂的止裂能力。1998 年起至今,加拿大管道公司 TCPL(Trans Canada Pipelines Limited) 一直进行着 X100 级管线钢的开发应用等研究工作。Europipe从1995年起，已有小尺寸产品问世，其管壁厚度范 围在12. 7 25. 4 mm之间，管径在914. 4 mm 1 422. 4 mm之间。为解决 X100 级管线钢的现场焊接性问题，意大利 SNAM 公司在对 Europipe 生产的 X100 级钢管进行了多种焊接工艺试验后得出，只要采取适当的措施，X100 级钢管现场焊接的焊缝强度和韧性可获得满意的结果1。（2）国内情况 X100性能要求高,生产难度大，代表着管线钢的世界最高水平。开发高等级管线钢是目前钢铁行业一个热点研究问题之一。国内能生产符合API5L标准的管线工程设计要求的管线钢仅有10多年的历史，首推宝钢，还有鞍钢、武钢、太钢、马钢、舞钢等，稳定生产X60X70级管线钢并在国际市场上占有一定的地位，目前已投入生产的X80级管线钢质量也达到了国际先进水平2。 我国对高钢级X100管线钢的研究经历了以下几个里程碑：（1）2006年7月，鞍钢成功研制开发的X100管线钢宽厚板，成为国内首家掌握这种高钢级管线钢技术并具备生产能力的钢铁企业。（2）2007年8月,武钢开发成功X100板卷，填补了该领域的空白。 另外，南钢、舞钢等也在高钢级管线钢的研发方面取得了很大进展，并相继研发成功X100管线钢。1.2.2 X100级管线钢力学性能整体测试包括耐破度试验、纯弯曲测试、坍压测试、外压弯曲测试、环扩测试以及裂纹的扩展测试等。（1）X100 级管线钢的抗破能力 大多数管线所承受的载荷来自于内部压力，许多管线设计指标中允许管道在压力作用下轴向应力达到指 定最小屈服强度( specified minimum yieldstrength，简称 SMYS) 的80%。采用水压爆破试验对 X100 级钢管的变形能力进行研究，试验结果表明，平均周向断后伸长率随着管材抗拉强度增大而降低，强度最高的 X100 级管线钢起裂于热影响区，而其它几组试验裂纹位于母材。由此可见，裂纹起裂点位置是决定高强度管线钢总伸长率大小的重要因素3。研究表明，焊缝、母材的强度配合以及冷裂纹敏感指数值是控制热影响区软化的重要指标。当焊缝、母材强度配合不足时，应变集中于热影响区，故应控制母材抗拉强度低于800 MPa以维持 X100 级管线钢焊缝与母材的强度配合，且焊材也应有强度上限和足够的韧度。另外，还应限制冷裂纹敏感指数在较窄范围内。可见，可调整的因素范围十分有限。不过，已经证明 X100 级钢管强度可满足0. 8倍 SMYS 水平下高压输送。（2）止裂性能 输气管线用钢的动态延性裂纹扩展( dynamic ductile fractures，简称 DDF) 现象发现于20世纪60年代末70年代初，但那时的断裂理论研究尚未深入，因此当时利用增压管道全尺寸试验结果来确定如何控制DDF。这些试验通常需要对几百英尺长的管段进行测试，但试验结果容易受到土壤和填料、被测钢材的性能和钢种、钢材韧性表示方法、增压介质以及壁厚等因素的影响。 防止高压天然气管线系统延性断裂是X100级管线钢止裂问题的一个重要研究方向，其全尺寸裂纹扩展试验是在较高压力下进行的。Battelle研究所在这方面的研究成果令人瞩目，所提出的Battelle 简化方程计入了大量全尺寸试验结果，可用于 DDF 止裂韧性(夏比冲击功) 预测，并被一些管线建设项目采用。但因该方程是基于 X80 钢级以下管线钢的基本数据获得的，只适用单相气体输送、冲击韧度在100 J以下的情况。随着材料强度和韧度的提高，该方程的预测准确性明显不足。为预测高钢级管线钢DDF止裂能力，可采用Battelle双曲线方法，但对韧性较好的材料，该方法对裂纹扩展速率的低估程度非常大，需对Battelle 裂纹速率扩展方程重新进行修正。 由新日铁公司组织建立的高强度管线钢研究委员会( JISI) 从7个全尺寸爆破试验结果出发，提出了高强度管线( high strength line pipe，简称HLP) 方法。这种方法采用落锤撕裂试验 DWTT 吸收能表示钢材韧性( 传统采用 CVN 能量表示止裂韧性) ，并能根据气体组成，精确计算气体减压波曲线，应用于Battelle双曲线方法中从而计算出裂纹扩展距离和速度。但对于X100级管线钢，此方法预测的裂纹扩展速度和裂纹长度值普遍偏高，需要对Battelle初始止裂压力方程进行修正4。 