CN103160663A - 奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变 - Google Patents
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Abstract
本发明提供奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变，包括：1）用于降低焊接残余应力的过载应变量存在最佳数值，以连续结构区域第一主应力对应方向的应变量为评价指标，过载塑性应变在2%-5%范围内；2）过载时通过变频泵或自控回流阀控制升压速度，加载速度在0.2-0.4MPa/min范围内，通过变形量测量或应变测量控制应变量；3）建造容器时，先对材料做拉伸试验，根据材料的实际单项拉伸曲线确定设计应力和过载应力，采用简化方法计算设计压力和过载压力。本发明所述数值模拟具有广泛性和通用性，且能使评价应力腐蚀和第一拉伸焊接残余应力大幅降低，减低后的残余应力水平与冷卷板后母材的残余应力以及消除应力热处理后的残余应力处于同一水平。
Description
技术领域
本发明属于降低焊制压力容器的应力腐蚀和疲劳损伤的处理方法，具体涉及对奥氏体不锈钢压力容器过载拉伸降低焊接残余应力的最佳应变和控制方法。
背景技术
目前，兵器、航空航天、航母造船、核电、桥梁、压力容器等行业的许多设备采用焊接方法制造，焊接后形成的内部拘束力即残余应力一般高于工作载荷应力，造成设备使用过程的疲劳断裂、应力腐蚀断裂和变形，因此重要设备必须降低焊接残余应力。
奥氏体不锈钢无磁性、有良好的耐蚀性和延展性，在很多行业得到广泛利用，尤其是核电、食品和医疗卫生，但是如果不降低焊接残余应力，奥氏体不锈钢在氯离子环境中的应力腐蚀造成许多设备提前报废，甚至酿成事故。
降低焊接残余应力的方法有热处理法、机械振动法、超声波冲击法、过载法等，压力容器行业应用最广泛的是620℃左右的热处理法用于低碳钢和低合金钢，但是对于奥氏体不锈钢，600℃为其降低晶间腐蚀性能的敏化温度，且残余应力降低量很小，热处理温度需要达到1000℃以上才能有效降低焊接残余应力，这是工程上很难实施的工序。
机械振动法多用于铸件和锻件，由于其振型有效区为动应力有效值达到动应力峰值0.707倍以上的区域，若对压力容器做整体振动，许多焊缝不在有效振动区内，对压力容器采用整体振动法降低焊接残余应力不是一种有效方法。
超声波冲击法是利用20KHz左右的超声振动冲击头冲击工件表面，使其应力状态由拉应力变为压应力，由于冲击头的尺寸限制，多用于局部位置残余应力的降低，如局部修理，用于规模生产效率较低，制造产业很少采用。更重要的是对奥氏体不锈钢冲击过程中产生的大量马氏体降低了材料的抗腐蚀能力，因此用于抗疲劳处理有一定优势，无法用于应力腐蚀环境。
过载法消除焊接残余应力是压力容器制造过程中最便捷的方法，所有压力容器制造过程中需要进行压力试验，通过控制压力试验压力或试验过程中的应变即可实现有效的过载拉伸，达到降低焊接残余应力的目的。
过载法消除残余应力有残余应力分布更加均匀、圆形容器通过过载变得更圆等优点，由于低碳钢和低合金钢有屈服平台，过载拉伸后残余应力的降低效果更好，法国和捷克曾研究过过载法消除球罐焊接残余应力，哈尔滨工业大学的王仲仁团队研究过胀形法制造球罐过程中的焊接残余应力问题，但是考虑到低碳钢和低合金钢过载拉伸过程中的塑性损失和考虑到脆性问题的过载拉伸温度限制，此项技术的应用受到很大限制，未能得以广泛推广。
鉴于面心立方晶格的奥氏体不锈钢具有延伸率50%以上的超好塑性，并且经过大量研究证明，常温过载10%以下的应变对材料力学性能和耐腐蚀性能产生的影响很小，国外应变强化制造压力容器已经形成标准，我国以企标案例方式进行审批。由于应变强化与过载拉伸实际上是同一个过程，只是不同的研究目的和研究对象，因此使常温过载消除残余应力的推广成为可能。
