專利名稱：奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變的制作方法
技術領域：
本發明屬于降低焊制壓力容器的應力腐蝕和疲勞損傷的處理方法，具體涉及對奧氏體不銹鋼壓力容器過載拉伸降低焊接殘余應力的最佳應變和控制方法。
背景技術：
目前，兵器、航空航天、航母造船、核電、橋梁、壓力容器等行業的許多設備采用焊接方法制造，焊接后形成的內部拘束力即殘余應力一般高于工作載荷應力，造成設備使用過程的疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂和變形，因此重要設備必須降低焊接殘余應力。奧氏體不銹鋼無磁性、有良好的耐蝕性和延展性，在很多行業得到廣泛利用，尤其是核電、食品和醫療衛生，但是如果不降低焊接殘余應力，奧氏體不銹鋼在氯離子環境中的應力腐蝕造成許多設備提前報廢，甚至釀成事故。降低焊接殘余應力的方法有熱處理法、機械振動法、超聲波沖擊法、過載法等，壓力容器行業應用最廣泛的是620°C左右的熱處理法用于低碳鋼和低合金鋼，但是對于奧氏體不銹鋼，600°C為其降低晶間腐蝕性能的敏化溫度，且殘余應力降低量很小，熱處理溫度需要達到1000°C以上才能有效降低焊接殘余應力，這是工程上很難實施的工序。

機械振動法多用于鑄件和鍛件，由于其振型有效區為動應力有效值達到動應力峰值0.707倍以上的區域，若對壓力容器做整體振動，許多焊縫不在有效振動區內，對壓力容器采用整體振動法降低焊接殘余應力不是一種有效方法。超聲波沖擊法是利用20KHz左右的超聲振動沖擊頭沖擊工件表面，使其應力狀態由拉應力變為壓應力，由于沖擊頭的尺寸限制，多用于局部位置殘余應力的降低，如局部修理，用于規模生產效率較低，制造產業很少采用。更重要的是對奧氏體不銹鋼沖擊過程中產生的大量馬氏體降低了材料的抗腐蝕能力，因此用于抗疲勞處理有一定優勢，無法用于應力腐蝕環境。過載法消除焊接殘余應力是壓力容器制造過程中最便捷的方法，所有壓力容器制造過程中需要進行壓力試驗，通過控制壓力試驗壓力或試驗過程中的應變即可實現有效的過載拉伸，達到降低焊接殘余應力的目的。過載法消除殘余應力有殘余應力分布更加均勻、圓形容器通過過載變得更圓等優點，由于低碳鋼和低合金鋼有屈服平臺，過載拉伸后殘余應力的降低效果更好，法國和捷克曾研究過過載法消除球罐焊接殘余應力，哈爾濱工業大學的王仲仁團隊研究過脹形法制造球罐過程中的焊接殘余應力問題，但是考慮到低碳鋼和低合金鋼過載拉伸過程中的塑性損失和考慮到脆性問題的過載拉伸溫度限制，此項技術的應用受到很大限制，未能得以廣泛推廣。鑒于面心立方晶格的奧氏體不銹鋼具有延伸率50%以上的超好塑性，并且經過大量研究證明，常溫過載10%以下的應變對材料力學性能和耐腐蝕性能產生的影響很小，國外應變強化制造壓力容器已經形成標準，我國以企標案例方式進行審批。由于應變強化與過載拉伸實際上是同一個過程，只是不同的研究目的和研究對象，因此使常溫過載消除殘余應力的推廣成為可能。公開號CN102759504A的專利文獻公開了一種基于焊接微區性能測試的殘余應力計算方法，包括以下步驟:對焊接微區進行微壓剪測試來獲得焊接微區載荷-位移曲線，建立微壓剪試驗過程的3D有限元模型，基于改進的Gurson模型進行有限元逆向反推方法獲得焊接微區的真應力應變關系；進行焊接殘余應力計算，在進行焊接溫度場的計算時，不考慮焊接微區力學性能對溫度場變化的影響；獲得焊接溫度場之后，在進行焊接應力場的計算過程中，將焊接微區的真應力-應變曲線作為焊件溫度降低時的常溫力學性能參數帶入焊接計算模型，計算獲得焊接殘余應力。公開號CN101419644的專利文獻公開了一種考慮殘余應力的車輪外加載荷的應力數值分析方法，包括以下步驟，I)計算殘余應力；2)對車輪鑄件的有限元網格的節點信息、單元信息以及殘余應力數據進行轉換；3)考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪外加載荷的應力數值分析。目前，國內已有過 載法消除焊接殘余應力的研究，但是沒有做過最佳應變量的研究。焊接殘余應力是由于局部溫度不均勻、熱脹冷縮量不均勻，造成的冷卻到常溫后變形不協調應力，利用金屬材料彈性階段剛性系數(彈性模量)遠大于塑性階段剛性系數，過載變形初期，殘余應力會隨著過載應變量增大逐步下降，但隨著應變量的加大，材料中位錯堆積增多，晶格畸變加大、形變馬氏體增多，過大的過載應變會使殘余應力產生增加的趨勢，因此需要研究降低殘余應力的最佳應變。