大量试验结果得出，对X100级管线钢进行全尺寸裂纹扩展测试时采用各处均一的韧性分布方式更为合理，应优先使用全裂纹扩展长度作为判据。1.2.3 X100直缝埋弧焊管焊接工艺板材经成型工艺压制成型后将进行焊接，焊接是直缝埋弧焊管制造中最重要的环节，焊缝及热影响区质量不但决定成品直缝埋弧焊管的力学性能，更关系到管线服役过程中的安全性，焊接工艺的水平直接决定焊管品质的优劣。直缝埋弧焊管的焊接工艺由三个紧密相连的工序构成：预焊，内焊和外焊5。预焊：预焊是直缝埋弧焊管焊接工艺中承前启后的重要组成部分：将带有开口缝的成型管坯合缝后沿全长进行焊接，其作用主要为“定位”和“打底”。内焊与外焊：内外焊是直缝埋弧焊管焊接工艺的主体，也是最为重要的环节，焊缝及热影响区的组织性能是衡量焊管质量的首要标准。1.2.4 X100管线钢的焊接性分析 碳当量表示碳及合金元素对焊后开裂趋势的影响，通常碳当量越大，强度增加，此时越容易出现焊接裂纹，因此需要对碳当量进行适当的控制。与其他强度级别较低的管线钢相比，X 100级管线钢的碳当量处于较高水平，目前TM CP工艺允许的碳当量的合适范围大约在0. 40-0. 52之间6。X 100级钢管直缝焊接时，若能在低含碳量条件下保证较高的碳当量就可以降低热影响区软化，获得良好的焊接性能。环缝的焊接性直接影响着管线的安全运行，但X 100级钢管环缝焊接总的说来未出现严重问题，焊缝金属强度和低温韧性结果都比较令人满意。环缝焊接时，焊接方法可采用焊条电弧焊(SMA)和熔化极气体保护焊(GMAW)，焊材选择要尽量满足焊缝强度与母材强度达到过匹配。因管线钢环缝焊接多采用纤维素焊条配合焊条电弧焊，易产生脆硬低温转变产物，冷裂敏感性大大增加，因此有必要对X 100级管线钢的冷裂敏感性进行研究。铁研试验结果表明，GMAT焊缝较少出现缺陷，具有令人满意的强韧性，因而更加适合高压大管径长距离输气管道的现场焊接。焊缝要获得良好的性能，必须采用合适的焊接工艺参数。热输入过小时，焊缝出现脆硬第二相组织，强度、硬度有所提高，但韧性大大下降;热输入过大，则组织过于粗大，韧性也会下降。同样，预热温度和层间温度过高或过低时，都会破坏韧性。通常自动焊热输入不超过1. 0 kJ/ mm，焊条电弧焊热输入大小不超过1. 5 kJ/ mm。试验确定的X 100级管线钢环缝焊接用预热温度和层间温度最低为100 0C，常用预热温度范围约在100一 120之间，但实际焊接时为保证所有焊道温度均在100以上，应适当提高预热温度7，常规焊接工艺接参数见下表1-1： 焊接方法预热温度Ta/层间温度Ta/热输入/（kj.mm-1）根焊道热焊道填充焊道盖面焊道熔化极气体保护焊100100-2500.600.70-0.750.750.80-1.0焊条电弧焊100100-2501.01.01.51.0表1-1 常规焊接工艺接参数研究表明，X100 级管线钢焊接性良好，含碳量、碳当量以及冷速适中并配以合适的焊接规程时，焊接接头可获得良好的力学性能。GMAW 焊缝强度相对 SMAW 焊缝要高些，基本能满足与母材强度的过匹配。环焊缝韧性较高，随着温度下降焊缝金属韧性( 冲击韧性和 CTOD 值) 呈下降变化。此外,CTOD 值随着下屈服强度的增加明显下降。GMAW焊缝热影响区一般不会出现软化，薄壁管 SMAW 焊缝热影响区会出现轻微软化，但软化程度不大。1.2.5 X100级管线钢相关技术问题根据国内外有关X100级管线钢已有的技术数据及资料分析后发现,X100级管线钢投入实际使用之前还存在一些技术问题尚待解决。（1）下屈服强度的确定下屈服强度的测定可采用圆棒试样或扁平试样。但扁平试样所得结果通常低于圆棒试样，其扩径测定法耗费较大，不太适合高强度管屈服应力的评估。而圆棒试样可避开包辛格效应，适于X100级管线钢性能试验，但应注意试样尺寸不应太小。鉴于下屈服强度、抗拉强度在 X100 管线设计中的重要性，钢管生产厂和用户应对评价程序进行讨论并达成协议。（2）焊接接头强度及现场焊接性X100级管线钢应能满足焊接性、防止热影响区软化和焊缝金属性能三项主要性能标准。软化和过匹配问题是接头焊缝强度的控制因素。环缝焊接问题是X100级管线钢焊接的主要问题，焊材选择应能满足焊缝、母材强度过匹配，力求获得良好的韧性水平。