压力容器焊接应力的消除(谷风资料)

压力容器焊接应力的消除

前言

压力容器是工业生产过程中必不可少的重要设备，它广泛应用于化工、炼油、机械、动力、核能以及运输等工业部门。随着工业不断发展，

压力容器的操作条件越来越苛刻，压力从高真空到几万个大气压，温度从超低温到几千度，尺寸也越来越大，某反应堆容器内径达6m多，结构也越采越复杂。同时，压力容器所处理的介质往往又是易燃易爆或有毒的，一旦发生事故，将给国家财产和人民生命带来不可估量的损失。所以加强压力容器的制造质量控制是非常必要的。

1、焊接应力产生的机理及危害

压力容器制造中，焊接和热处理是制造工艺中的关键工序。在焊接过程中，存在着三种附加的内应力，即焊接接头各部位受热及冷却速度不同产生的热应力；金相组织变化产生的组织应力和施焊时容器结构本身的约束产生的拘束应力．如果焊接工艺控制不当，这些应力过大将导致裂纹萌生。另外，由于材料的冷热加工成型工艺不当，将使受压部件韵成型尺寸超差，若

再采用强制组装焊接的方法，还将引起附加的强制组装应力。这些应力在一定条件下，影响着焊接结构的性能。同时，对于某些结构件，所采用的焊接方法、焊接位置和焊接工艺的不同，往往会引起焊接时产生轻微的空冷硬化现象．如效果。

据报导，美国1984年发生的一起单乙醇胺(MEA)吸收器容器焊接接头破坏事故，导致17人死亡，财产损失超过一亿美元。该容器为圆筒形，直径为

2.6m，长度为16M，壁厚为25.4mm，是按照美国机械工程师学会(ASME) 规程中的部分规定设计制造的，该容器主要充装丙烷和硫化氢，工作温度为37.8'C，内压为10PMa。据198S年发表的研究报告中公布的结果，其中一个原因就是因为该容器焊后来经热处理(这是因为ASME规程中没有规定)，结果，焊接热影响区存在潜在的对裂缝敏感的冶金组织、硬度变化和残余应力，三种因素在不同化学介质和操作温度下，共同产生不同类型的、由使用诱发的裂缝。该报告的建议中提出必须对可能产生热影响区硬化的焊接接头进行预热和焊后热处理，使将来出现问题的几率减到最小。由此可见，焊后残余应力的消除是至关重要的。

长期以来，传统的消除残余应力方法是采取焊后热处理方法，因为它是改进焊接接头质量的重要方法之一，但并不是唯一的方法。下面对几种方祛加以介绍分析。

2、焊后热处理

焊后热处理，也称消除应力热处理或消除应力退火。这一方法早巳被用来作为提高焊接产品质量的手段，并在世界各国标准和技术规程里作了具体规定。然而对此使用的术语并不统一；以前一般称之为退火，近十年来，“焊后热处理的叫法巳在世界上得到确认。焊后热处理可分为整体焊后热处理和局部焊后热处理。

2.1 整体焊后热处理

整体焊后热处理分为整体炉内焊后热处理和整体炉外焊后热处理。

2.1.1 整体炉内焊后热处理

当条件许可时，可将整个容器放入加热炉内进行整体热处理。一般采说，

整体炉内焊后热处理去应力效果比较好，特点是加热和保温均匀，温度控制准确，消除应力的程度可以通过温度高低和保温时间长短来调节。但值得注意的是，热处理是一个比较复杂的工序，它不仅消耗大量的能源，而且热处理进行不当；(如时间过长，温度过高等)，还会对结构和金属组织带来

