压力容器中焊接残余应力的消除问题分析

摘 要：压力容器是能够装载液体气体等物质，而又能承载物质所带来的压力的密闭容器，也是化工行业必不可少的储存原料的设备仪器。焊接质量是压力容器能否使用和影响容器寿命的关键因素，因此消除残余应力是保障压力容器质量和化工企业员工人身安全和财产安全的重点之一，作者陈列出消除压力容器的残余应力的对策，确切实施保障焊接技术的措施。

关键词：压力容器；残余应力；消除对策；热处理

质量过硬的压力容器离不开优秀的焊接技术，而残余应力就是造成压力容器在企业生产中出现大量次品、不合格品的元凶之一。压力容器在焊接的时候受到不均匀受热的作用和影响，产生内应力使压力容器的材料变形。当压力容器本身的温度和工作场所回复正常的温度，压力容器内的结构变形无法恢复，留在压力容器内的内应力就被称为残余应力。综合国内外有关研究压力容器焊接残余应力的文献资料，可以得到确切的是残余应力是不能在焊接过程中完全避免，其中蕴含复杂的原因如焊接压力容器的工艺、程序等等也会造成残余应力的分布不均，内应力的残留大小也会不一样。因此压力容器内不同残余应力的问题有不同的消除方法。

1 压力容器中焊接残余应力的消除对策

1.1 超载法

超载法作为最为经常使用的消除压力容器残余压力的方法不是没有原因的。在条件得当的工作环境对压力容器施加不少于一次的外载荷，压力容器的材料就会产生因载荷而产生的应力，再和压力容器中原来就有的焊接残余应力叠加就形成一股新的合成应力。这通常会出现两种情况：如果合成应力低于压力容器的材质的屈服极限和合成应力等于压力容器材质的屈服极限，而后者两力的叠加就可以得到消除焊接残余应力的效果，压力容器材质就会形成塑性变形，外载荷数值越大，材质产生塑形反应越大。压力容器是一体的、连续的，发生屈服变形和弹性变形的压力容器位置就会在外载荷撤销的时候回复，与此同时，也消除了数值等同于外载荷应力大小的残余应力。

1.2 整体热处理法

整体热处理法是把已经焊接完成的压力容器整体施以高温，并在某一温度保持一段时间，然后以适当的温度退火，让压力容器内的焊接残余应力达到平衡，这就是所谓的整体热处理法。而并不是热量更高，高温保持时间越久，就会得到更好地消除残余应力的效果。如果温度太高，压力容器内壁的结构会有一定程度的破坏，就会影响操作者对压力容器的使用，严重的还会有安全隐患。还有另外一种利用温度消除残余应力的方法，就是利用低温，据研究显示，低温对压力容器的材料影响较小，针对某些焊接残余应力消除的特殊情况，可以尝试低温整体热处理法。

1.3 局部热处理法

局部热处理法仅对压力容器需要消除残余应力的特定部分进行局部热处理，也要经过整体热处理所经的感应加热工序和冷却工序。不过通常只针对焊接残余应力情况较为轻微的焊管接头，局部加热残余应力分布不均匀的位置，并且效果不如整体热处理法理想，只能使残余应力分布更为平缓。

1.4 锤击法

锤击法最早被用来作为消除压力容器残余应力的手段之一，流程是用锤子用力均匀地锤击压力容器的焊缝区和近缝区的因焊接残余应力而变形的位置，能让压力容器横向塑性延伸，就会产生拉伸压力容器内残余应力的弹性应变，就可减小或消除消除在压力容器焊接时热量所产生的残余应力。对于因焊接残余应力而造成的金属裂纹也有一定的消除作用。

使用锤击法时要控制好力度和速度，避免使压力容器的金属材质进行二次变化，以避免提高废品产生的几率。压力容器的底部因为要装载化工原料和承受一定压力的缘故，因此尽量不要使用捶打法来锤击压力容器的底层，而且捶打要按程序分步实行，不可把捶打的程序一气呵成，适度均匀地力量捶打要分好层次，才是消除压力容器残余应力的良方。