为避免焊缝中产生过大残余应力，得到合适的熔深和良好焊接性，打底焊缝应选用低氢纤维素焊条; 填充焊道和盖面焊道的焊材选择应满足焊缝与母材强度等匹配或轻微过匹配，药皮类型为低氢型(每100g熔敷金属中扩散氢含量小于5 mL) 。但X100 级管线钢的焊缝强度并非总是高于母材，且断裂也不总发生在母材中，焊缝与母材很难保证过匹配。对低碳X100级管线钢，为提高韧性应控制冷裂纹敏感指数在较低水平以保证DDF的止裂。（3）屈强比和塑性变形X100 级管线钢的屈强比较高，可能超过 API 要求的0. 93。采用 TMCP 工艺不进行热处理就可生产出高强度钢板材，尽管高屈强比难以避免，该生产工艺仍适用高强管线钢板材的大规模生产。在满足经济性和生产适应性的条件下，生产商应能批量生产出屈强比较低的高强度钢。此外，对涉及钢管塑性变形的任何工艺( 如现场冷弯和现场水压试验超过100% SMYS) ，需确定标准和规程是否需要修订。（4）DDF止裂研究及薄壁管的应用高压输送天然气时采用薄壁大口径X100级钢管，可大大提高输送效率，减少使用钢材、降低管道建设费用。而大口径薄壁管需具备较高的止裂韧性以防止DDF发生，就目前X100级钢管韧性水平而言，需要对不带止裂器的大口径薄壁管的管径和壁厚上限进行限制，并通过全尺寸爆破试验确定止裂韧性。此外，在X100管线建设前，需对止裂装置进行经济性评估。2 焊接残余应力简介 2.1 焊接残余应力概述焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限（Yield strength），以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。 这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接残余应力，是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能，稳定承载力等均有影响。2.2 焊接残余应力的产生原因直缝埋弧焊管采用JCOE钢管成型，一条焊缝，埋弧焊接工艺，规格范围从325mm-1420mm。当直缝埋弧焊管直径大于914.4时标准规定允许钢管有两条直焊缝。直缝埋弧焊管产品执行GB/T3091-2008的低压流体钢管标准、GB/T9711.1（2）-1997石油天燃气管道执行标准、ASTM A252 焊接结构钢管美国执行标准。直缝埋弧焊管的生产工艺灵活可生产范围内的任何规格与壁厚，生产效率较高频直缝焊钢管、螺旋焊钢管要低。直缝埋弧焊管最大优势就在于可以生产高频钢管、螺旋钢管、甚至无缝钢管都不能生产的规格型号。直缝埋弧焊管生产成本比高频钢管、螺旋钢管要高，但比起无缝钢管价格优惠空间很大。直缝埋弧焊管可以生产高频钢管以及螺旋钢管不能生产的材质，比如高频钢管通常是生产国内常用规格，并批量生产库存，通常材质为Q235B、Q345B、其他较硬钢板材质高频设备和螺旋设备目前国内还不能生产。直缝埋弧焊管在国内的重型钢结构工程和流体管道工程，基础打桩工程中得到广范应用。李志华，郭振其等人介绍了残余应力的产生原因8。在文献泰纳线钢管采用 JCOE成型方式、双面直缝埋弧焊工艺生产，因此，其残余应力主要产生于板材成型与焊接两个工艺过程中。JCOE 成型方式如图2-1所示，是在JCO成型机上首先将钢板的一半经过多次步进冲压，压成J形；再将钢板的另一半压成C形；最后形成开口的O形。E 表示机械扩径（expand）。图2-2所示为钢管成型现场。在钢板步进式成型过程中，每步塑性变形均产生一定程度的残余应力；在 O 成型合缝和随后的焊接过程中，管体内残余应力进一步加大，钢管扩径对其残余应力有一定程度的改善。（a）J 成型 （b）C成型 （c）O成型 图2-1 JCO成型方式示意 图2-2 钢管成型现场 在大口径直缝埋弧焊管内的残余应力9中，刘 倩、王立君等人也叙述了焊管残余应力产生原因。 焊管周向残余应力的峰值主要源于焊管的成型工艺。在成型过程中，板材沿焊管周向产生弹塑性变形，其中因弹性变形而产生的成型内应力主要是周向残余应力。焊管轴向残余应力的峰值主要源于焊接工艺。焊管直缝焊接时，沿焊缝轴向产生最大的热压缩塑性变形使金属纤维缩短，焊后冷却时，焊缝区受到相邻母材的拉伸使得轴向残余应力的峰值出现在焊缝内。从而通过研究得出结论：就被测试的大口径双面直缝埋弧焊管而言，其周向残余应力峰值主要受焊管成型过程影响，轴向残余应力峰值受焊接工艺影响。2.3 残余应力的影响金属材料在受力过程中首先发生弹性变形，达到材料屈服点后随着应力增加产生塑性变形。