公开号CN102759504A的专利文献公开了一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，包括以下步骤：对焊接微区进行微压剪测试来获得焊接微区载荷-位移曲线，建立微压剪试验过程的3D有限元模型，基于改进的Gurson模型进行有限元逆向反推方法获得焊接微区的真应力应变关系；进行焊接残余应力计算，在进行焊接温度场的计算时，不考虑焊接微区力学性能对温度场变化的影响；获得焊接温度场之后，在进行焊接应力场的计算过程中，将焊接微区的真应力-应变曲线作为焊件温度降低时的常温力学性能参数带入焊接计算模型，计算获得焊接残余应力。
公开号CN101419644的专利文献公开了一种考虑残余应力的车轮外加载荷的应力数值分析方法，包括以下步骤，1)计算残余应力；2)对车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及残余应力数据进行转换；3)考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮外加载荷的应力数值分析。
目前，国内已有过载法消除焊接残余应力的研究，但是没有做过最佳应变量的研究。
焊接残余应力是由于局部温度不均匀、热胀冷缩量不均匀，造成的冷却到常温后变形不协调应力，利用金属材料弹性阶段刚性系数（弹性模量）远大于塑性阶段刚性系数，过载变形初期，残余应力会随着过载应变量增大逐步下降，但随着应变量的加大，材料中位错堆积增多，晶格畸变加大、形变马氏体增多，过大的过载应变会使残余应力产生增加的趋势，因此需要研究降低残余应力的最佳应变。
发明内容
本发明针对奥氏体不锈钢压力容器，提供了过载法降低焊接残余应力的最佳过载塑性应变量和实际使用过程中应变量的测量控制方法。本发明是通过计算机数值模拟和实物测试实验获得的成果。数值模拟可以多次模拟，具有广泛性和通用性，实际测试更符合实际过程，能够弥补理论计算模型的不足，二者互为补充，互为验证，使发明可靠性得到保证。
本发明为一种奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变，包括：
1)以连续结构区域第一主应力对应方向的应变量作为评价指标，过载塑性应变在2%-5%的范围内；
2)过载时通过变频泵或自控回流阀控制升压速度，加载速度在0.2-0.4MPa/min的范围内，通过变形量测量或应变测量控制应变量；
3）建造容器时，先对材料做拉伸试验，根据材料的实际单项拉伸曲线确定设计应力和过载应力，采用简化后的薄壁圆筒或弯曲梁弹性公式计算设计压力和过载压力；
4）考虑焊接残余应力的压力容器损伤方式主要是应力腐蚀和疲劳损伤，应力腐蚀和疲劳损伤的决定因素是第一主应力，因此焊接残余应力降低率以第一主应力为评价指标。
本发明采用了计算机数值模拟和实物实验两个方法进行研究验证：
数值模拟验证：使用SYSWELD软件对奥氏体不锈钢材料焊接过程中产生的残余应力进行数值模拟，再加载不同的过载变形，计算卸载后的残余应力消除效果，残余应力加载采用实际焊接工艺中电流、电压、焊接速度、焊条直径和焊接方法的热转换效率计算出热输入，再根据材料规格、导热系数、比热的热物理参数，计算出焊接过程中工件的温度场分布，根据材料在不同温度下的线膨胀系数、屈服强度、弹性模量、泊松比等力学性能，计算出焊接后工件残留的残余应力大小和分布；
将SYSWELD计算得到的焊接残余应力导入ANSYS或NASTRAN软件中作为初始载荷，然后给容器加压，使容器产生塑性变形，然后卸载载荷，各部件保留的应力即为过载后剩余的残余应力，通过加载不同量值的塑性应变，计算卸载后的剩余残余应力，得到最佳的过载变形和过载载荷；
实物测试验证：在数值模拟后，使用奥氏体不锈钢制的实际压力容器，对焊接过程和过载消除效果进行模拟，先对各压力容器制造单位的制造工艺进行调研统计，按照最普遍使用的工艺制造了一个奥氏体不锈钢制的典型圆筒形结构容器和一个奥氏体不锈钢制的方形结构容器；
对制造完成后的容器在实验室配置高精度压力表、加压泵、加压介质，并进行安全保护装置配置，分析所述奥氏体不锈钢制的两个容器，制定焊接残余应力测试位置布点方案和加载过程中应变量监控点布置方案；