發明內容
本發明針對奧氏體不銹鋼壓力容器，提供了過載法降低焊接殘余應力的最佳過載塑性應變量和實際使用過程中應變量的測量控制方法。本發明是通過計算機數值模擬和實物測試實驗獲得的成果。數值模擬可以多次模擬，具有廣泛性和通用性，實際測試更符合實際過程，能夠彌補理論計算模型的不足，二者互為補充，互為驗證，使發明可靠性得到保證。本發明為一種奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變，包括:I)以連續結構區域第一主應力對應方向的應變量作為評價指標，過載塑性應變在2%-5%的范圍內；2)過載時通過變頻泵或自控回流閥控制升壓速度，加載速度在0.2-0.4MPa/min的范圍內，通過變形量測量或應變測量控制應變量；3)建造容器時，先對材料做拉伸試驗，根據材料的實際單項拉伸曲線確定設計應力和過載應力，采用簡化后的薄壁圓筒或彎曲梁彈性公式計算設計壓力和過載壓力；4)考慮焊接殘余應力的壓力容器損傷方式主要是應力腐蝕和疲勞損傷，應力腐蝕和疲勞損傷的決定因素是第一主應力，因此焊接殘余應力降低率以第一主應力為評價指標。本發明采用了計算機數值模擬和實物實驗兩個方法進行研究驗證:數值模擬驗證:使用SYSWELD軟件對奧氏體不銹鋼材料焊接過程中產生的殘余應力進行數值模擬，再加載不同的過載變形，計算卸載后的殘余應力消除效果，殘余應力加載采用實際焊接工藝中電流、電壓、焊接速度、焊條直徑和焊接方法的熱轉換效率計算出熱輸入，再根據材料規格、導熱系數、比熱的熱物理參數，計算出焊接過程中工件的溫度場分布，根據材料在不同溫度下的線膨脹系數、屈服強度、彈性模量、泊松比等力學性能，計算出焊接后工件殘留的殘余應力大小和分布；將SYSWELD計算得到的焊接殘余應力導入ANSYS或NASTRAN軟件中作為初始載荷，然后給容器加壓，使容器產生塑性變形，然后卸載載荷，各部件保留的應力即為過載后剩余的殘余應力，通過加載不同量值的塑性應變，計算卸載后的剩余殘余應力，得到最佳的過載變形和過載載荷；實物測試驗證:在數值模擬后，使用奧氏體不銹鋼制的實際壓力容器，對焊接過程和過載消除效果進行模擬，先對各壓力容器制造單位的制造工藝進行調研統計，按照最普遍使用的工藝制造了一個奧氏體不銹鋼制的典型圓筒形結構容器和一個奧氏體不銹鋼制的方形結構容器；對制造完成后的容器在實驗室配置高精度壓力表、加壓泵、加壓介質，并進行安全保護裝置配置，分析所述奧氏體不銹鋼制的兩個容器，制定焊接殘余應力測試位置布點方案和加載過程中應變量監控點布置方案；先用X射線衍射法測定加載前的初始焊接殘余應力，再采用常規設計壓力、常規水壓試驗壓力、以及1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性應變量進行不同載荷量值的加載，每次加載后卸載，測定剩余殘余應力，在加載過程中的應變量使用大變形應變花和應變儀進行測量，并記錄加載壓力，計算加載應力，形成不同的分析曲線；對不同過載過程的應變量、載荷和殘余應力分析獲得降低殘余應力的最佳應變量。根據本發明，所述數值模擬法使用SYSWELD軟件對奧氏體不銹鋼材料焊接過程中產生的殘余應力進行數值模擬，再加載不同的過載變形，計算卸載后的殘余應力消除效果；所述實物測試法，在數值模擬后，使用奧氏體不銹鋼制的實際壓力容器，先用X射線衍射法測定加載前的初始焊接殘余應力，再采用常規設計壓力、常規水壓試驗壓力、不同的塑性應變量進行不同載荷量值的加載，每次加載后卸載，測定剩余殘余應力；對不同過載過程的應變量、載荷和殘余應力分析獲得降低殘余 應力的最佳應變量值。本發明專利考慮了應力集中和幾何結構不連續、材料性能不連續的影響，實際生產中，開孔部位不能處于應力集中區域和結構不連續區域，圓筒形容器開孔直徑不大于筒體直徑的0.25倍，平板型容器開孔直徑不大于板厚度的20倍，不采用貼補的補強方式，最好采用整體補強方式，接管與筒體的焊接方式符合GB150即可，不需特殊要求。