塑性变形在外力卸载后不能恢复，存在于这些残余变形中的内应力称为残余应力。直缝埋弧焊管在制造中产生的残余应力不仅降低管道的承载能力和抗腐蚀能力，还可能造成结构失效，导致焊管的应力腐蚀开裂、脆性断裂、氢致开裂和疲劳破坏等突发、灾难性事故的发生。国内外发生过多次因管道失效引发的重大事故，直缝埋弧焊管残余应力水平已经成为管道安全评估的一个重要标准。通过分析直缝埋弧焊管残余应力的产生和分布规律进而得出控制措施无论是对焊管本身品质还是管道工程安全性的提高都具有重要意义。直缝埋弧焊管中的残余应力主要包括成型残余应力和焊接残余应力。无论采用哪种成型工艺，在成型过程中，钢管外层都会受拉应力，内层受压应力作用，经过塑性变形最终弯曲为带有开口缝的管坯。在在钢管焊接过程中，焊接区被急剧加热膨胀，形成了热塑性压缩变形。焊缝冷却后长度比周围区域相对缩短，宽度相对变窄，因此，焊缝区受拉伸残余应力作用，邻近区域承受压缩残余应力。残余应力会降低接头区域的承载力，使材料的塑性变形能力下降，造成构件变脆并对受力不利。残余应力在一定条件下还会引起裂纹，从而导致产品返修或报废10。（1）残余应力对静力强度的影响没有严重应力集中的焊接构件，只要其材料具有较好的塑性变形能力，则残余应力对静力强度没有影响。如果材料在一定条件下失去塑性而处于脆性状态，加载过程中构件不能产生足够的塑性变形，应力峰值将不断增加，直至达到强度极限后最终破坏，因此该情况下残余应力会降低静力强度。（2）残余应力对疲劳强度的影响。 焊接部位中常存在较大的残余拉应力，其峰值常能达到或接近钢材屈服强度。因此，当构件承受外载而受循环拉应力作用时，两种应力相叠加，叠加后的循环应力的最大及最小值都将增大，应力循环的平均值增加，从而促使疲劳裂纹的生成和扩展，降低疲劳强度。（3）残余应力对结构刚度的影响 残余应力和外载产生的应力相叠加后，可能达到钢材的屈服强度，从而使材料出现局部塑性变形，截面的一部分将进入塑性状态而退出工作，使有效截面减小，结构的刚度被降低。（4）残余应力对受压焊件稳定性的影响 受压焊件在外载作用下，其截面实际应力是荷载应力与残余应力的叠加，使部分截面提前屈服而进入塑性状态。由于这部分截面提前退出工作，导致有效截面减小，惯性矩下降，整体稳定性降低。2.4 消除残余应力的方法由于残余应力对焊管的性能有很大影响,因此国内外均把降低和控制直缝焊管内的残余应力作为提高焊管成品质量的工艺研究方向之一。消除残余应力的方法主要由以下几种：（1）利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力锤击处理法是指用锤击轻击焊缝及周围区域，用高速粒子直接冲击工作表面的工艺，也称喷丸。锤击可以降低拉伸残余应力，也可以在锤击表面诱导出残余压应力，这是该处理方法主要有益的特点。（2） 利用预热法来控制焊接残余应力 构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。（3）利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力 焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。利利用高温回火来消除焊接残余应力。由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升高至某一定数值时，应力的最大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。整体高温回火 将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中80%90%的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。回火时间随构件厚度而定，钢按每毫米壁厚l2min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力的消除效果随时间迅速降低，所以过长的处理时间是不必要的。局部高温回火 只对焊缝及其局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火，此方法设备简单，常用于比较简单的、刚度较小的构件，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接接头等焊接残余应力的消除。