考慮焊接殘余應力的含缺陷結構安全評定方法評價

汪宇宸，周幗彥，蔣文春，涂善東

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院 承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237;2.中國石油大學(華東) 新能源學院，山東青島 266580)

0 引言

在壓力容器和管道的焊接過程中，由于焊接區域組織相變、擴散、熔化、流動、凝固、熱傳遞、應力變形等熱-力-冶金多因素行為交互作用，不可避免地會產生焊接殘余應力[1]。焊接制造過程中的多次熔敷過程，使焊道經歷多重熱循環的疊加作用，造成焊接接頭處有極為復雜的殘余應力分布[2-7]，可能導致結構發生脆性斷裂、氫鼓包、氫致開裂、疲勞破壞等失效形式，對設備的預期壽命(疲勞、應力腐蝕開裂等)產生較大的影響[8-11]。因此，在結構安全評定中準確計入焊接殘余應力的影響，對保障設備長壽命安全運行具有重要的意義。

在役壓力容器及管道的焊縫結構中出現裂紋狀缺陷已屢見不鮮[12]。此類缺陷對設備安全使用產生不良影響，需通過含缺陷結構安全評定標準計算判定是否可繼續安全服役。目前，國內外主要的含缺陷結構安全評定標準包括：GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》，SINTAP:1999《歐洲工業結構完整性評定規程》，BS 7910:2019《金屬結構中缺陷驗收評定方法指南》和API 579/ASME FFS-1:2016《合于使用》(以下分別簡稱GB/T 19624,SINTAP,BS 7910和API 579)等。以上標準均可進行安全評定，但各自的適用范圍和評定方法不盡相同。近年來，國際上結構完整性研究學者已意識到，現有標準對殘余應力的考慮過于簡單，進而展開了相應的研究工作[13-14]。

本文通過對比GB/T 19624,SINTAP,BS 7910和API 579四個標準在評定規程、焊接殘余應力分布規律、焊后熱處理對峰值殘余應力取值影響等方面的差異，探討殘余應力的存在對含缺陷結構評定結果的影響，以期進一步完善含缺陷結構完整性評定標準對殘余應力的考慮。

1 評定規程

1.1 評定分級與方法

不同標準涉及的失效模式差異較大，但是塑性、斷裂失效作為最常見的失效模式，應用十分廣泛，其評定過程中考慮焊接殘余應力的影響，因此選擇塑性及斷裂失效評定進行分析。根據輸入參數、評定方法的不同，評定規程劃分了相應的分析等級(見表1)。GB/T 19624,BS 7910和API 579三個標準均包含3個分析評定等級，而SINTAP則包含3個常規等級和3個高級等級，共6個等級。評定等級越高，結果精度越高，但計算也更加繁瑣；等級越低則評定結果越保守。每個分析等級所需輸入的拉伸數據及斷裂韌性的要求各不相同，分析等級越高所需數據越難獲取，應用時需根據所掌握的參數不同和應用場合的差異進行選擇。

表1 各標準塑性及斷裂失效評定的分級和評定方法的對比

各標準的塑性及斷裂失效評定規程主要采用失效評定圖法和斷裂驅動力法進行評定。雖然基本原理類似，但不同標準對評定方法的規定和使用細節差異較大。

斷裂驅動力法則根據各標準提供的程序及公式直接計算J積分或裂紋尖端開口位移δ的數值大小，將計算結果直接與判據進行比較。通常情況下，計算結果小于判據值時，則認為含缺陷結構安全，反之則失效。但對于分析評定而言，允許裂紋穩定擴展，在擴展過程中，個別擴展量對應的J積分可以超過延性撕裂斷裂韌度JR，但最終評定計算載荷下，裂紋長度a+Δa時的J積分J(a+Δa)應小于裂紋穩定擴展Δa時材料的延性撕裂斷裂韌度JR(Δa)。