在承壓部件上焊接支撐件及其墊板時，此部位的焊接殘余應力需要通過振動法補充消除。本發明用于異種鋼焊接的壓力容器時，僅限于奧氏體不銹鋼與低碳鋼組合方式，不適用于與低合金高強鋼和有色金屬的組合方式。采用本發明處理后的壓力容器不能免除奧氏體不銹鋼的酸洗鈍化。發明效果通過實驗驗證，采用本發明處理后的壓力容器，圓筒狀304和316L材料壓力容器主體部分第一殘余應力能夠由150-280MPa降到50MPa以下，接管根部等應力集中部位能夠由200-300MPa降到80MPa以下。帶Q235加強筋的夾套方形304和316L材料壓力容器，力口強筋根部焊縫附近第一殘余應力能夠由250-350MPa降低到IOOMPa以下。采用本發明處理后的壓力容器，第一焊接殘余應力水平與采用熱處理方法處理的壓力容器接近，而且焊接接頭部位殘余應力水平與圓筒容器冷卷部位鋼板母材的殘余應力接近，設計壓力容器時只需考慮材料與介質的匹配性，不需在考慮焊接殘余應力的影響。
本發明是通過計算機數值模擬和實物測試實驗獲得的成果。數值模擬可以多次模擬，具有廣泛性和通用性，實際測試更符合實際過程，能夠彌補理論計算模型的不足，二者互為補充，互為驗證，使發明可靠性得到保證。
過載應變量低時不能通過均化，達到降低的效果。過載應變量高時會增加位錯堆積和晶格畸變，增加殘余應力水平。采用本發明最佳過載塑性應變量處理后的壓力容器，能使評價應力腐蝕和疲勞應力水平的第一拉伸焊接殘余應力大幅降低，減低后的殘余應力水平與冷卷板后母材的殘余應力以及消除應力熱處理后的殘余應力處于同一水平。


圖1為本發明一實施例的奧氏體不銹鋼制圓筒形容器的主視圖。
圖2為本發明一實施例的奧氏體不銹鋼制方形帶拉筋夾套容器的局部主視圖。
圖3為圖2所示的所述奧氏體不銹鋼制方形帶拉筋夾套容器的局部俯視圖。
具體實施方式
以下，結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步說明。
實例I
如圖1所示，在本發明的實施例1中使用了奧氏體不銹鋼制的圓形壓力容器，所述圓形壓力容器內直徑600_，壁厚5_，包括橢圓封頭1、筒節2、筒節3、錐體4、接管法蘭5、補強圈6、支座7以及墊板8。所述圓形壓力容器的構件主要由06Crl9Nil0、022Crl7Nil2Mo2以及Q235B三種異種鋼材構成，其中，橢圓封頭1、筒節2、錐體4、接管法蘭5、補強圈6和墊板8分別由06Crl9Nil0異種鋼材構成，筒節3由022Crl7Nil2Mo2異種鋼構成，支座7由Q235B異種鋼材構件。
所述圓形壓力容器的筒體用卷板機卷制，錐體用卷板機冷卷制后用液壓機冷扳邊，橢圓封頭有液壓機冷沖壓成形。
06Crl9Nil0材料對接焊縫9采用3層焊條電弧焊焊接，第1、2遍焊焊使用Φ3.2mmA102 焊條，電流 90-110A，電壓 20-24V，速度 7_9cm/min ;第 3 層焊焊使用 Φ4ι πιΑ102焊條，電流 110-130Α，電壓 24-26V，速度 8_10cm/min。
022Crl7Nil2Mo2 材料縱向對接焊縫 10 以及 06Crl9Nil0 和 022Crl7Nil2Mo2 異種鋼環向對接焊縫11采用3層焊條電弧焊焊接，第1`、2層焊焊使用Φ3.2mmA022焊條，電流100-120A,電壓 20-24V，速度 7_9cm/min ;第 3 層焊焊使用 Φ4ι πιΑ022 焊條，電流 130-150Α，電壓 24-26V，速度 8-10cm/min。
接管角焊縫12采用3層焊條電弧焊焊接，第I層焊焊使用Φ3.2πιπιΑ022焊條，電流100-120Α，電壓20-24V，速度7_9cm/min ;第2、3層焊焊使用Φ4πιπιΑ022焊條，電流130-150Α,電壓 24-26V，速度 8-lOcm/min。
容器制作完成后對主焊縫100%射線檢測，II級合格。制造廠內做0.1MPa壓力下的空氣泄漏性檢查。
