浅谈压力容器制造过程中产生的残余应力及其测量

董 樑*

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

压力容器是化工、石油和电力等各个行业的关键设备。 压力容器的制造过程涉及多个阶段，包括材料加工、焊接和装配。在这些过程中，残余应力会残留在材料中，影响压力容器的性能和安全。残余应力是在施加外部载荷或经受不均匀的加热及冷却后材料中残留的应力。如果残余应力超过材料的屈服强度，就会导致部件变形、开裂甚至失效。本文全面回顾了压力容器制造中产生的残余应力情况以及可用于测量这些应力的技术，探讨了压力容器制造中残余应力的各种来源，包括材料加工、焊接和装配，还将可用于测量压力容器残余应力的技术进行了比较，主要包括 X 射线衍射法、中子衍射法和钻孔法。

1 压力容器制造中残余应力的来源

在制造的各个阶段，包括材料加工、焊接和组装过程，残余应力可能会引入压力容器部件中。由于不均匀变形或热梯度影响，材料加工（例如轧制或锻造）可能会产生残余应力；由于不均匀冷却、相变和冶金变化，焊接也会使材料产生残余应力，由于螺栓或夹紧力的不均匀拧紧，装配过程也会导致残材料产生余应力。

1.1 材料加工

由于不均匀变形、热梯度或相变，材料在加工过程中可能会产生残余应力。例如，轧制或锻造会由于不均匀的变形和冷却速率而产生残余应力。不同形式的热处理过程可能会使材料出现热梯度，导致材料中产生热应力和残余应力[1]，热处理时的相变也会因体积变化而产生残余应力。国内外研究者们还发现，弯曲和轧制等成型工艺会使材料产生显著的残余应力，特别是在高曲率区域。成型过程中产生的残余应力是由于材料变形和几何形状变化引起的应力重新分布[2]。

1.2 焊接

由于不均匀冷却、相变和金相组织变化，焊接会使材料产生残余应力。在焊接过程中，材料承受高温，这会导致其内部产生不均匀的冷却速率和热梯度，从而导致残余应力。在焊接过程中材料也会发生相变，这会导致其产生体积变化和残余应力[3]。金相组织变化（例如晶粒生长）也会影响材料中的残余应力。研究显示[4]，焊接是压力容器残余应力的主要来源，焊接区域的残余应力水平最高。焊接过程中材料经历了快速加热和冷却过程，导致其中形成了复杂的微观结构和大量的塑性变形，这是也是残余应力较高水平的原因。

1.3 装配

由于螺栓或夹紧时拧紧不均匀，装配过程可能会导致材料产生残余应力。在装配过程中，如果螺栓拧紧时施力不均匀，或者夹紧力分布不均匀，就会使材料产生残余应力。残余应力的大小和分布取决于紧固扭矩或夹紧力以及材料的刚度。

另一方面，研究发现热处理工艺对压力容器中的残余应力分布具有相对较小的影响。这是因为热处理过程通常涉及缓慢且受控的加热和冷却，这使材料松弛并最大限度地减少了残余应力的积累[5]。

总的来说，在压力容器制造过程中应仔细考虑使用的制造工艺的重要性，特别是焊接和成型工艺，这些工艺常常是残余应力的主要来源。了解残余应力的来源及测量方式可用于指导制造工艺的设计和优化，最大限度地减少残余应力并提高压力容器的性能和可靠性。

2 压力容器残余应力测量技术

目前，多种技术可用于测量压力容器中的残余应力，包括 X 射线衍射法、中子衍射法和钻孔法。这些方法可以完整了解材料中残余应力的分布情况。X 射线衍射法是测量压力容器中残余应力最广泛的技术，因为其具有高精度、非破坏性以及对材料中残余应力分布的完整了解的能力。中子衍射法也同用于测量残余应力，特别是在厚壁部件中，但由于成本高且可用范围有限，因此应用较少。钻孔法是一种半破坏性技术，需在材料中钻一个小孔并测量孔周围的应力释放情况。这种方法不如 X 射线或中子衍射准确，但更简单且更经济。多种技术均可用于测量压力容器中的残余应力，且每种技术各有优缺点[6]。

2.1 X射线衍射法

X 射线衍射法是测量压力容器残余应力最广泛使用的技术。该技术基于以下原理：当晶体暴露在 X射线中时，会以晶体结构特有的特定模式散射 X 射线。通过测量衍射图案，可以确定晶体的晶格间距，并据此计算材料中的残余应力[7]。

在 X 射线衍射法中，材料的一小块区域暴露在X 射线线束下，然后使用检测器测量产生衍射图案。然后分析衍射图案，并使用弹性方程计算残余应力。这种方法是非破坏性的，可以对材料中残余应力分布进行完整了解。然而，该方法需要专门的设备和专业知识，并且该方法的准确性在很大程度上取决于 X射线衍射数据的质量。

2.2 中子衍射法

中子衍射法是另一种测量压力容器中残余应力的技术。该技术与 X 射线衍射法原理相同，但使用中子而不是 X 射线来确定晶体的晶格间距。中子比X 射线具有更强的穿透深度，这使得该技术特别适用于厚壁部件[8]。

中子衍射法中是将一束中子射向材料，并使用检测器测量由此产生的衍射图案。然后根据衍射图确定晶体的晶格间距，并且使用弹性方程计算残余应力。这种方法也是非破坏性的，但比 X 射线衍射法更昂贵且应用范围更广。

