承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析(4)

承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析

是快速加热工件，加热过程中的热应力刚好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限造成塑性变形，从而使原始残余应力飞快松弛并趋于稳定化。

⑥ 超声波时效法

前苏联首创超声波时效法，并得到发达国家的推广，该方法起先应用于航空航天、核潜艇、船舶等对消除应力极度严格的军事领域。

（5）应力检测方法

检验工件中残余应力是否得以消除和均化，实际上就是检测振动时的效果，目前总的分为两大类对残余应力的测试方法。一类就是定量测量：如套环法、切割法、喷砂打孔法、磁测法、X射线法、盲孔法等；另一类则是定性测试：如尺寸精度稳定性法、振动参数曲线法等。

① 振动参数曲线法

一个振动时效工艺能否成功，其尺寸精度保持性的测试和残余应力的变化率应是最后的检测方法。但在振动处理的过程中不可能采用上述两种参数，它需要复杂和长时间的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅时间参数曲线测试法，并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现。

A、幅频特性曲线扫描法

随着残余应力在振动处理过程中的下降，构件的内阻尼减少，因此在幅频特性曲线上固有频率下降，共振峰增高并且频带变窄。

B、振幅-时间曲线监测法

幅-频特性曲线是在振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线还需要将激振力调到最小（偏心最小的档级）。采用频率不变的同时画出振幅随时间变化的曲线。这种方法既能够通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可通过振幅的变化量来检测残余应力的变化情况。

② 盲孔法

较为广泛应用的测试残余应力的方法是钻盲孔法。是在被测点上钻一个小孔，使得被测点的应力部分或全部释放，释放的应变量由事先贴在小孔周围的应变计测得，残余应力根据弹性力学的原理计算出来。这种是具有较好的精度方法，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法。

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③ 尺寸精度稳定法

根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的是尺寸精度稳定法。它包括两个方面的内容：一方面是观测构件的尺寸精度随时间的变化量，与精度允差或热时效相比较；另一方面则是同样与传统工艺（热时效）相比，要观察构件在静、动载荷作用后的尺寸精度的变化量，以鉴定振动时效的工艺可行性。

2.3有限元分析法介绍

ANSYS公司的软件是大型通用有限元分析软件，它融声学、电磁、流体、热、结构于一体，可广泛应用于国防军工、铁道、石油化工、生物医学、机械制造、造船、汽车交通、核工业、电子、轻工、能源、航空航天、土木工程、地矿、日用家电、水利等工业及科学的研究。该软件提供了不断改进的功能，具体包括: 计算流体动力分析设计优化、电磁分析、结构高度非线性分析、有限转动功能、大应变、自适应网格划分、接触分析以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令的功能。Motif的菜单系统使用户能够通过下拉式菜单、子菜单和对话框进行数据的输入和功能的选择，方便了用户的操作。在产品设计上，用户使用ANSYS有限元软件能够对产品的性能进行仿真的分析，找出产品问题，降低设计的成本，缩短设计的周期，提高设计成功率。是现代产品设计中众多高版本的CAD/CAE软件之一。

ANSYS有限元分析软件具有强大的功能，其技术特点为： 能唯一实现独特的多领域，多场耦合分析软件；统一数据库的一体化大型FEA分析软件是唯一能实现前后处理、求解及多场的分析；FEA是唯一具有多物理场优化功能的软件；唯一具有中文界面的有限元分析软件；具有使用于不一样的问题和硬件配置的多种求解器；具有强大的非线性分析功能；支持异种异构功能网络浮动，在异构、异种平台上支持界面的统一，数据文件的通用；强大的并行计算功能，支持共享内存式并行和分布式并行；多种用户的网格划分技术；完善用户开发环境的同时，ANSYS软件拥有完善和丰富多彩的单元库、求解器和材料模型库，保证它能高效地求解各类别结构的振动、线性、静力、动力和非有限元法、ANSYS及其二次开发技术的线性问题，瞬态和稳态热分析及热结构耦合问题，不可压缩和压缩的流体问题。其友好的程序结构和图形界面，交互式的图形软件和前后处理，用

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户在实际工程问题中大大地减轻了创建模型、有限元求解以及对结果的分析和评价的工作量。统一集中式的数据库有效可靠的集成了各模块，并实现了友好连接多个CAD/CAF软件。

例如：ANSYS疲劳分析。投放市场后的企业产品，在耐久性方面如果出现问题许多新产品将会失去竞争力，为企业带来经济损失，同时又使企业蒙受巨大的负面影响。在我国，由于可靠性与疲劳耐久性不过关造成的产品问题的现象更是普遍存在，在国际上国产产品缺乏竞争力。在国际上，每年因结构疲劳，大量产品在有效寿命内报废，恶性事故因疲劳破坏也时有出现。据不完全统计，早期欧洲每年断裂造成的损失多达800亿欧元，而早期美国每年断裂造成的损失高达1190亿美元，其中由于疲劳引起的断裂率占95%。而通过应用疲劳耐久性分析技术，是能够避免其中50%的，因此许多企业产品质量控制的主要指标定为疲劳耐久性。

