董 樑*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

壓力容器是化工、石油和電力等各個(gè)行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。 壓力容器的制造過程涉及多個(gè)階段，包括材料加工、焊接和裝配。在這些過程中，殘余應(yīng)力會(huì)殘留在材料中，影響壓力容器的性能和安全。殘余應(yīng)力是在施加外部載荷或經(jīng)受不均勻的加熱及冷卻后材料中殘留的應(yīng)力。如果殘余應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致部件變形、開裂甚至失效。本文全面回顧了壓力容器制造中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力情況以及可用于測(cè)量這些應(yīng)力的技術(shù)，探討了壓力容器制造中殘余應(yīng)力的各種來源，包括材料加工、焊接和裝配，還將可用于測(cè)量壓力容器殘余應(yīng)力的技術(shù)進(jìn)行了比較，主要包括 X 射線衍射法、中子衍射法和鉆孔法。

1 壓力容器制造中殘余應(yīng)力的來源

在制造的各個(gè)階段，包括材料加工、焊接和組裝過程，殘余應(yīng)力可能會(huì)引入壓力容器部件中。由于不均勻變形或熱梯度影響，材料加工（例如軋制或鍛造）可能會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力；由于不均勻冷卻、相變和冶金變化，焊接也會(huì)使材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力，由于螺栓或夾緊力的不均勻擰緊，裝配過程也會(huì)導(dǎo)致殘材料產(chǎn)生余應(yīng)力。

1.1 材料加工

由于不均勻變形、熱梯度或相變，材料在加工過程中可能會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。例如，軋制或鍛造會(huì)由于不均勻的變形和冷卻速率而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不同形式的熱處理過程可能會(huì)使材料出現(xiàn)熱梯度，導(dǎo)致材料中產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力[1]，熱處理時(shí)的相變也會(huì)因體積變化而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。國內(nèi)外研究者們還發(fā)現(xiàn)，彎曲和軋制等成型工藝會(huì)使材料產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力，特別是在高曲率區(qū)域。成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是由于材料變形和幾何形狀變化引起的應(yīng)力重新分布[2]。

1.2 焊接

由于不均勻冷卻、相變和金相組織變化，焊接會(huì)使材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在焊接過程中，材料承受高溫，這會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的冷卻速率和熱梯度，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力。在焊接過程中材料也會(huì)發(fā)生相變，這會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生體積變化和殘余應(yīng)力[3]。金相組織變化（例如晶粒生長）也會(huì)影響材料中的殘余應(yīng)力。研究顯示[4]，焊接是壓力容器殘余應(yīng)力的主要來源，焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力水平最高。焊接過程中材料經(jīng)歷了快速加熱和冷卻過程，導(dǎo)致其中形成了復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和大量的塑性變形，這是也是殘余應(yīng)力較高水平的原因。

1.3 裝配

由于螺栓或夾緊時(shí)擰緊不均勻，裝配過程可能會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在裝配過程中，如果螺栓擰緊時(shí)施力不均勻，或者夾緊力分布不均勻，就會(huì)使材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小和分布取決于緊固扭矩或夾緊力以及材料的剛度。

另一方面，研究發(fā)現(xiàn)熱處理工藝對(duì)壓力容器中的殘余應(yīng)力分布具有相對(duì)較小的影響。這是因?yàn)闊崽幚磉^程通常涉及緩慢且受控的加熱和冷卻，這使材料松弛并最大限度地減少了殘余應(yīng)力的積累[5]。

總的來說，在壓力容器制造過程中應(yīng)仔細(xì)考慮使用的制造工藝的重要性，特別是焊接和成型工藝，這些工藝常常是殘余應(yīng)力的主要來源。了解殘余應(yīng)力的來源及測(cè)量方式可用于指導(dǎo)制造工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最大限度地減少殘余應(yīng)力并提高壓力容器的性能和可靠性。

2 壓力容器殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)

目前，多種技術(shù)可用于測(cè)量壓力容器中的殘余應(yīng)力，包括 X 射線衍射法、中子衍射法和鉆孔法。這些方法可以完整了解材料中殘余應(yīng)力的分布情況。X 射線衍射法是測(cè)量壓力容器中殘余應(yīng)力最廣泛的技術(shù)，因?yàn)槠渚哂懈呔?、非破壞性以及?duì)材料中殘余應(yīng)力分布的完整了解的能力。中子衍射法也同用于測(cè)量殘余應(yīng)力，特別是在厚壁部件中，但由于成本高且可用范圍有限，因此應(yīng)用較少。鉆孔法是一種半破壞性技術(shù)，需在材料中鉆一個(gè)小孔并測(cè)量孔周圍的應(yīng)力釋放情況。這種方法不如 X 射線或中子衍射準(zhǔn)確，但更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟(jì)。多種技術(shù)均可用于測(cè)量壓力容器中的殘余應(yīng)力，且每種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)[6]。

