杜 非，劉懌歡，張晉軍，李菊峰

（1.天津鼎華檢測科技有限公司，天津 300192；2.天津市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院，天津 300192）

0 引言

殘余應力可導致金屬材料發(fā)生應力腐蝕開裂、疲勞壽命下降等問題，是設備失效的主要誘因之一。據統(tǒng)計，應力腐蝕開裂造成的設備事故在整個石化設備腐蝕破壞事故中的比例高達50%左右[1]?；ぴO備制造過程中的焊接等工藝將產生明顯的殘余應力，是生產環(huán)境下焊接接頭失效的重要誘因?；ぴO備在焊接后通常會進行整體或局部熱處理以降低有害的殘余拉應力，但一般不會對處理后的殘余應力進行檢測，難以保證處理的有效性。因此，選擇適用于化工設備的殘余應力測量方法，可根據應力值評估設備的安全風險，指導、評價殘余應力的處理和改善，對提高設備的安全性能和使用壽命具有重要意義。

殘余應力檢測方法可分為有損方法和無損方法兩大類。有損檢測方法是指移除被測對象的部分材料使殘余應力得到釋放，通過測量產生的應變實現殘余應力的檢測，包括剝層法[2]、全應變釋放法[3]、環(huán)芯法[4]和鉆孔法[5]等。但該類方法對材料會產生不同程度的破壞，對于安全性要求較高的化工設備難以應用。因此，對于化工設備尤其是在用設備的殘余應力，一般選擇無損方法進行檢測。目前，已有部分學者對各類殘余應力檢測方法進行了綜述和比較[6-8]，但并未結合化工設備的實際檢測條件進行分析和評估。本文結合化工設備的特點和實際應用情況，分析了化工設備對殘余應力檢測方法的具體要求，對現有方法的技術特點和適用工況進行了整理和總結，并對化工設備殘余應力的檢測方案進行了探討。

1 化工設備殘余應力檢測要求

化工設備的殘余應力主要源自加工過程中產生的機械應力和熱應力。設備制造過程中，各部件在安裝或組裝前一般已分別經過去應力處理，因此在用設備的殘余應力主要產生在焊接的接頭和修復部位，這些部位也是疲勞裂紋、應力腐蝕等應力敏感缺陷的高發(fā)區(qū)域。在選擇化工設備的殘余應力檢測方法時，應根據設備的現場條件、檢測部位和可操作性從以下方面予以考慮：

（1）可靠性。檢測方法應具有較高的精度和魯棒性，對外部環(huán)境等干擾因素不敏感，在現場條件下依然具有良好的準確性、重復性和可靠性，為殘余應力的處理和評價提供參考。

（2）易用性?；ぴO備體積較大，由于部分焊接需在現場進行，因此要求方法具有原位檢測能力，檢測設備應具有較好的便攜性和靈活性，能夠滿足不同位置的檢測需求。

（3）檢測效率?；ぴO備焊縫數量較多，需要檢測方法具有較快的檢測速度以滿足現場檢測要求。此外，現場條件下被測表面的預處理也應視作檢測時間的一部分。

（4）設備成本。檢測方法應具有相對較低的設備成本，包括一次性成本和后期使用、維護及耗材的開銷，以保證檢測方法可被推廣應用。

2 殘余應力無損檢測方法

由于殘余應力屬于內部應力，在不破壞工件的前提下直接測量較為困難，因此通常通過測量與其相關的材料物性或晶體結構參數，以間接方式實現殘余應力的無損檢測?，F有方法主要包括壓痕應變法、X 射線衍射法、中子衍射法、磁方法和超聲波法等。

2.1 壓痕應變法

壓痕應變法在工件表面壓入球型壓痕產生材料流變從而引起受力材料的松弛變形，在其誘導和材料殘余應力的作用下，壓痕產生的彈塑性區(qū)和周圍應力應變場也會產生變化。通過測量兩種行為疊加產生的應變量，可求解得到殘余應力的大小，如圖1 所示[9]。為獲取求解過程中所需的材料力學參數，壓痕應變法需采用與待測工件材料相同的試板進行標定實驗，以保證檢測結果的準確性。