1.2 評定規程中的焊接殘余應力

各標準中塑性及斷裂失效評定規程除了評定分級、評定方法不同之外，每個評定等級對焊接殘余應力的考慮方法也存在差異，如表2所示。

表2 塑性及斷裂失效評定規程中考慮殘余應力的對比

4個標準的15個評定等級中，除了API 579一級評定規程之外，其他均考慮了焊接殘余應力的影響，這是由評定方法的原理和計算流程決定的。API 579一級評定規程未涉及焊接殘余應力，是因為其所使用的簡化評定圖法僅考慮了缺陷尺寸等幾何結構參數。其余各標準評定規程使用的是失效評定圖法和斷裂驅動力法，使用過程中涉及到應力強度因子、J積分和裂尖開口位移等參數的計算。此類參數主要針對近場應力推導而得，而焊接殘余應力屬于二次應力，研究發現，二次應力雖無法直接導致塑性倒塌失效，但可以引起塑性區的增大并最終導致失效，其影響無法忽略，因此在使用失效評定圖法和斷裂驅動力法時均考慮了焊接殘余應力。

但是，各評定規程對焊接殘余應力數值的要求不盡相同。GB/T 19624的簡化評定和BS 7910的一級評定方法假設在構件中均布恒定的焊接殘余應力，其大小為實際殘余應力的最大值，這種估計偏差大，也較為保守，只適用于最簡單的簡化評定圖法。其他12個評定方法均需要考慮缺陷部位的真實應力分布情況，以確保評定結果的可靠性，且所輸入的焊接殘余應力分布規律越貼近實際情況，評定結果也越好。

此外，不同標準中對于焊接殘余應力的應力分類規則也各不相同。GB/T 19624和SINTAP將焊接殘余應力列入二次應力的范疇，通過計算和相應系數考慮其對應力強度因子等參量的影響。BS 7910認為缺陷附近的焊接殘余應力是二次應力，但遠離缺陷部位的焊接殘余應力由于會產生截面力及力矩，而對載荷比、應力強度因子比等參數產生嚴重影響，因此可將其歸為一次應力。API 579則在一次應力和二次應力之外建立了單獨的殘余應力類別，并將焊接殘余應力納入其中考慮，強調了焊接殘余應力的重要性。

2 焊接結構分類

由上述分析可知，為了保證評定分析結果的精確性，獲取缺陷部位焊接殘余應力的分布極為重要。有限元模擬方法和試驗測試法是獲取特定構件、特定部位焊接殘余應力分布情況的重要手段，但是兩種方法在實際應用過程中均存在一定的局限性。有限元模擬法要求具有一定理論計算基礎，需要已知相應材料不同溫度下的拉伸性能、熱物性能及實際焊接工藝參數，且需要較長的計算時間和較大的儲存空間。試驗測試方法可分為有損的破壞性機械釋放測量法[19-23]和無損的非破壞性物理測量法[24-27]。有損法需要對所測結構進行破壞，故無法對在役設備進行測量。而除中子衍射法[28-29]之外的無損法均無法獲取沿厚度方向的殘余應力分布情況。因此，使用上述兩種方法獲取殘余應力分布并進行安全評定可能缺乏實際意義。

為了彌補模擬和試驗的局限性、提高評定結果的精確性、增加使用的便捷性，4個標準均給出了典型焊接結構的殘余應力分布規律和數值表達式，并根據焊接結構的不同進行分類。但由于分類依據和側重點不同，各標準的分類結果存在一定差異，如表3所示。

表3 各標準中焊接結構分類的對比

SINTAP和BS 7910作為歐洲標準，都是按照焊接接頭類型和焊縫位置進行分類。API 579則綜合考慮了焊接接頭類型、焊縫位置和焊縫所在壓力容器的類型等3個不同的參數，先根據壓力容器類型進行初次分類，再依據接頭形式和焊縫位置進行細分。而GB/T 19624沒有明確的分類依據和側重點，只簡單分為對接焊縫和T形對接焊縫等，對焊縫所在的容器類型、焊縫位置均不作考慮。與其他三個標準相比，GB/T 19624未直接明確接管焊縫、補焊焊縫等常見焊接結構的殘余應力分布，所涉及的焊接結構較少；同時，由于缺乏明確的分類規則，導致分類結果存在一定程度的重復，使用時易造成選擇上的誤差。但是，GB/T 19624 設置了最大殘余應力取值系數，評定者可憑經驗確定。這一設定是出于實際焊接殘余應力大小和分布復雜性的考慮，從易用和保守角度出發，給出了相對簡單的取值原則和有一定調整范圍的取值系數推薦值，一定程度上保證了標準的協調性和易用性。