（4）利用温差拉伸法来消除焊接残余应力 温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。这就形成了一个两侧温度高(峰值约为200)、焊接区温度低(约为100)的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，这样就可消除部分残余应力。据测定，消除残余应力的效果可达50%70%。（5）利用振动法来消除焊接残余应力 构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。一种大型焊件使用振动器消除应力的装置。 振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。（6）爆炸法 通过布置在焊缝附近的炸药带，引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而消除焊接残余应力的方法，叫焊接残余应力爆炸法。2.5 残余应力的测量方法2.5.1 传统的残余应力测量方法各种测量方法的测量结果性质不同：盲孔法测量结果反应了表层及其附近区域、约2mm范围内的残余应力；切块法结果反应的是在切块范围内、整个厚度方向应力释放平均的结果；切环法结果反应了在切环宽度内整个厚度方向的平均应力；X射线法仅能反映表面几十um内的残余应力；磁测法能够测量几个mm深度的残余应力；中子衍射和超声波法的测量厚度可以达到几十毫米。机械切割测量方法可靠性高、数据稳定性、可重复性优于物理测量方法，但对构件有破坏性，而且一般的物理测量只能对小试样进行测量，但小试样的残余应力状态与整体结构是有差别的。机械释放测量法（1）钻孔法这种方法是由德国学者J.Mather于1932年首先提出来的，现已在工业实际中得到广泛使用。美国材料试验协会ASTM已于1981年制订了测量标准22 。它具有测量精确度高，操作简便，对构件损伤程度小等特点。根据钻孔是否钻通，小孔释放法又可分为通孔法和盲孔法。在直径为的钻孔外侧有一直径为d的圆环，并在圆环上设置测点，与x轴成角，其释放的径向应变x和y与钻孔释放的残余应力之间的关系，可按带孔无限板的弹性理论，同时承受双轴应力和的条件求解。为了确定未知的双轴残余应力，可采用3个应变片组成的应变花，其方法原理如下：钻孔法测量残余应力的原理是采用特制的箔式应变花粘贴在预测工件的表面上，在应变花中心钻一小孔，产生局部应力释放，应变片感受出应变变化，该应变称为释放应变，可由连接各个应变片的应变仪测读出来，通过弹性力学公式可得到在孔深范围内的平均主应力（）和主应力方向角（）。 钻孔法测量残余应力也可以采用光弹覆膜法。严格地说，光弹覆膜法属于一种光学方法，它是应用光学中的偏光性进行应力测定的，覆膜材料采用酚醛系或醇酸系树脂。光弹法测量残余应力，应变测定范围大，测定精度高11。（2）切条法很多情况下可以假设残余应力主要是单轴作用的，在要测量的残余应力的方向，把构件切成大量的窄条，并由释放的应变求得应力。可用锯条进行切条，释放应变由可拆御的应变计或粘贴的电阻应变计测量。双轴残余应力的确定是不可缺少的技术，在切条法中，给出相互垂直的x和y方向要测量的正应力和，假定在板厚方向应力不变，测量基线或应变计通常设置在板两侧，然后把板切成若干方块，残余应力和可由释放的应变和求得。在确定整个平面应力状态时至少需要3个测量方向，可采用由3个应变片组成的应变花，其原理与钻孔法相似。（3）逐层铣削法剥层法是从构件表面开始利用切削或腐蚀等方法将构件逐层消除，使构件内的残余应力释放。本方法是一种完全破坏性的方法，其一个显著的优点是可以测量厚度上梯度较大的内应力，主要用于测量延壁厚方向分布的纵向残余应力，如普遍地用于圆管残余应力的测定。按照去层加工方法的不同，分为化学腐蚀去层和机械切割去层。非破坏性测量法（1）X射线衍射法在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟，方法完善，经历了七十余年的进程，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著成果12。