先用X射线衍射法测定加载前的初始焊接残余应力，再采用常规设计压力、常规水压试验压力、以及1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性应变量进行不同载荷量值的加载，每次加载后卸载，测定剩余残余应力，在加载过程中的应变量使用大变形应变花和应变仪进行测量，并记录加载压力，计算加载应力，形成不同的分析曲线；对不同过载过程的应变量、载荷和残余应力分析获得降低残余应力的最佳应变量。
根据本发明，所述数值模拟法使用SYSWELD软件对奥氏体不锈钢材料焊接过程中产生的残余应力进行数值模拟，再加载不同的过载变形，计算卸载后的残余应力消除效果；所述实物测试法，在数值模拟后，使用奥氏体不锈钢制的实际压力容器，先用X射线衍射法测定加载前的初始焊接残余应力，再采用常规设计压力、常规水压试验压力、不同的塑性应变量进行不同载荷量值的加载，每次加载后卸载，测定剩余残余应力；对不同过载过程的应变量、载荷和残余应力分析获得降低残余应力的最佳应变量值。
本发明专利考虑了应力集中和几何结构不连续、材料性能不连续的影响，实际生产中，开孔部位不能处于应力集中区域和结构不连续区域，圆筒形容器开孔直径不大于筒体直径的0.25倍，平板型容器开孔直径不大于板厚度的20倍，不采用贴补的补强方式，最好采用整体补强方式，接管与筒体的焊接方式符合GB150即可，不需特殊要求。在承压部件上焊接支撑件及其垫板时，此部位的焊接残余应力需要通过振动法补充消除。本发明用于异种钢焊接的压力容器时，仅限于奥氏体不锈钢与低碳钢组合方式，不适用于与低合金高强钢和有色金属的组合方式。
采用本发明处理后的压力容器不能免除奥氏体不锈钢的酸洗钝化。
发明效果
通过实验验证，采用本发明处理后的压力容器，圆筒状304和316L材料压力容器主体部分第一残余应力能够由150-280MPa降到50MPa以下，接管根部等应力集中部位能够由200-300MPa降到80MPa以下。带Q235加强筋的夹套方形304和316L材料压力容器，加强筋根部焊缝附近第一残余应力能够由250-350MPa降低到100MPa以下。
采用本发明处理后的压力容器，第一焊接残余应力水平与采用热处理方法处理的压力容器接近，而且焊接接头部位残余应力水平与圆筒容器冷卷部位钢板母材的残余应力接近，设计压力容器时只需考虑材料与介质的匹配性，不需在考虑焊接残余应力的影响。
本发明是通过计算机数值模拟和实物测试实验获得的成果。数值模拟可以多次模拟，具有广泛性和通用性，实际测试更符合实际过程，能够弥补理论计算模型的不足，二者互为补充，互为验证，使发明可靠性得到保证。
过载应变量低时不能通过均化，达到降低的效果。过载应变量高时会增加位错堆积和晶格畸变，增加残余应力水平。采用本发明最佳过载塑性应变量处理后的压力容器，能使评价应力腐蚀和疲劳应力水平的第一拉伸焊接残余应力大幅降低，减低后的残余应力水平与冷卷板后母材的残余应力以及消除应力热处理后的残余应力处于同一水平。
附图说明
图1为本发明一实施例的奥氏体不锈钢制圆筒形容器的主视图。
图2为本发明一实施例的奥氏体不锈钢制方形带拉筋夹套容器的局部主视图。
图3为图2所示的所述奥氏体不锈钢制方形带拉筋夹套容器的局部俯视图。
具体实施方式
以下，结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实例1
如图1所示，在本发明的实施例1中使用了奥氏体不锈钢制的圆形压力容器，所述圆形压力容器内直径600mm，壁厚5mm，包括椭圆封头1、筒节2、筒节3、锥体4、接管法兰5、补强圈6、支座7以及垫板8。所述圆形压力容器的构件主要由06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2以及Q235B三种异种钢材构成，其中，椭圆封头1、筒节2、锥体4、接管法兰5、补强圈6和垫板8分别由06Cr19Ni10异种钢材构成，筒节3由022Cr17Ni12Mo2异种钢构成，支座7由Q235B异种钢材构件。
所述圆形压力容器的筒体用卷板机卷制，锥体用卷板机冷卷制后用液压机冷扳边，椭圆封头有液压机冷冲压成形。
06Cr19Ni10材料对接焊缝9采用3层焊条电弧焊焊接，第1、2遍焊焊使用φ3.2mmA102焊条，电流90-110A，电压20-24V，速度7-9cm/min；第3层焊焊使用φ4mmA102焊条，电流110-130A，电压24-26V，速度8-10cm/min。