為方便使用者根據設備情況選擇更為準確的應力分布規律，在GB/T 19624的后續更新和補充中可依據接頭類型、焊縫位置等重要參數進行系統化的分類。

3 焊接殘余應力分布規律

3.1 表示方法及影響因素

在根據焊接結構進行初步分類之后，各標準給出了焊縫的殘余應力分布規律，但在應力分布路徑和應力方向等表示方法上存在差異。如表4所示，SINTAP和API 579給出了焊接殘余應力沿厚度方向和表面的分布規律，而BS 7910和GB/T 19624只給出了厚度方向的分布規律。BS 7910如此處理是由于該標準將遠離焊縫位置的焊接殘余應力劃歸為一次應力進行考慮，需將應力換算成截面的力和力矩，無需表面應力分布情況。GB/T 19624僅給出了厚度小于25 mm的對接接頭的表面應力分布情況，其余焊縫結構表面應力水平尚未明確，導致焊接殘余應力的影響無法合理評定。

表4 各標準中焊接殘余應力表示方法及影響因素的對比

SINTAP,BS 7910和API 579將殘余應力分為縱向應力和橫向應力分別考慮，這樣可根據缺陷位置選擇相應的應力。垂直于焊縫的缺陷選擇縱向殘余應力進行評定，平行于焊縫的缺陷選擇橫向殘余應力，這樣的分類規律符合實際，也保證了評定的準確性。GB/T 19624僅在壁厚小于25 mm 情況下利用缺陷位置區分應力方向，而其余焊縫結構的應力分布規律均未區分應力方向，忽略缺陷與焊縫相對位置造成的影響，易導致不準確的評定結果。

除焊縫位置和接頭種類等結構參數外，材料種類、坡口形式、厚度、焊接熱輸入、約束情況等參數均會對殘余應力大小及分布規律產生影響，但各標準涉及的影響因素和參數范圍各不相同，如表4所示。

SINTAP針對的材料包括鐵素體鋼、奧氏體鋼和鋁合金，BS 7910針對鐵素體鋼和奧氏體鋼，API 579針對鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，而GB/T 19624未考慮材料種類對殘余應力的影響。根據NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》，常用的坡口形式包括：單V形、X形、單U形、雙U形和I形等。SINTAP,BS7910和API 579均考慮了最為常見的單V形和X形坡口，而GB/T 19624未提及坡口形式差異的影響。厚度作為結構中最重要的參數，所有標準均考慮了其帶來的影響效應，但涉及的構件厚度變化范圍差異較大。焊接熱輸入為單位長度上輸入能量的大小，由于焊接是熱-力耦合過程，溫度變化會對最終應力大小產生顯著影響，因此SINTAP,BS7910和API 579均考慮了焊接熱輸入的影響，而GB/T 19624未提及。焊接構件的約束情況會影響焊縫及其母材的變形大小，因此所有標準均考慮了約束帶來的影響，但考慮方法不同。SINTAP給出了不同約束條件下的應力分布規律；BS 7910則明確規定不考慮高約束焊縫情況；GB/T 19624和API 579將約束情況用不同的壓力容器類型加以區分，這也是導致API 579分類方法與其他標準不同的原因之一。

與其他三個標準相比，GB/T 19624所考慮的影響因素較少，在后續的補充和發展中可對焊接殘余應力影響參數進行敏感性分析，補充不同參數對焊接殘余應力的影響，提高所推薦應力分布規律的準確性。

3.2 分布規律

對于同一焊縫結構，不同標準給出的殘余應力分布大小及規律存在很大不同，這導致選擇不同的標準對設備進行安全評定時，評定結果也不同。

以對接板焊縫和管道軸向焊縫為例，對比分析各標準焊接殘余應力分布規律的差異。焊縫結構如圖2所示，應力方向分為橫向和縱向，應力分布路徑則分為沿厚度方向和表面方向。

(a)對接板焊縫 (b)管道軸向焊縫

3.2.1 縱向應力

縱向應力平行于焊縫。4個標準均給出了縱向應力沿厚度分布的規律，分布規律表達式列于表5，應力分布如圖3所示(圖中，橫坐標中t表示距離焊縫底部的距離，B表示殼體計算厚度)。