實驗室先用X射線衍射法測定加載前的初始焊接殘余應力，再采用常規設計壓力、常規水壓試驗壓力、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性應變量進行不同載荷量值的加載，每次加載后卸載，測定剩余殘余應力，在加載過程中的應變量使用大變形應變花和應變儀進行測量，并記錄加載壓力，計算加載應力，形成不同的分析曲線；
對不同過載過程的應變量、載荷和殘余應力分析，獲得第一拉伸殘余應力最低時的應變值，與同一產品數值模擬結果相符。
在過載處理前，進行X射線衍射測量，主體焊縫外表面第一殘余主應力平均值為200MPa，通過水壓加載應變片測控，實施最佳應變過載處理后，第一殘余主應力平均值降低為 49.5MPa。
實例2
如圖2和圖3所示，在本發明的實施例2中使用了方形帶拉筋夾套容器，所述容器主體的材質為5mm厚的06Crl9Nil0和022Crl7Nil2Mo2兩種異種鋼，拉筋和夾套的材質為Q235B鋼。夾套與拉筋之間采用塞焊連接，主體與拉筋之間采用對稱斷續角焊縫焊接，使用過程中此角焊縫短時間內出現應力腐蝕，處理目的為降低角焊縫區域主體的焊接殘余應力。
所述容器方形帶拉筋夾套容器包括主體板13、主體板14、封板15、夾套板16、拉筋17、管接頭18，其中，主體板13和封板15由06Crl9Nil0材料構成，主體板14由022Crl7Nil2Mo2材料構成，夾套板16和拉筋17由Q235B鋼構成，管接頭18由20號鋼管構成。
制造工序:
I)分別焊接06Crl9Nil0間的對接焊縫22、022Crl7Nil2Mo2間的對接焊縫24 ；
2)焊接 06Crl9Nil0 材與 022Crl7Nil2Mo2 間的對接焊縫 23 ；
3)焊接 06Crl9Nil0 材、022Crl7Nil2Mo2 材與 Q235B 材拉筋間的角焊縫 19 ；
4)焊接Q235B材夾套板16與Q235B材拉筋17的塞焊縫20 ；
5)焊接四周06Crl9Nil0封板15的角焊縫21。
06Crl9Nil0主體對接焊縫22采用3層焊條電弧焊焊接，第1、2層焊焊使用Φ 3.2mmA102 焊條，電流 90_110A,電壓 20-24V，速度 7_9cm/min ;第 3 層焊焊使用 Φ 4mmA102焊條，電流 110-130A，電壓 24-26V，速度 8-lOcm/min。
022Crl7Nil2Mo2 材主體對接焊縫 24 以及 06Crl9Nil0 和 022Crl7Nil2Mo2 材異種鋼主體對接焊縫23采用3層焊條電弧焊焊接，第1、2層焊焊使用Φ3.2mmA022焊條，電流100-120A,電壓 20-24V，速度 7_9cm/min ;第 3 層焊焊使用 Φ4ι πιΑ022 焊條，電流 130-150Α，電壓 24-26V，速度 8-10cm/min。
06Crl9Nil0、022Crl7Nil2Mo2材與Q235B間的角焊縫19和封板角焊縫21采用2層焊條電弧焊焊接，使用Φ4πιπιΑ302焊條，電流110-130Α，電壓24-26V，速度8-10cm/min。
塞焊縫20采用2層焊條電弧焊焊接，使用Φ 5mmE4303焊條，電流220-240A，電壓26-28V，速度 10-12cm/min。
容器制作完成后對主焊縫100%射線檢測， II級合格。制造廠內做0.1MPa壓力下的空氣泄漏性檢查。
實驗室先用X射線衍射法測定加載前的初始焊接殘余應力，再采用常規設計壓力、常規水壓試驗壓力、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性應變量進行不同載荷量值的加載，每次加載后卸載，測定剩余殘余應力，在加載過程中的應變量使用大變形應變花和應變儀進行測量，并記錄加載壓力，計算加載應力，形成不同的分析曲線；
對不同過載過程的應變量、載荷和殘余應力分析，獲得第一拉伸殘余應力最低時的最佳應變值，與同一產品數值模擬結果相符。
在過載處理前，進行X射線衍射測量，異種鋼焊接的角焊縫背面(使用過程中接觸介質的一面)第一殘余主應力平均值為286MPa,實施最佳應變過載處理后第一殘余主應力平均值降低為77MPa。
本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠想到的任何變形、 改進、替換均落入本發明的范圍。
權利要求