2.3 钻孔法

钻孔法是一种半破坏性的压力容器残余应力测量技术。这种方法需在材料上钻一个小孔，从而释放孔周围的应力。然后使用应变计测量孔周围的变形，并使用弹性方程式计算残余应力。

钻孔方法不如 X 射线或中子衍射准确，但更简单且更经济。该方法还可以在现场使用，是现场测量残余应力的便捷方法。但需要注意的是，该方法只能测量孔所在位置的残余应力，该方法的精度取决于孔的大小和位置[9]。

3 残余应力测量技术优缺点比较及影响因素讨论

3.1 不同技术测量残余应力的比较

X 射线衍射和中子衍射都是非破坏性技术，均使用衍射图案来测量由残余应力引起的应变情况。由于其高精度、易用性和可用性，X 射线衍射是残余应力测量领域中常用的技术。适用于常规容器筒体、封头部位的残余应力测试。但这种方法对测试表面要求较高，对于结构复杂或几何不连续处的应用有局限性。与 X 射线衍射相比，中子衍射是一种更先进的技术，能够测量材料中更深处的残余应力，应用范围更广且价格更高。这种方法适用于厚壁高压容器筒壁或封头处的残余应力测试。钻孔法是一种破坏性技术，需在材料中钻孔并使用应变计测量由残余应力释放引起的应变[10]。与 X 射线和中子衍射相比，这是一种更简单且更经济的方法，并且其应用不受容器结构形状的限制，对于局部几何不连续处，钻孔法具有一定优势。但其仅限于测量材料表面附近的残余应力，并且会因去除材料而存在误差。研究结果表明，X 射线衍射和中子衍射均可有效测量压力容器中的残余应力，其中 X 射线衍射较为常用。钻孔法是一种更简单且更经济的替代方法，但在解释结果时应考虑其有限的深度和潜在的错误。

总的来说，压力容器残余应力测量技术的选择应基于对应用场合、测量精度和深度以及不同技术的适用性和成本的综合考虑。

3.2 影响残余应力测量精度和可靠性的因素

综合国内外研究发现影响压力容器残余应力测量准确性和可靠性的因素较多。以下分别从样品制备、测量技术、数据分析和环境因素进行讨论。

样品制备对残余应力测量的准确性和可靠性起着至关重要的作用。材料的表面状况和测量方向相对于材料微观结构的对齐方式会显着影响测量结果。因此必须仔细准备样品，以去除可能影响测量的任何表面损坏或污染。

测量技术是影响残余应力测量准确性和可靠性的另一个关键因素。选择合适的测量技术取决于需要测量的残余应力的类型和深度。不同的技术各有优势和局限性，应根据具体应用选择合适的技术。

数据分析对于确保残余应力测量的准确性和可靠性也至关重要。应使用适当的数据分析技术（如峰值拟合和残余应力计算）对衍射图案或应变测量进行解释，确保结果准确、可靠。

温度、湿度和振动等环境因素也会影响残余应力测量的准确性和可靠性。这些因素会在测量中引入误差或影响用于测量的设备的稳定性。适当的环境控制对于确保准确可靠的测量是必要的。

研究结果表明，压力容器残余应力测量的准确性和可靠性受多种因素影响，包括样品制备、测量技术、数据分析和环境因素。应仔细考虑和优化这些因素，确保准确可靠地测量残余应力，这对于压力容器的安全高效运行至关重要。

4 结论

本文主要对压力容器制造过程中产生的残余应力及其测量技术进行了比较分析。通过对不同测量方法的优缺点进行了详细阐述，并得出以下结论。

首先，在制造的各个阶段，包括材料加工、焊接和组装，残余应力可能会引入压力容器部件中，对于不同工艺流程，不同原因形成的残余应力应选择合适的测试方法进行测试。其次，X 射线衍射法、中子衍射法、钻孔法是目前应用比较广泛的非破坏性测量方法。前两种方法均具有高精度、高灵敏度、非接触性等优点，且可适用于多种材料的测量；同时，也存在着各自的局限性，如X射线衍射法受样品的晶体结构、厚度等因素的影响，而中子衍射法则需要在大型中子源实验室中进行。而钻孔法是一种更简单且更经济的方法，并且不受容器结构形状限制，对于局部几何不连续处，或者压力容器制造试板的残余应力测试方面，钻孔法具有一定优势。

最后，未来的研究方向可以从以下几个方面进行探索：

（1）发展更高精度的残余应力测量方法，针对X射线衍射法和中子衍射法存在的局限性，可以进一步探索新的测量方法，如激光衍射法、电子衍射法等；

（2）拓展应用领域，当前残余应力的研究主要集中在压力容器制造领域，但残余应力在材料加工、机械制造等领域也有着广泛应用，未来可以将残余应力的研究拓展到更多领域；

（3）提高测量效率，X 射线衍射法和中子衍射法虽然精度较高，但测量时间长。可以研究新的算法和技术，提高测量效率，以更好地适应工业生产的需求。

综上所述，残余应力的测量和分析对于压力容器的制造和使用具有重要意义。未来的研究方向应该围绕着提高测量精度和扩展应用领域，同时也需要考虑测量效率和成本的问题。相信随着技术的不断发展和创新，残余应力测试在压力容器制造领域将会得到更加深入和广泛的应用。