残余应力对焊接钢管质量及可靠性的影响(1)

     由成型及焊接过程造成的残余应力对焊接钢管的质量及服役可靠性有重要影响，降低焊接钢管的承压能力，易造成焊接钢管的耐腐蚀能力降低，使焊接钢管产生疲劳破坏，所以降低残余应力水平、改善焊接钢管的歼余应力分布是非常有意义的。对焊接钢管残余应力的研究方法、研究成果进行了综述。
焊接钢管制造一般要经过拆卷、矫直、修边、成型、焊接等主要工序以及探伤、平头、试压等一系列辅助工序。
    焊接钢管内部存在有塑性变形，成型过程和焊接过程施加在板料上的应力在成型后难以全部释放，所以各类型焊接钢管中都不可避免的存在残余应力。残余应力的存在对焊接钢管的疲劳、腐蚀、稳定性、承压能力都有影响，研究焊接钢管的残余应力对提高焊接钢管的制造质量、保证管道的运行可靠性是十分必要的。
残余应力的测量技术研究始于二十世纪三十年代，发展至今已形成多种测量方法，概括起来可大致分为两类：（1）机械测量方法，包括盲孔法，切环法，切块法等（2）物理测量方法，包括X射线法，磁测法，超声波法等。另外，数值模拟方法（主要包括有限元法、有限条法）在焊接钢管的成型及残余应力研究方法也起到了非常重要的作用。在过去的十几年中人们对焊接钢管残余应力及其测量方法进行了很多的研究。研究结果显示UOE焊接钢管的残余应力较低，JCOE焊接钢管次之，HSAW 焊接钢管的残余应力水平高、分布复杂。其成型方式、成型焊接、水压试验、扩径等对焊接钢管的残余应力有重要的影响。
1 残余应力测量技术
    X射线衍射法是应用最广泛的无损应力测试方法，其原理是应力使得材料的晶格常数发生变化，通过对其变化量的测量即可得到残余应力。该方法的优点是不会对构件造成破坏，但测试深度仅有30-40微米，而且受表面状态的影响非常大。
应力可以改变超声波的波速，所以通过测量入射超声波的波速可以计算残余应力。该方法不仅是一种无损测量方法，而且超声波可以进行三维的测量，测量深度可达到整个厚度。然而影响超声波测量残余应力也受到表面状态的很大影响。近年来U.S Department of Energy 的国家能源技术实验室在此方面做了很多工作，开发了新的测装置。
    利用磁致伸缩效应也可以测量残余应力，称为磁测法，无损而且测量深度可达到数毫米，无辐射，测量速度高。仅适用于铁磁材料，而且测量后会给结构造成余磁。英国开发了可以进行管线的在线测量的磁测装置。
中子衍射法测量残余应力是通过测量样品衍射峰位置的移动，计算材料中沿某一方向的晶面间距相对于应力状态的变化，得到应变，进面转换成应力。HAYASHI 等人利用中子衍射、X射线、应变片法测量了碳钢焊接钢管的残余应力，根据测量结果指出中子衍射法是测量结构内部应力的最有效的方法。
    盲孔法是通过钻削直径2mm左右的小孔，使得小孔周围的应变释放，利用应变片记录应变，根据该应变计算残余应力。盲孔法对构件的破坏性小，而且方便在现场进行残余应力的测量，测得残余应力为所去除材料的平均应力，测量的尝试范围约几个毫米。在此基础上人们为了测量更深位置的残余应力开发了深孔，阶梯孔等测试技术。盲孔法的理论基础扎实，在除焊接钢管外的其它领域也得了广泛的应用。
    切块法在焊接钢管残余应力测试中通过从焊接钢管上切下的块所释放的应变计算残余应力。切块法测量时切块的尺寸不能太大，否则焊接钢管内的残余应力不能全部释放，而是在切块内部产生了重新的平衡，切割过程采用应变片跟踪计量释放的应变，切割时应采用冷切割的方法，以免切割过程对所测应变产生影响。