圖1 壓痕應變法測量殘余應力示意圖

可靠性方面，壓痕應變法的影響因素較少，在標定完善的情況下具有較好的測量精度，但由于采用計算求解，其對被測區(qū)域材料的一致性要求較高：對于材料均勻的母材區(qū)域，該方法具有較好的檢測效果；而對于材料成分復雜的焊縫區(qū)域，其檢測結果會受到一定影響。易用性方面，壓痕應變法設備體積較小，具有較好的便攜性，操作簡單，但需要垂直固定壓痕設備，由人員操作對壓痕進行導向，對被測點周圍及上方空間具有一定要求，對垂直、倒置的檢測部位操作較為困難。效率方面，壓痕應變法需完成工件表面打磨、粘貼應變片、對中壓痕等操作流程，檢測效率一般。成本方面，壓痕應變法設備價格較低，具有良好的可推廣性。

2.2 X 射線衍射法

對于具有晶體結構的金屬材料，殘余應力將導致其晶面間距發(fā)生變化。X 射線衍射法則通過測量材料的晶面間距實現殘余應力的檢測[10]。X 射線照射材料表面時，當射線波長、入射角度、衍射晶格間距和衍射角符合布拉格定律時，在衍射角方向可接收到射線的最大衍射峰值，據此可以計算得到檢測點的晶面間距。根據彈性力學方程和材料晶格參數，即可求出被測點某一方向的應力值，如圖2 所示。

圖2 晶體中X 射線的布拉格衍射

可靠性方面，X 射線衍射法具有較高的測量精度、空間分辨率和穩(wěn)定性，是目前最為成熟的殘余應力無損檢測方法。但該方法對于大晶?；蚩棙嫿M織的材料檢測效果相對較差，有效測量深度僅有數十微米，難以獲取材料內部的殘余應力信息。易用性方面，現已有小型化檢測設備可用于現場檢測，但需采取一定的射線防護措施。此外，X 射線衍射法為非接觸檢測方法，與被測點之間可具有一定的提離值，對一些空間較小的特殊結構和部位具有較好的檢測效果。效率方面，該方法應力測量時間僅需數十秒，但由于檢測深度極淺，因此對材料的表面預處理要求極高，常規(guī)打磨后還需進行電解拋光，較大程度上影響了檢測效率。價格方面，該類設備價格相對較高，不同的檢測金屬還需采用不同靶材，一定程度上限制了該方法的推廣。

2.3 中子衍射法

中子衍射法與X 射線衍射法原理相似，均基于布拉格衍射原理通過測量材料的晶面間距實現殘余應力的檢測。與X 射線相比，中子具有更強的穿透能力，可對材料近表面的殘余應力進行檢測[11]。中子衍射應力儀通過限束光學系統(tǒng)控制入射和接收中子束的寬度和位置，實現對檢測部位的選擇，典型檢測光路如圖3 所示。

圖3 中子衍射法檢測應力的光路

可靠性方面，中子衍射方法理論成熟、結果準確，其最大優(yōu)勢在于可對材料表面及一定深度內的殘余應力進行檢測。易用性方面，中子衍射設備體積龐大，僅能在實驗室環(huán)境下使用，無法滿足工業(yè)現場的檢測需求。效率方面，中子源的流強較弱，測量時間較長，但試樣制備過程不需要精密的表面處理。成本方面，中子源裝置費用極其昂貴，國內裝置數量也極為有限，目前無法廣泛推廣應用。

2.4 磁方法

磁方法是利用應力對材料磁學特性的影響來實現殘余應力的測量，適用于鐵磁性材料的殘余應力檢測，常用方法包括電磁檢測法和磁噪聲法。

殘余應力在鐵磁性材料中會產生磁各向異性，電磁檢測法即基于這一原理實現殘余應力的檢測[12]。該方法采用交流磁化激勵，對無應力條件下等磁位點的磁位差進行測量得到該處的殘余應力值，如圖4 所示。為確定磁位差與應力值之間的關系，電磁檢測法需采用與被測對象材料種類和化學成分相同，且具有相同熱處理條件的標準拉壓試樣進行標定。

圖4 電磁檢測方法中四極傳感器的磁極分布

磁噪聲法又稱巴克豪森磁噪聲法，其利用鐵磁性材料中應力對巴克豪森信號的影響實現殘余應力的檢測[13]。在外磁場的作用下，材料內部的磁疇壁將克服勢能壘發(fā)生不連續(xù)、跳躍式的運動，并產生類似脈沖噪聲的磁信號，即巴克豪森噪聲。鐵磁材料中的殘余應力會改變疇壁間距，影響巴克豪森噪聲信號的強弱。因此可通過對材料進行交變磁化激勵，測量巴克豪森磁噪聲的參數來評估材料的殘余應力。磁噪聲法同樣需要預先進行標定試驗，以獲得噪聲信號特征和應力值之間的對應關系。