在传统的设计中，在概念或详细设计阶段设计人员估计产品的寿命通常使用简单而不真实的计算来，而通过一定量物理样机的耐久试验才能得到估计寿命的验证，不但耗资巨大、试验周期长，而且也不可能在试验中得出许多相关参数与失效的定量关系，许多偶然原因可能影响试验结论。因此产品设计人员越来越关注对于产品疲劳寿命的仿真分析方法。可在制造之前用ANSYS进行疲劳分析和优化设计物理样机，真实、准确地预测产品的寿命，实现了等寿命周期的设计。设计阶段的耐久性分析能够缩短产品推向市场的时间、大幅提高产品可靠性，极大地降低了进行耐久性试验和制造物理样机所带来的大额研发费用。

2.4承压容器的焊接管理

压力容器，尤其多为焊接结构的大型石化装备，因不可整体成型制造，其基本都为全焊透接头形式，一次整体的热处理则会消耗掉大量的物力、人力。应该从母材自身的热物理性能、容器的用途及厚度，等各个方面来综合考虑。承压设备如果符合下列状态的应该进行焊后热处理。

(1)一些容器运行在强酸腐蚀、高压、高温等条件苛刻的工况下、还有一些在低温环境中工作的容器，低温韧性脆转变性能可能发生脆性断裂事故，工作中其它一些容器会承受交变载荷或者单向载荷，接头内部方向及应力幅值可通过热

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处理改变，避免拉伸载荷扩展裂纹。

(2)容器壳体达到一定厚度值，沿厚度方向的残余应力必然存在于具有超厚板材的容器焊接接头，接头处的三轴应力状态，也要对其进行热处理。

(3)某些压力容器后期还要在焊接部位安装各种部件，这就要求为经过焊接后结构尺寸不能发生很大变化，否则装配和安装会有误差，这类容器增加结构的稳定性需要经过焊后热处理，保证与原有尺寸不偏离。

(4)在容器的制造过程中，在选择母材上不可能完全正确，有时候在焊接一些指定的母材材料时，由高温的熔池冷却到常温的焊道，由于母材本身的热物理性能有差别，冷却速度较快，焊道中的微观组织就较硬，就像淬火过程中较硬的马氏体组织。这类容器改善组织结构必然要进行焊接热处理。

(5)一些承压设备不仅在腐蚀介质中工作，还会在压力作用下工作，实际生产经验表明影响压力容器安全运行的原因是应力腐蚀开裂。

(6)特制的一些承压设备，专门做了焊后热处理的规定，应严格执行。在钢制焊接压力容器中，特别是厚板接头，其焊道数达到了几十层，接头承受的温度场比较复杂，产生的焊接残余应力有可能远远的超过母材的屈服强度，因此超厚板材的焊接，是否选择合适的热处理工艺就意味着是否能达到最理想的热处理效果。

国内目前还没有专用的焊后热处理标准对于承压类特种设备，多为参照设备制造、安装标准中所使用的热处理工艺规定进行。而压力管道制造和国内承压设备和安装标准中只规定了焊后热处理工艺中的升降温速度、时间、热处理温度等要素，对热处理过程并没有做详细说明，如保温棉厚度、加热器面积及功率、热处理设备功率、热电偶型号、测温点布置等。

局部焊接热绝缘区之后确定类设备进行压力焊接接头，处理加热区和基材厚度之间的关系，以确保焊后热处理过程中的稳定性。焊后热处理（焊后热处理，焊后热处理）旨在改善接头性能的焊接接头不均匀和不理想的组织，消除和减少对使用性能的结构焊接残余应力的影响。 ①局部平均温度焊接面积：焊后热处理如下需要工件（称为焊件）均匀地加热金属相变点以下，在足够高的温度下一定时间，然后再均匀的冷却过程中，关键的过程是在热处理后，焊件达到预定的温度范围。平均温度区应包括热影响区，焊接区和邻近于基材。 ②为了确保在

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预定的范围内获得均匀的温度区加热带，并设置加热区。以确保绝对的预定范围内热带获得均匀的温度区，并设置隔热区域。 ④在焊后热处理保持温度，在焊接件的热处理区域，以保持在预定的温度范围。 ⑤保持时间。开始焊件在保持热处理区域保持在保持时间的时间内，当所有的测量点温度已达到的保持温度在预定范围的下限时结束在一个测量点处的温度时或者下降到一个预定的限制值后。图从基材的不同区域2-1焊后热处理到焊接：

图2-1 焊缝到母材区域

图2-1焊到基座的金属区域在热处理。规定焊后热处理温度应不超过在内的平均温度温带任何点高。之内的所有温带温度的范围应通过加热宽度规范符合性得到保证，它应保证绝对热带热效率，并防止有害的温度梯度。在条例“压力设备焊后热处理过程”，等等后的焊接厚度昂WˉˉHR厚度充分渗透对接焊后热处理厚度（不包括加固），此时用相同的厚度为基料。建议的做法，只给一个粗略的板缝领域，如最短培养时间的规定，当6MR> 125MM，不同类别的基础材料给予不同的培养时间。根据> 125NMA厚度范围，建议的方法尤其适用。热处理加工的效果。从出发地的热处理的实际效果的角度为5-150MM规格Q345R板以模拟局部焊后热处理试验，测量各个局部热处理工艺温度场，在测试中，温度场的分布，并结合理论计算，出去后偏厚6 50MM钢焊后热处理的焊缝宽度小，经验式绝缘区宽度，有效加热区的宽度的经验公式。

2.5焊接结构的有限元分析理论

计算机辅助工程(CAE)领域中应用最广泛的有限元分析软件的是ANSYS，通

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