降低现场组焊压力容器焊接应力的方法探究
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摘要：压力容器制造中至关重要的一个环节就是焊接工作，可以说其对于压力容器的质量有着决定性的、不可替代的作用。在进行焊接时，我们难免会碰到各种大小不等的焊接应力问题。本文从现场组焊压力容器焊接应力的产生原理入手，结合应力的危害，简要探讨了降低应力的方法。
中图分类号： TH49 文献标识码： A
一、压力容器焊接应力原理
在生产压力容器时，制造过程最为关键的工序可以说就是现场组对、焊接和热处理环节，压力容器焊接就是对于不均匀容器局部进行加热的过程，而此过程会带来金属材料内的不均匀收缩或者膨胀，由此就可能会带来3 种附加内应力，即焊接接头由于受热和冷却的快慢不同而产生的热应力，金相组织变化产生的组织应力和由于压力容器本身的约束而产生的约束应力，这些内应力的峰值大小和分布状态极其复杂。在压力容器焊接后，结构的焊缝区也往往会产生残余应力，残余应力是由于焊接过程中不均匀的加热场造成容器的内应力达到材料金属的屈服极限，以致于局部区域产生了塑性变形，当温度又回到最初的均匀状态后，内应力仍然存在于容器结构中造成的。残余应力的水平和分布更是相当的复杂，只有掌握了压力容器焊接应力的产生原理，才能够迅速有效地制定出减少或消除焊接应力的对策，使压力容器在生产制造时能够按质完成。
二、应力带来的危害
因为压力容器在容量、型号以及参数等方面都有着较大的不确定性，这也就让焊接结构尺寸、焊接工艺、施焊程序等有复杂变化，由此也就造成了焊接应力分布和峰值直接对应力腐蚀开裂或者压力容器疲劳破坏等产生不良影响。由于焊接，会产生复杂的应力变形，它的危害主要体现在：由于焊接时的温度变化范围大，从焊缝的中心到边缘温度会急剧下降，导致温度变化的梯度特别大；焊接加热会产生很高的温度，高温会导致材料金属的力学性能和热物理性能下降；由于焊接的温度变化极大，局部温度超过相变温度会引发局部相变。如果焊接技术应用不当，这些潜在的危害就会促使应力产生并增大，应力过大会迫使压力容器产生裂痕，会造成受压部件的成形尺寸较差，极大地影响了焊接结构的性能，产生了严重的破坏效果。
三、现场降低合金钢压力容器焊接应力方法
1、设计策略
在进行压力容器的焊接时，必然会出现应力问题，而这必然存在，但是，我们可以使用一些有效地设计来降低焊接应力。对于这些设计而言，主要方法有：保证结构性能的前提下，尽可能的缩短焊缝的数量、长度和截面尺寸，同时焊缝不能过于密集，又要避免交叉；焊接时尽可能地降低接头刚度，选择刚性较小的接头形式；还可以采用反变形法，用翻边连接的方式替代插入管连接的方式，但尽量将平板少量翻边。
2、组对工艺减少焊接应力
现场分片到货的压力容器由于现场组装环境简单，又没有校正设备，组装质量的好坏对焊接应力也会产生影响，主要采取以下措施降低焊接应力：
设备组对时，采用工卡具调整组对间隙和错边量，不得进行强力组装。
开口接管不得与筒体环焊缝、纵焊缝和封头上的拼接焊缝相碰，且相邻焊缝边缘距离不小于100mm。
在焊接接头环向形成的棱角,用弦长等于1/6内径，且不小于300mm的内样板或外样板检查，其值不得大于（δ/10+2）mm，且不大于5mm。
检查合格后，不应立即施焊，应对其采取防变形措施，即支撑圈，其应在离顶部、底部各200mm处各设置1个、中部设置1个。具体措施见下图：
3、工艺方法
在对于重要的合金结构钢如SA-387Gr11CL1等强度较高的合金钢钢进行焊接时，我们可以采取对容器焊道进行焊前预热的方式，把容器焊道加热到一个特定的温度160～250℃之后再进行焊接。预热能够有效地降低焊缝区金属和周围金属之间存在的温差，焊后进行250～350℃之间的后热处理，又可以相对均匀地同时冷却，进而实现了降低焊接内应力的作用。焊接塑性较好的钢材时，可以使用手锤锤击焊缝，锤击要在焊后热态情况下按一定方向进行，以延展焊缝材料金属的塑性，降低内应力。还可以加热适当部位，靠加热区金属的伸长带动焊接部位产生一个与焊接方向相反的变形，使被加热部位的冷却收缩与焊接收缩方向相一致，减少焊接应力。
4、液压超压消应力
此方法又被称之为机械拉伸法或者是超载法。只要条件可控，我们可以对于压力容器施加一次或多次相较之于一般工作状态下稍大外载荷，从而让外载荷所带来的应力与压力容器焊接应力彼此之间进行叠加，其本质是借助液体压力产生拉应力进而释放或消除焊接应力，由不稳定状态进入稳定状态。若叠加后的合成应力低于材料屈服极限时，呈现弹性状态，应力与应变变成直线关系；若叠加后的合成应力达到材料屈服极限，局部区域便产生塑性变形，伴随外加应力值的递增，合成应力达到屈服极限的范围变大，产生塑性变形的范围也相应变大，但是应力值没有增加，然后开始卸除外载荷，屈服变形和弹性变形的区域同时以弹性状态恢复，这样便部分消除了压力容器内部的焊接残余应力，其实被消除的焊接残余应力等于外载荷的应力值。这种液压超压法收到了良好的效果，方法便捷，效果显著，经济适用，同时进行了质量检验和应力消除，因为水压试验是压力容器生产制造的必经工序，所以能收到一举两得的效果。
5、整体焊后热处理
此方法分炉外和炉内两种方法。如果条件允许，将压力容器整个放到加热炉加热，一般炉内法降低焊接应力效果明显，加热和保温均匀，温度场易控制，所降低压力能通过调节温度高低和保温时间长短控制。但是，大多数的压力容器结构较大，整体无法进入到加热炉中，此时可对其作整体炉外焊后热处理，此方法大都要在容器外部覆盖一层特殊的保温层，而在容器内部可以采用内燃法，即在容器内部喷射燃料燃烧加热，或者采用电热法进行内部热处理，这种方法要在容器内部合理安置加热片，还能够使用热电偶测温和控温仪控温，这种方法适用于内部结构简单的压力容器。这种方法设备投资少，灵活性大，但实际操作起来会比较麻烦，总体来说，仍不失为一种不错的方法。其他类似的方法还有热风法，即把高温热风用鼓风机吹进容器内部，热风流动会循环加热容器，从而降低其焊接应力。
6、局部焊后热处理
此方法并非简单作局部烘烤，而是对焊缝整体作处理，主要有远红外线辐射加热法和电阻丝加热法。远红外线加热器形式多样，可是片式、绳式、履带式等，其节电效果好，结构简单，环境适应强。电阻丝加热是把电阻丝以一定的形状缠绕在要处理的焊缝上进行加热，可容器内外同时加热，也可用隔温片在容器内部构成一个密闭空间，自成一个加热炉。
结论
任何一种降低压力容器焊接应力均利弊都有，所以，处理焊接应力要根据实际，寻找最佳结合点，更好的让压力容器既安全可靠又经济适用。
参考文献：
[1] 许中义,金海荣.压力容器焊接应力的消除[J].安装.2012(03)
[2] 邹挺.锅炉焊接应力形成以及减少与消除的方法[J].应用能源技术.2011(06)