1.5 爆炸法

爆炸法作为一种较为新型的消除压力容器残余应力的处理工艺，消除残余应力效果良好，逐渐被推广于各大化工企业。使用时把炸药袋或混合字体放置于压力容器残余应力残留的焊缝区和近缝区，用引子将之安全引爆。那么炸药在引爆之时会带有高能量的冲击力，压力容器的材料就会因爆炸产生交互反应，再和压力容器中原来就有的焊接残余应力叠加就会得到释放。还有一个优点值得一提，使用爆炸法不限于可以消除压力容器残余应力，还能在焊接位置残留压应力。爆炸消除残余应力，不仅能有消除压力容器残余应力的作用，还能提高压力容器作为材料承载器皿的抗压水平，降低压力容器在使用时的安全隐患。可是在使用爆炸法消除压力容器的残余压力的时候要严格按照规范程序，以防爆炸的冲击会对在场的工作人员造成人身伤害。

1.6 振动消除法

振动消除法是用震动设备的激振器，并给与压力容器焊接区进行震动，以此消除压力容器残余应力的方法。震动设备的主要零件是马达，振动应力根据压力容器的大小、形状和重量进行数学建模。原理为使用震动设备产生循环应力来让压力容器残余应力释放。这种方法适用于户外的作业环境，所需设备少，不需要再次处理因为高温热处理遗留的问题。

2 关于消除压力容器残余应力的评估和建议

（1）压力容器在焊接过程产生残余应力的情况不尽相同，而笔者上述的六种消除残余应力的方法也各有利弊，要根据场地、容器材质和设备情况等等情况选择合适消除残余应力的工艺。

（2）我们可以为压力容器的残余应力设置数值，这使我们加深认识残余压力。可是残余应力施加于压力容器的损害，我们却很难描述。因此制造压力容器的时候要谨慎选材，仔细设计结构，还要充分地考虑尽量不使残余应力大面积地发生，稳定压力容器的质量和增加其使用寿命。

（3）综合来说，在常温的工作环境使用超载法经济效益最大，因为超载法操作方便，适用范围广；而整体热处理法作为还在科研阶段的消除压力容器残余应力的方法，工艺现今使用还未成熟，操作过程复杂且成本高，还需投入大量的资源来建设设备，这并不能取得较大的经济性；锤击法大多数作为辅工艺，不用整体投入使用；爆炸法和振动法对设备要求较低，工艺并不繁复，既保障质量又经济。

（4）压力容器的结构设计与消除残余应力的作用息息相关。如果一味偏重压力容器的设计工艺而不考虑焊接的可行性，就会有过多的后续要消除残余应力。设计不合理的焊件内部产生的不平衡内应力，加剧焊接过程中的不均匀加热；焊接的热源对焊接的残余应力也有影响。热源影响压力容器的物理特性甚至是化学特性。

3 结束语

压力容器焊接技术的突飞猛进，有赖于政府的政策大力支持和从事焊接技术工作的科研人员勤奋不懈的奋斗，也有赖于我国蓬勃发展的社会主义经济给生产压力容器的企业提供源源不断的支持，也鼓励其更好的改良推进压力容器消除残余压力的工艺，从而形成压力容器一系列行业的良好循环。但是我们与西方发达国家的焊接技术相比仍有不足之处，因为各种原因，我国压力容器消除残余应力的技术薄，耗能大，技术不够先进。这更加要昂头奋起直追，缩小与发达国家技术的距离，与国际标准接轨。科研拓展出更多针对不同性质，不同种类压力容器消除残余应力的方法，使压力容器的质量更佳，使用寿命更长久。

参考文献

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].北京：机械工业出版社，1992：322.

[2]刘国伟.焊接后热与焊后热处理温度对焊接残余应力松弛的试验研究[J].压力容器，1994（3）：26.

[3]陈登丰.爆炸处理法消除焊接残余应力[J].压力容器，1987（1）：17.