022Cr17Ni12Mo2材料纵向对接焊缝10以及06Cr19Ni10和022Cr17Ni12Mo2异种钢环向对接焊缝11采用3层焊条电弧焊焊接，第1、2层焊焊使用φ3.2mmA022焊条，电流100-120A，电压20-24V，速度7-9cm/min；第3层焊焊使用φ4mmA022焊条，电流130-150A，电压24-26V，速度8-10cm/min。
接管角焊缝12采用3层焊条电弧焊焊接，第1层焊焊使用φ3.2mmA022焊条，电流100-120A，电压20-24V，速度7-9cm/min；第2、3层焊焊使用φ4mmA022焊条，电流130-150A，电压24-26V，速度8-10cm/min。
容器制作完成后对主焊缝100%射线检测，Ⅱ级合格。制造厂内做0.1MPa压力下的空气泄漏性检查。
实验室先用X射线衍射法测定加载前的初始焊接残余应力，再采用常规设计压力、常规水压试验压力、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性应变量进行不同载荷量值的加载，每次加载后卸载，测定剩余残余应力，在加载过程中的应变量使用大变形应变花和应变仪进行测量，并记录加载压力，计算加载应力，形成不同的分析曲线；
对不同过载过程的应变量、载荷和残余应力分析，获得第一拉伸残余应力最低时的应变值，与同一产品数值模拟结果相符。
在过载处理前，进行X射线衍射测量，主体焊缝外表面第一残余主应力平均值为200MPa，通过水压加载应变片测控，实施最佳应变过载处理后，第一残余主应力平均值降低为49.5MPa。
实例2
如图2和图3所示，在本发明的实施例2中使用了方形带拉筋夹套容器，所述容器主体的材质为5mm厚的06Cr19Ni10和022Cr17Ni12Mo2两种异种钢，拉筋和夹套的材质为Q235B钢。夹套与拉筋之间采用塞焊连接，主体与拉筋之间采用对称断续角焊缝焊接，使用过程中此角焊缝短时间内出现应力腐蚀，处理目的为降低角焊缝区域主体的焊接残余应力。
所述容器方形带拉筋夹套容器包括主体板13、主体板14、封板15、夹套板16、拉筋17、管接头18，其中，主体板13和封板15由06Cr19Ni10材料构成，主体板14由022Cr17Ni12Mo2材料构成，夹套板16和拉筋17由Q235B钢构成，管接头18由20号钢管构成。
制造工序：
1）分别焊接06Cr19Ni10间的对接焊缝22、022Cr17Ni12Mo2间的对接焊缝24；
2）焊接06Cr19Ni10材与022Cr17Ni12Mo2间的对接焊缝23；
3）焊接06Cr19Ni10材、022Cr17Ni12Mo2材与Q235B材拉筋间的角焊缝19；
4）焊接Q235B材夹套板16与Q235B材拉筋17的塞焊缝20；
5）焊接四周06Cr19Ni10封板15的角焊缝21。
06Cr19Ni10主体对接焊缝22采用3层焊条电弧焊焊接，第1、2层焊焊使用φ3.2mmA102焊条，电流90-110A，电压20-24V，速度7-9cm/min；第3层焊焊使用φ4mmA102焊条，电流110-130A，电压24-26V，速度8-10cm/min。
022Cr17Ni12Mo2材主体对接焊缝24以及06Cr19Ni10和022Cr17Ni12Mo2材异种钢主体对接焊缝23采用3层焊条电弧焊焊接，第1、2层焊焊使用φ3.2mmA022焊条，电流100-120A，电压20-24V，速度7-9cm/min；第3层焊焊使用φ4mmA022焊条，电流130-150A，电压24-26V，速度8-10cm/min。
06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2材与Q235B间的角焊缝19和封板角焊缝21采用2层焊条电弧焊焊接，使用φ4mmA302焊条，电流110-130A，电压24-26V，速度8-10cm/min。
塞焊缝20采用2层焊条电弧焊焊接，使用φ5mmE4303焊条，电流220-240A，电压26-28V，速度10-12cm/min。
容器制作完成后对主焊缝100%射线检测，Ⅱ级合格。制造厂内做0.1MPa压力下的空气泄漏性检查。
