壓力容器中焊接殘余應力的消除問題分析

摘 要：壓力容器是能夠裝載液體氣體等物質，而又能承載物質所帶來的壓力的密閉容器，也是化工行業必不可少的儲存原料的設備儀器。焊接質量是壓力容器能否使用和影響容器壽命的關鍵因素，因此消除殘余應力是保障壓力容器質量和化工企業員工人身安全和財產安全的重點之一，作者陳列出消除壓力容器的殘余應力的對策，確切實施保障焊接技術的措施。

關鍵詞：壓力容器；殘余應力；消除對策；熱處理

質量過硬的壓力容器離不開優秀的焊接技術，而殘余應力就是造成壓力容器在企業生產中出現大量次品、不合格品的元兇之一。壓力容器在焊接的時候受到不均勻受熱的作用和影響，產生內應力使壓力容器的材料變形。當壓力容器本身的溫度和工作場所回復正常的溫度，壓力容器內的結構變形無法恢復，留在壓力容器內的內應力就被稱為殘余應力。綜合國內外有關研究壓力容器焊接殘余應力的文獻資料，可以得到確切的是殘余應力是不能在焊接過程中完全避免，其中蘊含復雜的原因如焊接壓力容器的工藝、程序等等也會造成殘余應力的分布不均，內應力的殘留大小也會不一樣。因此壓力容器內不同殘余應力的問題有不同的消除方法。

1 壓力容器中焊接殘余應力的消除對策

1.1 超載法

超載法作為最為經常使用的消除壓力容器殘余壓力的方法不是沒有原因的。在條件得當的工作環境對壓力容器施加不少于一次的外載荷，壓力容器的材料就會產生因載荷而產生的應力，再和壓力容器中原來就有的焊接殘余應力疊加就形成一股新的合成應力。這通常會出現兩種情況：如果合成應力低于壓力容器的材質的屈服極限和合成應力等于壓力容器材質的屈服極限，而后者兩力的疊加就可以得到消除焊接殘余應力的效果，壓力容器材質就會形成塑性變形，外載荷數值越大，材質產生塑形反應越大。壓力容器是一體的、連續的，發生屈服變形和彈性變形的壓力容器位置就會在外載荷撤銷的時候回復，與此同時，也消除了數值等同于外載荷應力大小的殘余應力。

1.2 整體熱處理法

整體熱處理法是把已經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間，然后以適當的溫度退火，讓壓力容器內的焊接殘余應力達到平衡，這就是所謂的整體熱處理法。而并不是熱量更高，高溫保持時間越久，就會得到更好地消除殘余應力的效果。如果溫度太高，壓力容器內壁的結構會有一定程度的破壞，就會影響操作者對壓力容器的使用，嚴重的還會有安全隱患。還有另外一種利用溫度消除殘余應力的方法，就是利用低溫，據研究顯示，低溫對壓力容器的材料影響較小，針對某些焊接殘余應力消除的特殊情況，可以嘗試低溫整體熱處理法。

1.3 局部熱處理法

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

1.4 錘擊法

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

使用錘擊法時要控制好力度和速度，避免使壓力容器的金屬材質進行二次變化，以避免提高廢品產生的幾率。壓力容器的底部因為要裝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錘擊壓力容器的底層，而且捶打要按程序分步實行，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力的處理工藝，消除殘余應力效果良好，逐漸被推廣于各大化工企業。使用時把炸藥袋或混合字體放置于壓力容器殘余應力殘留的焊縫區和近縫區，用引子將之安全引爆。那么炸藥在引爆之時會帶有高能量的沖擊力，壓力容器的材料就會因爆炸產生交互反應，再和壓力容器中原來就有的焊接殘余應力疊加就會得到釋放。還有一個優點值得一提，使用爆炸法不限于可以消除壓力容器殘余應力，還能在焊接位置殘留壓應力。爆炸消除殘余應力，不僅能有消除壓力容器殘余應力的作用，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的安全隱患。可是在使用爆炸法消除壓力容器的殘余壓力的時候要嚴格按照規范程序，以防爆炸的沖擊會對在場的工作人員造成人身傷害。

1.6 振動消除法

振動消除法是用震動設備的激振器，并給與壓力容器焊接區進行震動，以此消除壓力容器殘余應力的方法。震動設備的主要零件是馬達，振動應力根據壓力容器的大小、形狀和重量進行數學建模。原理為使用震動設備產生循環應力來讓壓力容器殘余應力釋放。這種方法適用于戶外的作業環境，所需設備少，不需要再次處理因為高溫熱處理遺留的問題。

2 關于消除壓力容器殘余應力的評估和建議

（1）壓力容器在焊接過程產生殘余應力的情況不盡相同，而筆者上述的六種消除殘余應力的方法也各有利弊，要根據場地、容器材質和設備情況等等情況選擇合適消除殘余應力的工藝。

（2）我們可以為壓力容器的殘余應力設置數值，這使我們加深認識殘余壓力。可是殘余應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候要謹慎選材，仔細設計結構，還要充分地考慮盡量不使殘余應力大面積地發生，穩定壓力容器的質量和增加其使用壽命。

（3）綜合來說，在常溫的工作環境使用超載法經濟效益最大，因為超載法操作方便，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力的方法，工藝現今使用還未成熟，操作過程復雜且成本高，還需投入大量的資源來建設設備，這并不能取得較大的經濟性；錘擊法大多數作為輔助性工藝，不用整體投入使用；爆炸法和振動法對設備要求較低，工藝并不繁復，既保障質量又經濟。

（4）壓力容器的結構設計與消除殘余應力的作用息息相關。如果一味偏重壓力容器的設計工藝而不考慮焊接的可行性，就會有過多的后續要消除殘余應力。設計不合理的焊件內部產生的不平衡內應力，加劇焊接過程中的不均勻加熱；焊接的熱源對焊接的殘余應力也有影響。熱源影響壓力容器的物理特性甚至是化學特性。

3 結束語

壓力容器焊接技術的突飛猛進，有賴于政府的政策大力支持和從事焊接技術工作的科研人員勤奮不懈的奮斗，也有賴于我國蓬勃發展的社會主義經濟給生產壓力容器的企業提供源源不斷的支持，也鼓勵其更好的改良推進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的良好循環。但是我們與西方發達國家的焊接技術相比仍有不足之處，因為各種原因，我國壓力容器消除殘余應力的技術薄，耗能大，技術不夠先進。這更加要昂頭奮起直追，縮小與發達國家技術的距離，與國際標準接軌。科研拓展出更多針對不同性質，不同種類壓力容器消除殘余應力的方法，使壓力容器的質量更佳，使用壽命更長久。

參考文獻

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