探讨减少压力容器焊接应力的相关方法

摘要：研究证明，焊制的压力容器的焊接区存在着极大的残余应力。该残余应力的峰值大小和分布状态会直接对压力容器产生不良影响。所以，本文笔者探讨了减少压力容器焊接残余应力的方法，希望能提高压力容器的制造质量。

关键词：压力容器；焊接应力；方法

随着生产与经济的迅猛发展，压力容器的工作环境越来越苛刻。压力从高真空到几万个大气压，温度从超低温到高温，尺寸也不断变大，结构变得更加复杂，我们知道压力容器所处理的介质通常是易燃、易爆或有毒的，所以如果由于压力容器质量不过关导致发生事故，将给公共财产和人民生命安全带来不可估量的损失。因此，当前加快研究减少压力容器焊接应力的方法，加强压力容器的制造质量控制是重中之重。

1.压力容器焊接应力的产生与危害

在压力容器制造过程中，焊接和热处理是两个关键工序。在压力容器焊接时会产生三种附加的内应力，分别是焊接接头各部位因受热和冷却的速度不同而产生的热应力、金相组织变化产生的组织应力以及施焊时压力容器结构本身的约束产生的拘束应力。若焊接工艺控制不当，这此应力就容易变大导致产生裂纹。除此之外，因为下料尺寸公差等级不高，加上材料冷热加工不当，就使受压部件的成形尺寸变差，如果再采用强制组装焊接的方法，还将会引起附加强制组装应力的产生。在一定条件下，这些应力会影响压力容器焊接结构的性能，产生严重的破坏效果。很长一段时间以来，减少压力容器焊接应力的传统方法是采用焊后热处理，直到今天它仍然是改进焊接接头质量的一种重要方法。当然，随着现代技术不断发展，焊后热处理已经不是惟一的方法，接下来笔者对几种当前常用的方法加以简要介绍。

2.减少压力容器焊接应力的几种方法

2.1焊后热处理

焊后热处理，又叫降低应力热处理。这种方法在很久以前就被应用于提高焊接产品质量中，并且它的使用在世界各国标准和技术规程中都作了明确规定。焊后热处理分为局部焊后热处理和整体焊后热处理两种。整体焊后热处理又分为整体炉内和整体炉外焊后热处理，其中整体炉内焊后热处理在条件许可的情况下可以把整个容器放入加热炉内进行整体热处理，它减少应力的效果十分明显，具有加热和保温均匀、温度场易于控制的优势。且它减少应力的程度能够通过温度高低和保温时间长短来进行调节。不容忽视的是，热处理是一个相当复杂的过程，它需要消耗大量的能源和采取正确的热处理工序，因此它也具有消耗热能大、费用较高的缺点。而局部焊后热处理则是对环焊缝进行减少应力的处理，它并不是简单应用局部烘烤的办法，相反是对整体环缝进行处理，较适用于一些大型的压力容器以及不能进行整体焊后热处理的场合。

2.2机械减少应力处理

机械降低应力处理主要是采用振动的方法，具体地说就是把激振器放在压力容器中或者焊补位置上，利用控制系统控制电机转速，然后通过激振器反复对工件施加周期性载荷，迫使工件在其共振范围内产生共振，经过一段时间后就能达到强化金属基体、减少应力的目的。经过实验研究发现，采用这种振动的方法来减少残余应力的效果能够达到70%左右，这一方法的主要优势是它克服了热处理减少应力所引起的容器变形、耗能多、耗资大等缺点，除此之外，它还具有尺寸精度稳定的优势，因此在当前的应用中十分普遍。

2.3爆炸冲击法

爆炸冲击法是在高温动态冲击波的作用下，容器制作材料的强度是随压力、温度和应变率的变化而变化的一个参数，它利用爆炸产生的冲击波作用力与工件残余应力的相互叠加产生的合成应力，使工件产生塑性变化，以此达到释放和减少焊接应力的目的。在处理过程中，通过引爆安置在焊缝和它周围的爆炸带，就会产生巨大的爆炸冲击波，这些冲击波在工件内部连续反复地加载和卸载，进而产生塑性变形，实现减少工件残余应力的效果。这一方法的最大好处在于能够有效地减少焊接应力，还能提高焊接接头与拉应力相关的破坏抗力，以适用各种复杂恶劣的环境。

2.4液压超压消应法

液压超压消应法也可称为超载法和机械拉伸法。它是指在可控条件下，对压力容器施加一次或多次比其工作状态下稍大的外载荷，进而使外载荷产生的应力与压力容器的焊接应力相互叠加，也就是借助液体压力产生的拉应力来减少焊接应力，使之从不稳定的状态逐渐进入稳定的状态。如果叠加后的合成应力比材料屈服极限低，出现弹性状态，应力与应变则变成直线关系；如果叠加后的合成应力已经达到材料屈服的极限，那么局部区域就会产生塑性变形，外加应力值也会逐渐变大。相应地，合成应力达到屈服极限的范围越大，产生塑性变形的范围也会随之变大，但是此时的应力值并没有增加，接下来开始卸除外载荷，屈服变形和弹性变形的区域就会恢复弹性状态，这样一来就很好地减少了压力容器内部的焊接应力。这种方法在实际运用中也收到了良好的效果，操作起来方便快捷、经济适用，关键是效果显著，不但做了质量检验，又极大地减少了应力，真可谓一举两得。

3.结束语

综上所述，不难发现，这些减少压力容器焊接应力的方法各自都有其独特优势。在实际生产中运用这些方法时，我们应当综合考虑耗资、耗能、便捷性、工时以及减压效果等多方面的因素，慎重选用其中最合适的方法，这样才能达到最佳的处理效果。

参考文献：

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作者简介：马黎（1976-），男，汉族，江西省核工业地质局机械研究所，从事焊接工艺及设备的研究。