2.1 X射線衍射法

X 射線衍射法是測(cè)量壓力容器殘余應(yīng)力最廣泛使用的技術(shù)。該技術(shù)基于以下原理：當(dāng)晶體暴露在 X射線中時(shí)，會(huì)以晶體結(jié)構(gòu)特有的特定模式散射 X 射線。通過測(cè)量衍射圖案，可以確定晶體的晶格間距，并據(jù)此計(jì)算材料中的殘余應(yīng)力[7]。

在 X 射線衍射法中，材料的一小塊區(qū)域暴露在X 射線線束下，然后使用檢測(cè)器測(cè)量產(chǎn)生衍射圖案。然后分析衍射圖案，并使用彈性方程計(jì)算殘余應(yīng)力。這種方法是非破壞性的，可以對(duì)材料中殘余應(yīng)力分布進(jìn)行完整了解。然而，該方法需要專門的設(shè)備和專業(yè)知識(shí)，并且該方法的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于 X射線衍射數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.2 中子衍射法

中子衍射法是另一種測(cè)量壓力容器中殘余應(yīng)力的技術(shù)。該技術(shù)與 X 射線衍射法原理相同，但使用中子而不是 X 射線來確定晶體的晶格間距。中子比X 射線具有更強(qiáng)的穿透深度，這使得該技術(shù)特別適用于厚壁部件[8]。

中子衍射法中是將一束中子射向材料，并使用檢測(cè)器測(cè)量由此產(chǎn)生的衍射圖案。然后根據(jù)衍射圖確定晶體的晶格間距，并且使用彈性方程計(jì)算殘余應(yīng)力。這種方法也是非破壞性的，但比 X 射線衍射法更昂貴且應(yīng)用范圍更廣。

2.3 鉆孔法

鉆孔法是一種半破壞性的壓力容器殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。這種方法需在材料上鉆一個(gè)小孔，從而釋放孔周圍的應(yīng)力。然后使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量孔周圍的變形，并使用彈性方程式計(jì)算殘余應(yīng)力。

鉆孔方法不如 X 射線或中子衍射準(zhǔn)確，但更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟(jì)。該方法還可以在現(xiàn)場(chǎng)使用，是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量殘余應(yīng)力的便捷方法。但需要注意的是，該方法只能測(cè)量孔所在位置的殘余應(yīng)力，該方法的精度取決于孔的大小和位置[9]。

3 殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較及影響因素討論

3.1 不同技術(shù)測(cè)量殘余應(yīng)力的比較

X 射線衍射和中子衍射都是非破壞性技術(shù)，均使用衍射圖案來測(cè)量由殘余應(yīng)力引起的應(yīng)變情況。由于其高精度、易用性和可用性，X 射線衍射是殘余應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域中常用的技術(shù)。適用于常規(guī)容器筒體、封頭部位的殘余應(yīng)力測(cè)試。但這種方法對(duì)測(cè)試表面要求較高，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或幾何不連續(xù)處的應(yīng)用有局限性。與 X 射線衍射相比，中子衍射是一種更先進(jìn)的技術(shù)，能夠測(cè)量材料中更深處的殘余應(yīng)力，應(yīng)用范圍更廣且價(jià)格更高。這種方法適用于厚壁高壓容器筒壁或封頭處的殘余應(yīng)力測(cè)試。鉆孔法是一種破壞性技術(shù)，需在材料中鉆孔并使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量由殘余應(yīng)力釋放引起的應(yīng)變[10]。與 X 射線和中子衍射相比，這是一種更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟(jì)的方法，并且其應(yīng)用不受容器結(jié)構(gòu)形狀的限制，對(duì)于局部幾何不連續(xù)處，鉆孔法具有一定優(yōu)勢(shì)。但其僅限于測(cè)量材料表面附近的殘余應(yīng)力，并且會(huì)因去除材料而存在誤差。研究結(jié)果表明，X 射線衍射和中子衍射均可有效測(cè)量壓力容器中的殘余應(yīng)力，其中 X 射線衍射較為常用。鉆孔法是一種更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟(jì)的替代方法，但在解釋結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮其有限的深度和潛在的錯(cuò)誤。