不利的影响。虽然整体炉内焊后热处理有许多优点，但应用此方法需要大型加热炉，消耗热能较大，费用较高。同时制造大型热处理炉还有个利用率

的问题，如果设备利用率不高；则有些得不偿失。而且对特大型容器，如球罐、核电设备的压力外壳等，也法在炉内进行，所以还需要进行整体炉外焊盾热处理

2.1.2整体炉外焊后热处理

当不具备大型加热炉，或容器在现场施工组焊而又需要整体焊后热处理时，这就需要进行整体外焊后热处理。整体炉外焊后熟处理的一种方法是容器内远红外线辐射电加热法。这种方法是采用高温远红外线加热片，在容器内部用支架将加热片合理布置，利用热电偶测温，温控仪控温，在容器外部用保温毡包裹保温的方法进行焊后整体热处理。其特点是灵活性较大，设备投资较少；但操作比较麻烦，而且需要比较精确地计算热处理所需功率，并根据容器结构合理布置加热和选择测温点，去应力效果不如整体炉内焊

层热处理，但在不具备大型加热炉的条件下仍不失为一种较好的整体焊后热处理方法，适用于内件较少的容器。目前我厂巳熟练掌握了此种焊后热处理方法，并已成功地完成了如半贫液闪蒸槽(此设备重38.2t，直径3.4m，长14m，且结构复杂)等十多台压力容器的整体炉外焊后热处理，效果良好。整体炉外焊后热处理的另一种方法是热风法。此法以丙烷、丁烷或天然气为燃料，产

生780℃的热风，用高温鼓风机送入容器内，容器外以绝热层保温，热风在容器内循环加热容器，达到消除应力的目的。这种方法风量大，力口热均匀，能精确控制温度，适用于内件很多的容器。但热风装置复杂，加热速度太慢，加热时间长达光焕发数天,输风管道长，热量损失大，需要大排风量鼓风机，设备耗费大。此外还有内部燃烧法。此法是把容器本身当作燃烧室，外部以绝热层保温，这种方法适用于大型球形容器的现场焊后热处理.

2.2局部焊后热处理

局部焊后热处理主要是对环焊缝进行消除应力处理。局部消除应力处理不应用局部烘烤的办法,而应整个环缝进行。它适用于大型压力容器或结构不能整体加热的场合，由于运输上的限制必须在现场合合组装的场合及现场的管道焊接等局部焊后热处理可分为下面几种。

2.2.1 远红外线辐射加热法

此法与整体炉外焊后热处理中的远红外线辐射片加热法相同，只是加热的方式也可在容器或者说管道的外部；远红外电加热器的型式也多种多样，有框式、片式、履带式、绳式、指式等。这些加热器有结构简单，使用方便,上马快、节电效果显著等优点；也带有测温控温设施，灵活性比较大，对于焊缝返修和现场安装检修时进行局部焊后热处理，具有一定的优越性.

2.2.2 电阻丝加热法

将电阻丝编制成一定形状的加热装置，在要处理的焊缝处，通电加热。这种装置可进行高达1000℃的热处理。这种方法不仅可以从容器外部加热焊缝,也可将加热体放在容器内部环焊缝区，两侧用两片保温层隔离，构成一密闭空间，自成一加热炉。

2.2.3局部内部燃烧法

局部内部烧烧法是用档板将容器焊缝两侧一定范围内隔离,外来语部保温，构成一燃烧室。下部装燃烧器加热，按容器组装珠序分成几段逐次处理。

局部焊后热处理还有工频感应加热法、燃气红外线发生器辐射加热法、低温火焰法等，总体来说，局部焊后热处理消除应力效果不如整体焊后热处理。同时，在复杂结构中采用局部热处理时，应注意产生反作用内应力的可能性，这一点在实际应用中要给予重视。

3、机械消除应力处理

机械消除应力处理主要是采用振动方法用振动处理调整降低焊接残余应力(VSR)方法，就是在被处理的构件上施加一个激振力，强迫构件产生振动，经过一段时间后，能强化金属基体，降低残余应力并使，结构尺寸精度得到稳定。目前国外已得到比较广泛的应用，国内在压力容器上应用的例子还不多见。

许多实验证明，用振动方法降低残余应力的效果可达到(70～80)%。更重要的是它克服了热处理消除应力所引起的尺寸变化(变形)和耗资、耗能大等缺点，人工费仅为热处理的20％左右，能源费仅为热处理的5％，而且处理周期短(只需几十min，而热处理周期十几h)。这种大量节约能源、经费、工时的新工艺方法将会越来越多地在压力容器上代替原来的热处理方法。