表5 縱向殘余應力沿厚度分布規律表達式

沿上表面方向的縱向焊接殘余應力分布情況如圖4所示。

3.2.2 橫向應力

橫向應力垂直于焊縫，其沿厚度方向分布規律如圖5所示?？梢钥闯觯瑖鈽藴释扑]的分布基本一致，均利用冪函數多項式對應力分布規律進行描述(如表6所示)，只在常數項上有些差別。GB/T 19624則根據構件厚度推薦了3個分布規律，其中，對于薄板結構(厚度<25 mm)，認為沿厚度均布大小為30%屈服強度的拉應力，低估了橫向峰值殘余應力的大??；對于厚板結構(厚度≥25 mm)，認為應力沿厚度方向線性分布，與國外標準差別較大，相對較為保守。與文獻[14，35]實際測量結果相比，4個標準均存在應力分布不夠準確的情況，這會使缺陷結構完整性評定結果產生誤差。

表6 橫向殘余應力沿厚度分布規律表達式

4 焊后熱處理應力釋放規律對比

為了降低焊接殘余應力對設備穩定運行、使用壽命等方面的影響，實際生產過程中需盡量降低焊接殘余應力的大小[36]。一般的機械作用[37]無法降低設備整體殘余應力，通常采用焊后熱處理來進行設備加工后的整體殘余應力消除[15]。應力評定時需要對降低后的焊接殘余應力值進行估算。

各標準均給出了經過焊后熱處理后的殘余應力數值大小，具體見表7。其中GB/T 19624不區分縱向應力和橫向應力，應力大小為30%～50%的屈服強度。應力范圍過大導致使用者無法準確選取應力水平進行評定，且易造成評定結果產生較大浮動。SINTAP,BS 7910和API 579三標準均規定，縱向應力大小經焊后熱處理衰減至30%的屈服強度，橫向應力大小衰減至20%的屈服強度；但由于焊后熱處理的應力釋放機理尚未明確，對于屈服強度的選擇卻需根據標準規定進行計算。隨著相關研究[38-42]對其應力釋放機理和應力大小的進一步明確，可在用SINTAP,BS 7910和API 579進行評定時選擇使用。

表7 各標準焊后熱處理應力釋放規律的對比

在設備制造中，除了整體焊后熱處理，局部熱處理也經常使用。但各標準中對于局部熱處理的應力衰減規律均未作詳細說明。GB/T 19624要求使用者根據經驗進行判斷，而API 579則推薦了相關文獻[43-45]供用戶參考使用。這是由于現行局部熱處理方法無法完全消除殘余應力，并會導致新的熱影響區產生，使應力分布更加復雜。與此同時，局部熱處理后應力變化情況、分布規律等仍缺乏深入研究，沒有理論支撐。

綜上分析，與其他三個標準相比，針對GB/T 19624的完善，需進一步加強整體焊后熱處理和局部熱處理的應力衰減機理和衰減幅度研究，以給出更為具體、準確的焊接殘余應力大小。

5 結語

本文從評定規程、焊接結構分類、焊接殘余應力分布規律及其影響因素、焊后熱處理對峰值殘余應力取值影響等方面，對比分析了GB/T 19624,SINTAP,BS 7910,API 579四個含缺陷結構安全評定標準的適用性及其差異，得到以下結論。

(1)SINTAP,BS 7910和API 579均存在明確的焊縫結構分類規則和依據，包含所有常見的焊縫結構，具有較好的合理性。GB/T 19624的焊縫結構分類規則不夠明確、分類結果不夠全面，但通過最大殘余應力取值系數保證了標準的協調和易用。對比而言，具有明確規則的焊縫結構分類處理顯然有較好的針對性。

(2)GB/T 19624未區分焊接殘余應力方向，僅給出沿厚度方向的應力分布規律，對影響因素的考慮較為簡單。而SINTAP,BS 7910,API 579三個標準則將應力分為縱向應力和橫向應力，并給出了應力沿厚度和上表面的具體分布規律，且對焊接殘余應力的影響因素考慮較為全面、完整。各標準所推薦應力分布規律表達式雖各不相同，但均存在不夠準確的情況，易造成評定結果與實際不符。

(3)GB/T 19624中對于焊后熱處理態殘余應力水平的規定較為寬泛，而SINTAP,BS 7910,API 579中均對此做出了明確的規定。所有標準對局部熱處理后的應力分布情況研究尚顯不足。

需要特別指出的是，在針對考慮焊接殘余應力的含缺陷結構完整性評定時，GB/T 19624雖較其他幾個標準偏保守，不易產生危險，但在焊縫結構分類、應力方向劃分和應力分布規律準確性等諸多方面還不夠完整、全面，后續仍需通過更多案例分析和研究加以完善。