X-射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，因而它还有一项附加的功能测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同的角、角进行测试,以探测织构的影响，这项功能便具备了重要而独特的用途。（2）磁测法磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。这是与BN分析类似的一种方法，铁磁材料在外加交变磁场作用下，磁畴来回摆动，磁畴壁运动发出弹性波，这种弹性波也受应力影响。检测弹性波的方法是采用压电晶体拾取信号，用声发射技术中的信息处理方法，因此，称为磁声发射法 (MAE)。MAE除受应力影响外，也受材料成份、微观结构等多种因素影响。穆向荣等结合巴克豪森磁噪声和磁声发射技术，开发了BN和MAE多功能磁弹性仪，用该仪器检测低碳钢板的双缝焊接时平行焊缝和垂直焊缝的残余应力分布信号，与X射线衍射所作的定量检测规律一致13。（3） 超声波法超声应力测量是建立在声弹性理论基础上,利用受应力材料中的声双折射现象。当没有应力作用时,超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时传播速度不同,利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力14。超声波法测量残余应力的特点,首先是无损测定构件的表面应力和内部应力(包括载荷作用应力和残余应力),测量的应力为沿超声波传播路径的平均值。2.5.2 新型的残余应力测量方法近年来，随着工业化进程的迅猛发展和科学技术的不断进步，对于残余应力的研究已经取得了重大的进步，除了上述所说的残余应力的测量方法外，涌现出了一批新的残余应力测量技术，下面将对此分别加以介绍。（1） 多孔差方法15 过去研究测量三维残余应力方法都着眼于广义虎克定律的应用。通过测量应变来计算应力。多孔差方法是对三维残余应力测量进行探索，建立试样的三维静力平衡方程的偏微分方程，用有限差分法解该偏微分方程，通过测量孔深度就可计算应力。该方法采用一个已知应力解的算例进行了验证。（2）裂纹柔度法裂纹柔度法的测定原理是基于线弹性断裂力学原理，在被测物体表面引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力，从而通过测定零件表面的残余应变释放量来测定相应的应变、位移或转角等量值，用来分析与计算残余应力。研究结果表明，裂纹柔度法与逐层钻孔法及X射线衍射法相比，具有更好的敏感性和精确度，可用于测定板类构件内部残余应力。作为一种残余应力测试新技术，裂纹柔度法具有很大的工程应用潜力，但对其适用范围及测试误差等课题还有待更深入研究。（3）磁记忆应力检测方法16磁记忆检测方法是一种全新的铁磁金属材料诊断检测技术，其原理为：处于地磁环境下的铁制构件受工作荷载的作用，内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与应变集中区形成最大的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后继续保留，增强后的磁场“记忆 ”了构件应力集中的位置，这就是磁记忆效应。从而通过测定漏磁场法向分量，便可准确地推断构件的应力集中区。研究表明，铁磁性金属构件表面上的磁场分布与其内部应力有一定的关系，因此可通过检测构件表面的磁场分布情况间接地对部件应力集中位置进行诊断。（4）扫描电子声显微镜17 扫描电子声显微镜(SEAM )是将扫描电子显微镜和声学技术结合而研制成的技术。该技术基于热波成像原理，当一束周期性强度调制的电子束经聚焦入射于试样时，试样表面受到局部的周期加热，激发出热波，利用热波在试样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，这些宏观量的微小变化是由于试样的局部晶格结构的改变而引起的，因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的微观热性质或热弹性质的差异，可用于残余应力的定征，由此得到的电子声图象显示了在金属中由氏硬度压痕引起的残余应力的横向分布，并且利用扫描电子声显微镜独特的分层成象能力，揭示了残余应力的深度分布状况，使测定残余应力三维分布成为可能。扫描电子声显微镜(SEAM )的穿透能力较强，适合对不透明材料中的残余应力进行无损测定。