球形儲罐局部消應(yīng)力熱處理的機理與效果評價研究.pdf

1、球形儲罐是應(yīng)用廣泛的大型壓力容器。使用中發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷后通常需要進行補焊和局部消應(yīng)力熱處理。目前各國標準中均末給出有效的關(guān)于球形儲罐局部熱處理的規(guī)定。公開報道的案例表明，對局部熱處理遠未達到有效控制水平。 本文采用有限元數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法對球形儲罐局部熱處理問題進行了研究。研究中提出了考察區(qū)域的概念以及以此為基礎(chǔ)的局部加熱過程熱跟蹤的算法，建立了球形儲罐多層多道補焊過程數(shù)值模擬模型和三種局部加熱過程分析模型，并開發(fā)出了對

2、應(yīng)的運算程序。為分析局部熱處理的效果，提出了補焊區(qū)域表面平均殘余應(yīng)力、熔敷金屬平均殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)最大殘余應(yīng)力三種評價方法。通過大規(guī)模系列運算，得出了許多有價值的結(jié)論。 研究發(fā)現(xiàn)，若采用小面積集中加熱，局部加熱過程本身會帶來足以引起材料屈服的殘余熱應(yīng)力。雖然殘余熱應(yīng)力在冷卻過程中產(chǎn)生，但造成殘余熱應(yīng)力的真正原因是加熱、恒溫過程形成的塑性應(yīng)變和蠕變應(yīng)變，而冷卻速度對殘余熱應(yīng)力基本無影響。當(dāng)同時考慮焊接殘余應(yīng)力時，局部加熱過程本身帶來

3、的熱應(yīng)力仍是影響熱處理效果的主要控制因素。增加加熱面積可以有效降低局部加熱帶來的殘余熱應(yīng)力，提高殘余應(yīng)力消除率。 分析表明，在球形容器局部熱處理中，焊接殘余應(yīng)力的消除機制包括高溫屈服和高溫蠕變。材料的高溫蠕變起到兩個相反的作用，它有利于焊接殘余應(yīng)力的消除，但會增加局部熱處理過程本身帶來的殘余熱應(yīng)力。在材料屈服、蠕變和溫度梯度共同作用下，局部熱處理存在最優(yōu)的恒溫溫度和恒溫時間。 對十種可能的影響因素進行了逐一分析，表明球形

4、儲罐體積、壁厚、加熱區(qū)域弧長半徑和恒溫溫度是影響局部熱處理效果的主要因素；環(huán)形保溫帶寬、加熱升溫速度、恒溫時間和考察區(qū)域尺寸對熱處理效果影響不顯著，為次要因素；冷卻速度(包括加速冷卻)和加熱面布置對補焊殘余應(yīng)力消除效果幾乎沒有影響。 基于合于使用的原則，得出球形儲罐局部熱處理加熱區(qū)域弧長半徑的推薦準則為Rheat≥3.4√R1t。這時，可以將考察區(qū)域的殘余應(yīng)力平均值控制在30％σs，左右，最大殘余應(yīng)力可控制在50％σs左右，對應(yīng)