盡管兩種磁方法的檢測原理不同，但在技術特點方面較為相似?？煽啃苑矫?，兩種方法在準確標定的條件下均具有較好的檢測精度，但由于標定試驗需采用與被測對象材料、組織、熱處理狀態(tài)完全一致的試件，而實際上在制備標定試件時很難保證所有因素完全一致，可能會對檢測精度產生一定的影響。易用性方面，兩種方法的探頭均可與主機分離，適合一些外部空間狹小部位的檢測，但對于大曲率表面和面積小于探頭的測試部位較難實現良好耦合，需設計特殊結構的探頭進行檢測。效率方面，磁方法具有較快的檢測速度，材料表面僅需平整、無銹蝕、磁屏蔽涂層或包覆層，可保證傳感器磁隙相同即可，檢測效率較高。成本方面，磁方法的設備價格尚可，后期維護簡單，具有較好的可推廣性。

圖5 磁噪聲法檢測殘余應力的原理

2.5 超聲檢測方法

超聲檢測方法利用殘余應力對材料聲學特性的影響實現殘余應力的測量。近年來，基于超聲臨界折射縱波的殘余應力檢測方法逐漸得到推廣應用[14]。臨界折射縱波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ奶厥饪v波，其聲速對應力較為敏感。當聲束由第一臨界角入射時即可激發(fā)臨界折射縱波，采用另一探頭接收這一信號，根據探頭之間的距離和傳播時間即可實現聲速的測量，如圖6 所示。超聲檢測方法同樣需要標定實驗獲得聲速與應力的對應關系，以計算得到殘余應力的具體數值。相比電磁方法，超聲方法可對非鐵磁性材料進行檢測，但對于大晶粒、聲衰減強烈的材料檢測效果較差。

圖6 超聲臨界折射縱波檢測方法原理圖

可靠性方面，超聲方法具有較好的檢測精度，并且具有一定的檢測深度，可滿足表面和近表面的殘余應力檢測需求。但該方法的檢測精度同樣受到標定試驗的影響，并且對溫度、耦合等因素較為敏感，因此在實施檢測時需要控制上述變量對精度的影響。易用性方面，超聲探頭同樣可與主機分離，具有較高的靈活性，但與磁方法類似，同樣存在大曲率表面和小面積測試點的耦合問題，需采用特制探頭或楔塊進行檢測。效率方面，超聲方法具有較快的檢測速度，材料表面可使探頭良好耦合即可，處理要求較低。成本方面，超聲設備的價格略低于X 射線衍射設備，在應用推廣方面存在一定的優(yōu)勢。

近期，部分基于激光超聲[15]和電磁超聲[16]的殘余應力檢測技術開始逐漸出現。該類方法可實現殘余應力的非接觸測量，降低對材料表面的要求，對于一些特殊結構具有較好的檢測效果。但該類技術聲波的指向性難以控制，目前僅適合檢測方向已知的一維應力，距離成熟應用還存在一定差距。

3 討論與總結

在對化工設備進行殘余應力檢測時，應結合檢測時機、部位以及技術特點選擇合適的殘余應力檢測方法。中子衍射法由于其無法實現現場檢測，更多用于科學研究、工藝驗證等領域。對于經熱處理、表面處理而尚未焊接加工的母材檢測，可采用成本較低、較為方便的壓痕應變法進行檢測，以評估處理工藝對殘余應力的改善效果。對于焊接區(qū)域，對于外部空間較大，檢測點面積較小的部位，可采用X 射線衍射方法進行檢測。而對于外部空間受限，檢測部位較為平整的區(qū)域，磁方法或超聲方法則更為適用。在實際應用中，各方法可相互補充，以滿足工業(yè)現場的檢測需求。

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對化工設備的安全性和穩(wěn)定性要求也日益提升，殘余應力引起的安全隱患也逐漸得到重視。通過對殘余應力進行檢測，可為改善制造、加工和安裝工藝提供參考，并評估熱處理、噴丸、超聲沖擊等方法對殘余應力的改善效果，提高化工設備的安全性能和使用壽命，具有良好的社會經濟效益。本文結合化工設備的檢測要求，根據現有殘余應力檢測方法的技術特點，探討了適用于實際現場的檢測方案，可為化工設備殘余應力的檢測、管理和評價提供參考。