總的來說，壓力容器殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的選擇應(yīng)基于對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合、測(cè)量精度和深度以及不同技術(shù)的適用性和成本的綜合考慮。

3.2 影響殘余應(yīng)力測(cè)量精度和可靠性的因素

綜合國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)影響壓力容器殘余應(yīng)力測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性的因素較多。以下分別從樣品制備、測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和環(huán)境因素進(jìn)行討論。

樣品制備對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。材料的表面狀況和測(cè)量方向相對(duì)于材料微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)齊方式會(huì)顯著影響測(cè)量結(jié)果。因此必須仔細(xì)準(zhǔn)備樣品，以去除可能影響測(cè)量的任何表面損壞或污染。

測(cè)量技術(shù)是影響殘余應(yīng)力測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性的另一個(gè)關(guān)鍵因素。選擇合適的測(cè)量技術(shù)取決于需要測(cè)量的殘余應(yīng)力的類型和深度。不同的技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)和局限性，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的技術(shù)。

數(shù)據(jù)分析對(duì)于確保殘余應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性也至關(guān)重要。應(yīng)使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析技術(shù)（如峰值擬合和殘余應(yīng)力計(jì)算）對(duì)衍射圖案或應(yīng)變測(cè)量進(jìn)行解釋，確保結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

溫度、濕度和振動(dòng)等環(huán)境因素也會(huì)影響殘余應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。這些因素會(huì)在測(cè)量中引入誤差或影響用于測(cè)量的設(shè)備的穩(wěn)定性。適當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制對(duì)于確保準(zhǔn)確可靠的測(cè)量是必要的。

研究結(jié)果表明，壓力容器殘余應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性受多種因素影響，包括樣品制備、測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和環(huán)境因素。應(yīng)仔細(xì)考慮和優(yōu)化這些因素，確保準(zhǔn)確可靠地測(cè)量殘余應(yīng)力，這對(duì)于壓力容器的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)壓力容器制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及其測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了比較分析。通過對(duì)不同測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并得出以下結(jié)論。

首先，在制造的各個(gè)階段，包括材料加工、焊接和組裝，殘余應(yīng)力可能會(huì)引入壓力容器部件中，對(duì)于不同工藝流程，不同原因形成的殘余應(yīng)力應(yīng)選擇合適的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。其次，X 射線衍射法、中子衍射法、鉆孔法是目前應(yīng)用比較廣泛的非破壞性測(cè)量方法。前兩種方法均具有高精度、高靈敏度、非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，且可適用于多種材料的測(cè)量；同時(shí)，也存在著各自的局限性，如X射線衍射法受樣品的晶體結(jié)構(gòu)、厚度等因素的影響，而中子衍射法則需要在大型中子源實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。而鉆孔法是一種更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟(jì)的方法，并且不受容器結(jié)構(gòu)形狀限制，對(duì)于局部幾何不連續(xù)處，或者壓力容器制造試板的殘余應(yīng)力測(cè)試方面，鉆孔法具有一定優(yōu)勢(shì)。

最后，未來的研究方向可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索：

（1）發(fā)展更高精度的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，針對(duì)X射線衍射法和中子衍射法存在的局限性，可以進(jìn)一步探索新的測(cè)量方法，如激光衍射法、電子衍射法等；

（2）拓展應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)前殘余應(yīng)力的研究主要集中在壓力容器制造領(lǐng)域，但殘余應(yīng)力在材料加工、機(jī)械制造等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用，未來可以將殘余應(yīng)力的研究拓展到更多領(lǐng)域；

（3）提高測(cè)量效率，X 射線衍射法和中子衍射法雖然精度較高，但測(cè)量時(shí)間長?？梢匝芯啃碌乃惴ê图夹g(shù)，提高測(cè)量效率，以更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需求。

綜上所述，殘余應(yīng)力的測(cè)量和分析對(duì)于壓力容器的制造和使用具有重要意義。未來的研究方向應(yīng)該圍繞著提高測(cè)量精度和擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也需要考慮測(cè)量效率和成本的問題。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，殘余應(yīng)力測(cè)試在壓力容器制造領(lǐng)域?qū)?huì)得到更加深入和廣泛的應(yīng)用。