钢制压力容器采用钻孔法检测残余应力

钢制压力容器等焊接承压构件在没有进行消除应力前普遍存在着焊接残余应力。研究表明，压力容器等焊接结构的环焊缝、纵焊缝、人孔加强圈焊缝，接管环焊缝区以及焊接接头热影响区的焊接残余应力较为严重。本文对钢制压力容器纵焊缝和环焊缝的残余应力进行测试，采用钻孔法检测残余应力，分析焊接残余应力的分布规律及相关影响因素。

对焊接残余应力进行测试

分汽缸尺寸Φ426*1250，设计压力为1.6MPa，材质Q235-B，标准椭圆封头，制造校圆时有锤击现象，A、B类焊缝均开单V形坡口，手工电弧焊，水平位置多层焊接，纵缝背面封底，焊材E4303。

环焊缝、纵焊缝残余应力测试分布情况，σ_x和σ_y两向焊接残余应力以焊缝中心基本对称，残余应力的峰值纵焊缝170N/mm²；环焊缝185N/mm²，分别为屈服强度σ_x的72%和78.8%。且环焊缝的焊缝残余应力分布对称性较好，与试板结果相比规律基本相同。纵焊缝的焊接残余应力分布对称性相差，可能与卷筒错边、锤击及约束有关。沿着焊缝长度上焊缝中心的应力均为拉应力，离开焊缝两侧30-40mm为压应力，*大压应力达到80.5N/mm²，由于粘贴应变时对焊缝进行了打磨，因此释放一部分残余应力，且不是把所有焊缝余高打磨干净，则有的测点可能受到影响。

承压洗涤塔焊缝残余应力测试

承压洗涤塔直径Φ1800，设备材质为16MnR，双面手工电弧焊，水平位置，焊条型号为E5015或E5016。根据GB150-89钢制压力容器进行制造、检验和验收。焊前不预热，焊后不进行消除应力处理。

设备纵焊缝残余应力测试结果，纵焊缝残余拉应力峰值238N/mm²为16MnR材料的σ_s的76.4%；设备环焊缝与纵焊缝丁字焊缝接头处的残余应力测试结果可知，显示在丁字缝区域，焊接残余拉应力的*大峰值超过360N/mm²，超过母材屈服极限，并在丁字焊缝的一侧呈现出焊接残余应力分布的无规律性，*大压应力达到115N/mm²，与焊缝垂直及平等的两向应力无对称性，有资料表明，应力峰值超过母材屈服极限的原因可能是制造过程中加工硬化所致。

测试标定的误差

A. 测试残余应变时的标定是单向拉伸试板上进行的，现在人们在计算平面应力状态的焊接残余应力时，应变-应力的换算也是通过上述标定结果，与工程实际存在差异。

B. 在对压力容器进行焊接残余应力测定时，使用双向应变花是在假定残余应力的方向虽与焊缝平等或垂直，但是从三向应变花测出的结果来看，残余应力的方向并不是仅沿这两个方向中，而呈现出不规则性，主方向与焊缝方向的夹角*大可达26°，说明焊缝中即便出现裂纹也不会仅沿焊缝方向或垂直于焊缝方向发生和扩展，可能的裂纹会垂直于所在区域的主应力方向并随方向扩展。

C. 在实际焊接结构中，由于刚性约束的结果，使测试的部分结果呈现不规则性；钻孔时产生的热而显示的应变无法完全恢复，也影响了焊接残余应变的测试。

残余应力分布特点

从测试结果来看，焊接残余应力的分布在焊缝处明显大于母材；平行于焊缝的残余应力大于垂直焊缝的残余应力；在有丁字焊缝的一侧，残余应力叠加。

通常情况下，焊缝及其附近区域的残余应力为拉应力，远离焊缝区域为压应力。焊接残余应力在范围与构件或设备的整体尺寸属于同一数量级，拉压自相平衡。

结论

通过对焊接残余应力的测试和分析可知，焊接残余应力的分布规律主要取决于焊接线能量、焊接接头形式、焊接母材厚度，构件结构形状及焊接约束情况。进一步探讨焊接残余应力的大小及分布规律的因素，测试大量不同焊接和约束状况的构件后，需要分析结论。