（5） 激光超声检测法人们对用PZT换能器、EMAT探头和声显微镜等技术测量表面波声速来评估其近表面的应力分布，作了大量研究。结果表明，可以用测得的材料自由表面上传播的表面波声速的大小变化来评估其残余应力的分布。但应力所引起的声速相对变化很小，检测难度很大。激光超声是最近发展起来的无损检测技术，其显著优点是非接触、高的空间和时间分辨率，容易实现高精度测量，已被成功用来表征材料的表面特性。激光超声法的原理是用Nd：YAG (钕钇铝石镏石)脉冲激光激发声表面波，并用外差激光干涉仪接收。并通过测得的表面波声速在不同位置上的相对变化来反映材料的残余应力分布。对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的3个试样应力分布，进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波在不同位置上声速的相对变化，也证实了激光激发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残余应力分布的有效方法。2.5.3 残余应力测量的发展趋势分析对于机械检测法中具有代表性并且广泛应用于工程的钻孔法目前技术成熟，理论完善，采用这种应力释放的方法虽然能比较有效地测量残余应力，但它多少带有破坏性，在许多重要工程结构上不能使用，而且检测设备的装拆不便，也达不到实时测量的要求，所以，该方法的发展空间受到限制。X射线衍射法是具有代表性的无损测量残余应力技术，但它的价格昂贵、对被测物体的表面状况有较严格的要求，测量时要格外小心谨慎，否则可能带来较大测量误差。另外，某些材料的焊接金属较大时，很难找到衍射面；在测内部应力时必须剥层，这对于大型工件有一定困难。由此可见，开发一种无损、高精度、廉价、绿色环保、可在线测量的测量残余应力的方法具有重要的意义。此外，随着科学技术的不断发展，新的物理原理的出现也为残余应力的测量提供了新的发展方向。3 残余应力测试实验 金属结构或机器零件经过焊接加工后，会在其内部产生焊接残余应力。残余应力的峰值往往达到或超过材料的屈服极限。当这些焊接构件投入使用时，它们所受载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加，将导致焊接构件产生二次变形和焊接残余应力重新分布，从而降低焊接构件的刚性和尺寸稳定性。焊接构件在焊接残余应力和工作温度、工作介质的共同作用下，还将严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂等能力。因此，对焊接残余应力进行测量和分析，掌握其产生和存在的规律性，正是为了采取各种技术措施，改善其分布特性，以期提高焊接接头或.结构的承载能力，延长使用寿命和预防失效事故。 测量焊接残余力的方法分为两大类。一类为物理测量方法：如X射线法、磁粉法、超声波法等；一类为机械应力释放测量法：如切条法、逐层铣削法等。本次实验采用的是盲孔法来测定焊接残余应力。3.1 实验方案此次实验测点位置位于试件内外两侧，对焊缝的正反两侧均进行焊缝残余应力的测定。在垂直于焊缝方向的不同距离进行测试，以焊缝中心的点为基准，在试件的内外表面各设置8个测点，测点由焊缝开始向外延伸，每两个测点垂直间距为5mm，为便于操作。由于此次实验要进行内外两侧的测量，所以，在正反两面应变片按照上诉间距各分布于焊缝一侧，同侧两应变片之间的距离为20mm。测点的具体分布如图。图3-1 X100内表面测点分布图图3-2 X100外表面测点分布图3.2 盲孔法测定残余应力3.2.1 实验装置及材料（1） X100直缝埋弧焊管 1块；（2） 盲孔法应力测定钻孔装置（ZDL） 一套；（3） 静态数字式电阻应变仪（WS3811） 一台；（4） 数字万用表 一个；（5） 应变花 纸基 TJ1201.51.5，阻值1200.24，灵敏系数 2.100.02，使用温度为-3060 9片；（6） 钻头 1.5mm 一根；（7） 钢板固定装置 一块；（8） 砂纸、丙酮、502胶水、直尺、划针、导线、锡焊工具等。3.2.2 盲孔法测残余应力的原理工件经焊接加工后，其内部存在着残余应力场。在应力场内任意处钻一个一定直径和深度的盲孔后，随着该处金属的去处，其中的残余应力即被释放，应力场原有的平衡亦受到破坏，这时盲孔周围的应力将重新分布，应力场达到新的平衡。盲孔周围的应变，其大小与释放的应力是相对应的。测出这种应变，根据弹性力学理论便可推算