消除焊接残余应力的方法 石化在役设备的焊缝残余应力的消除与控制

　　摘要：石化设备在制造、使用和维修过程中进行补焊后都会造成焊缝残余应力的存在，由于焊缝残余应力加上设备在使用过程的交变载荷，会使存在焊缝残余应力的地方应力集聚增加，在焊缝有缺陷的位置造成焊缝开裂、甚至断裂，造成在役备的损坏。本文主要探讨了石化行业在役设备的补焊过程中如何合理采取工艺措施和控制方法来消除焊缝残余应力。
　　关键词：消除与控制；焊缝残余应力的方法；选择及应用
　　中图分类号：TN05 文献标识码：A
　　石化设备在制造、使用和维修过程中进行补焊后都会造成焊缝残余应力的存在，由于焊缝残余应力加上设备在使用过程的交变载荷，会使存在焊缝残余应力的地方应力集聚增加，在焊缝有缺陷的位置造成焊缝开裂、甚至断裂，造成在役备的损坏，从而引发各种事故，造成装置的停工，给公司带来严重的损失。如呼石化公司06年新建重油催化裂化装置的汽油管线断裂和聚丙烯六号釜焊缝开裂造成停工抢修等两起事故就是典型的由焊缝残余应力造成的。在我们的实际工作中，焊缝残余应力有减少材质的硬度、降低材质的疲劳强度、增加材质的脆性、能促进应力腐蚀开裂、降低设备使用寿命，在设备的使用过程中是一种致命的隐患。
　　从图一我们可以知道在圆筒上，径向收缩变形在环形焊缝两侧的母线方向上产生了弯曲应力，其中在焊缝中心产生的应力最大，急剧向焊缝两侧减小。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图1 圆筒环形焊缝的残余应力
　　残余应力产生的根本原因是物体内部产生不均匀弹塑性形变，不均匀形变的外在原因是不均匀的应力场和温度场，内在原因是物体内部各部分组织的浓度差或晶粒的位向差，由于焊缝开裂造成使用设备损坏的多数是第一类残余应力。既宏观残余应力，而它有两个特点，一、是靠自身平衡的内力，二、是它可调整或消除。消除残余应力调整与消除的常用方法有：（1）蠕变形变法(即通常的焊后热处理)，（2）力学形变法，包括通常的过载拉伸、振动时效、锤击、爆炸处理。（3）温差形变法，包括低温拉伸、逆焊接温差处理（过载处理）等。
　　我们对设备进行制造或进行补焊时就要对残余应力进行控制和消除，除了要采取设计措施和选材措施外，在制造和补焊时，还要合理采取工艺措施，如在焊接时采用线能量小的工艺参数和焊接方法及强制冷却措施，选择合理的焊接顺序和焊接方向，以便调整残余应力的分布，还可以采取预拉伸补偿焊缝补偿，局部加热，锤击、多层焊等措施。焊后可采取点状加热和点状加压、温差拉伸法削除焊接应力及滚压焊缝调节薄壁构件的焊接应力。
　　当然石化设备进行焊接动火存在较大的危险性，现场动火施工首先要搞好安全防护工作，安全防护措施如下：（1）要有任务单，票证齐全。（2）现场动火点30米内井盖、地沟要盖好，高空作业要注意火花飘落的范围。（3）周围有无易燃易爆物，周围环境有无特殊气味。（4）仔细阅读火票上面的安全措施是否到位。（5）检查自己的工具具是否安全可靠、好使，安全防护用品是否佩戴合理正确。（6）高空作业时必须系安全带，防止工具高空坠落伤人。（7）进入有限空间动火一定要注意定时进行气体化验分析，每隔两小时化验一次。（8）进入有限空间要有绝缘衬垫，防止触电。（9）做好防中暑工作。（10）施工过程中做好通风防尘、防中毒工作。（11）风力达到五级时停止高空作业，六级停止一切室外动火作业。
　　如2008年9月5日呼石化公司聚丙烯装置六号聚合釜下部环形焊缝开裂，我们班组接到车间下达的施工任务后马上准备施工工具和施工材料，迅速达到装置现场，发现聚丙稀六号釜下部环缝裂了两条裂缝长度分别是200mm和150mm，办完各种施工票据和施工手续，安全措施落实到位后，开始施工。我们先用角磨机将裂纹全部磨掉，由于设备内部存在少量循环水无法排干净决定焊接材料先用Φ2.5J422焊条打底Ф2.5J507焊条填充和盖面，焊前进行了适当的预热，焊接过程中选用了较小的焊接线能量，多层焊，断续焊打底，填充为分段焊，焊接过程中每层、每段都用刨锤进行适量的锤击，焊后采用了温差拉伸法消除焊接残余应力等控制措施。温差拉伸法消除焊接残余应力又称低温消除应力法适用于中度钢板焊后消除应力，就是在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧、乙炔焰矩平行于焊缝移动加热，在焰炬后一定距离（150-200mm）处跟随有排管喷水冷却。这样可造成一个两侧高（峰值约为200℃左右)焊缝区低（约100℃左右）的温度场。两侧的金属因受膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸，使之产生拉伸塑性变形以抵消原来的压缩塑性变形，从而消除残余应力。得到了较好的效果成功的减少了焊接残余应力，使设备能正常使用和工作。
　　又如2008年11月2日呼石化公司催化装置V802出口接管焊缝中心几乎全部开裂，接到单位下达的施工任务后马上准备施工工具和施工材料，迅速达到装置现场，办完各种施工票据和施工手续，安全措施落实到位后，判断焊道较薄且存在焊接残余应力，加上设备使用时有较强的震动引起的断裂，将焊缝上的裂纹打磨干净后使用Ф3.0J422焊条焊接，焊接时采用较小的焊接电流，每层焊完后用小锤全部敲击一遍来消除焊接残余应力，多层焊，一共焊了三遍，待焊缝高度和宽度达到要求后停止施工，装置将设备马上投入使用，以后该部位在没有出现断裂的情况，正常使用至今。
　　总之，在设备的使用过程中焊接残余应力是一种致命的隐患，在以后的维护工作中要根据现场的具体情况选择不同的焊接工艺方法和控制措施来控制和消除焊接残余应力，才能保证焊缝质量和使用寿命，为安全生产做出贡献。
　　参考文献
　　[1]曾乐.现代焊接工艺手册. [M]上海科学技术出版社1995.
　　[2]宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].中国石化出版社.