实验室先用X射线衍射法测定加载前的初始焊接残余应力，再采用常规设计压力、常规水压试验压力、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性应变量进行不同载荷量值的加载，每次加载后卸载，测定剩余残余应力，在加载过程中的应变量使用大变形应变花和应变仪进行测量，并记录加载压力，计算加载应力，形成不同的分析曲线；
对不同过载过程的应变量、载荷和残余应力分析，获得第一拉伸残余应力最低时的最佳应变值，与同一产品数值模拟结果相符。
在过载处理前，进行X射线衍射测量，异种钢焊接的角焊缝背面（使用过程中接触介质的一面）第一残余主应力平均值为286MPa，实施最佳应变过载处理后第一残余主应力平均值降低为77MPa。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。
Claims (4)
1.一种奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变，其特征在于，包括：
1）用于降低焊接残余应力的过载应变量存在最佳数值，以连续结构区域第一主应力对应方向的应变量为评价指标，过载塑性应变在2%-5%的范围内；
2）过载时通过变频泵或自控回流阀控制升压速度，加载速度在0.2-0.4MPa/min的范围内，通过变形量测量或应变测量控制应变量；
3）建造容器时，先对材料做拉伸试验，根据材料的实际单项拉伸曲线确定设计应力和过载应力，采用简化方法计算设计压力和过载压力。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变，其特征在于，通过如下的数值模拟方法进行验证：
使用SYSWELD软件对奥氏体不锈钢材料焊接过程中产生的残余应力进行数值模拟，再加载不同的过载变形，计算卸载后的残余应力消除效果，残余应力加载采用实际焊接工艺中电流、电压、焊接速度、焊条直径和焊接方法的热转换效率计算出热输入，再根据材料规格、导热系数、比热的热物理参数，计算出焊接过程中工件的温度场分布，根据材料在不同温度下的线膨胀系数、屈服强度、弹性模量、泊松比等力学性能，计算出焊接后工件残留的残余应力大小和分布；
将SYSWELD计算得到焊接残余应力导入ANSYS或NASTRAN软件中作为初始载荷，然后给容器加压，使容器产生塑性变形，然后卸载载荷，各部件保留的应力即为过载后剩余的残余应力，通过加载多次不同量值的塑性应变，计算出卸载后的剩余残余应力，得到最佳的过载变形和过载载荷。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变，其特征在于，通过如下的实物测试方法进行验证：
在数值模拟后，使用奥氏体不锈钢制的实际压力容器，对焊接过程和过载消除效果进行模拟，先对各压力容器制造单位的制造工艺进行调研统计，按照最普遍使用的工艺制造了一个奥氏体不锈钢制的典型圆筒形结构容器和一个奥氏体不锈钢制的方形结构容器；
对制造完成后的容器在实验室配置高精度压力表、加压泵、加压介质，并进行安全保护装置配置，分析所述奥氏体不锈钢制的两个容器，制定焊接残余应力测试位置布点方案和加载过程中应变量监控点布置方案；
先用X射线衍射法测定加载前的初始焊接残余应力，再采用常规设计压力、常规水压试验压力、以及1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性应变量进行不同载荷量值的加载，每次加载后卸载，测定剩余残余应力，在加载过程中的应变量使用大变形应变花和应变仪进行测量，并记录加载压力，计算加载应力，形成不同的分析曲线；
对不同过载过程的应变量、载荷和残余应力分析获得降低残余应力的最佳载荷。
4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢容器焊接残余应力降低过载法的最佳应变，其特征在于，试验前先对母材、焊缝作了拉伸试验，获得材料的机械性能，采用横向和纵向焊缝试板进行受控拉伸过载，获得基础数据。
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