1.一種奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變，其特征在于，包括: 1)用于降低焊接殘余應力的過載應變量存在最佳數值，以連續結構區域第一主應力對應方向的應變量為評價指標，過載塑性應變在2%-5%的范圍內； 2)過載時通過變頻泵或自控回流閥控制升壓速度，加載速度在0.2-0.4MPa/min的范圍內，通過變形量測量或應變測量控制應變量； 3)建造容器時，先對材料做拉伸試驗，根據材料的實際單項拉伸曲線確定設計應力和過載應力，采用簡化方法計算設計壓力和過載壓力。
2.根據權利要求1所述的奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變，其特征在于，通過如下的數值模擬方法進行驗證: 使用SYSWELD軟件對奧氏體不銹鋼材料焊接過程中產生的殘余應力進行數值模擬，再加載不同的過載變形，計算卸載后的殘余應力消除效果，殘余應力加載采用實際焊接工藝中電流、電壓、焊接速度、焊條直徑和焊接方法的熱轉換效率計算出熱輸入，再根據材料規格、導熱系數、比熱的熱物理參數，計算出焊接過程中工件的溫度場分布，根據材料在不同溫度下的線膨脹系數、屈服強度、彈性模量、泊松比等力學性能，計算出焊接后工件殘留的殘余應力大小和分 布； 將SYSWELD計算得到焊接殘余應力導入ANSYS或NASTRAN軟件中作為初始載荷，然后給容器加壓，使容器產生塑性變形，然后卸載載荷，各部件保留的應力即為過載后剩余的殘余應力，通過加載多次不同量值的塑性應變，計算出卸載后的剩余殘余應力，得到最佳的過載變形和過載載荷。
3.根據權利要求1所述的奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變，其特征在于，通過如下的實物測試方法進行驗證: 在數值模擬后，使用奧氏體不銹鋼制的實際壓力容器，對焊接過程和過載消除效果進行模擬，先對各壓力容器制造單位的制造工藝進行調研統計，按照最普遍使用的工藝制造了一個奧氏體不銹鋼制的典型圓筒形結構容器和一個奧氏體不銹鋼制的方形結構容器； 對制造完成后的容器在實驗室配置高精度壓力表、加壓泵、加壓介質，并進行安全保護裝置配置，分析所述奧氏體不銹鋼制的兩個容器，制定焊接殘余應力測試位置布點方案和加載過程中應變量監控點布置方案； 先用X射線衍射法測定加載前的初始焊接殘余應力，再采用常規設計壓力、常規水壓試驗壓力、以及1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%/、8%、9%、10%等塑性應變量進行不同載荷量值的加載，每次加載后卸載，測定剩余殘余應力，在加載過程中的應變量使用大變形應變花和應變儀進行測量，并記錄加載壓力，計算加載應力，形成不同的分析曲線； 對不同過載過程的應變量、載荷和殘余應力分析獲得降低殘余應力的最佳載荷。
4.根據權利要求1所述的奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變，其特征在于，試驗前先對母材、焊縫作了拉伸試驗，獲得材料的機械性能，采用橫向和縱向焊縫試板進行受控拉伸過載，獲得基礎數據。
全文摘要
本發明提供奧氏體不銹鋼容器焊接殘余應力降低過載法的最佳應變，包括1)用于降低焊接殘余應力的過載應變量存在最佳數值，以連續結構區域第一主應力對應方向的應變量為評價指標，過載塑性應變在2%-5%范圍內；2)過載時通過變頻泵或自控回流閥控制升壓速度，加載速度在0.2-0.4MPa/min范圍內，通過變形量測量或應變測量控制應變量；3)建造容器時，先對材料做拉伸試驗，根據材料的實際單項拉伸曲線確定設計應力和過載應力，采用簡化方法計算設計壓力和過載壓力。本發明所述數值模擬具有廣泛性和通用性，且能使評價應力腐蝕和第一拉伸焊接殘余應力大幅降低，減低后的殘余應力水平與冷卷板后母材的殘余應力以及消除應力熱處理后的殘余應力處于同一水平。
文檔編號C21D7/00GK103160663SQ20131004122
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者趙爾冰, 劉明 申請人:北京市朝陽區特種設備檢測所