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1、磁记忆检测技术在锅炉压力容器焊接残余应力测量中的应用分析黄清荣(宜春锅炉压力容器检测中心,江西宜春336000)张维(南昌航空工业学院,南昌330000)摘要:针对目前焊接残余应力常用的几种无损测量方法进行了简单介绍和比较。提出了一种新的无损测量方法——金属磁记忆检测技术。分析了该技术在锅炉压力容器焊缝中的应用前景及存在的问题。关键词:锅炉压力容器;残余应力;磁记忆检测中图分类号:TG115.28+4文献标识码:A文章编号:167124423(2003)022142041前言锅炉压力容器在焊接过程中易产生焊接残余应力。它产生的原因较为复杂,因锅炉压力容器的材质、焊接方法和结构形式的不同
2、,产生的焊接残余应力也不同,有时会差别很大。焊接残余应力对焊接构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强度、形状精度和安全使用有重要影响,它是造成锅炉压力〔1〕容器断裂,疲劳破坏和应力腐蚀的重要因素。研究焊接残余应力的分布,确定它的大小,分析其对锅炉压力容器整体性能的影响,为最终减少或消除焊接残余应力对锅炉压力容器的危害,防止灾难事故的发生已经成为锅炉压力容器领域中广泛关注的问题。特别是对于一些大型重要的锅炉压力容器,寻求适宜现场快速检测的方法具有现实的工程意义。尽早发现锅炉压力容器应力集中区,并进行有针对性的无损检测,早期预防断裂事故发生具有重要的意义。目前,测量残余应力的方法相对于被测件而言
3、,可分为无损和有损测试法两大类。钻孔法(即小孔法)是常用的有损测试方法之一。它是利用机械加工工程(钻孔)释放被测点处的应力,使被测件产生相应的位移与应变,通过测量其应变或位移,而后得到被测试点处的残余应力。它的测量精度与灵敏度都比较好,但是被测试件受到一定的损伤,所以现在实际应用受到很大限制,而且它的测量结果是小孔处被测试表面的残余应力平均值,无法精确表述残余应力随被测试件深度而变化的情况,还不能完全解决被测试件残余应力的测量问题。因此,无损测试方法就成为研究的主要方向。常用的无损测试材料的残余应力的方法有X射线衍射法、中子衍射法、超声测速法。激光干涉(包括电子剪切散斑进干涉技术、红外
4、热图和磁测量法等。)由于这些方法对被测试对象无损伤,近年来正日益受到人们的重视并得到广泛应用。2几种常用无损测试残余应力的基本原理及局限性2.1X射线衍射法金属材料是由一定点阵排列组成的晶格结构,晶格内某一取向的原子间距是一定的。若能测量出自由状态下的原子间距与在某一应力作用下的原子间距的差值,就能计算出作用应力的大小,也就是著名的Bragg定律,当射线入射角(射线与材料平面的夹角)H(Bragg角)满足下面方程式时,衍射值最大,2dsinH=nK是晶格常数(原子间距),K是X射线波长。n为衍射级数。当有应力作用时,金属材料发生变形,原子间距d会发生变化,Bragg角H也发生变化。上世
5、纪60年代德国的E.Machearauch提出了X射线应力测定的sin27法,使应力测定向实用化迈进了一大步。随后cheekier将其简化成0～45°法,测试方法进一步简化。X射线衍射法的最大优点是可以测量出应力的绝对值,它在焊接结构残余应力测量中应用较广泛。美国汽车工程师学会和日本材料学会都把X射线衍射法作为测量材料应力的标准来使用。但这种方法更适宜在实验室里进行,在野外使用有很多不便。由于X射线的穿透深度极浅,它只能在表层深度30Lm左右的范围测量,适用于精确测定应力沿层深的分布。但它对被测物体的表面状况有较严格的要求,测量时需十分小心。2.2中子衍射法〔2〕中子衍射法是一种测量结
6、构内部应力的常用方法。该方法测量原理与X射线衍射法基本相似。典型的是,由单色光晶体从反应堆芯(约50mm×50mm)发射中子束,隔吸收屏狭缝处于构件和入射及衍射束之间,以降低残余应力的取样体积,平行衍射束发自对衍射有正确取向的原子。通过研究衍射束的峰值位置和强度,可获得应力或应变的数据。由于X射线是由电子壳层散射的,故其穿透深度极浅(大约离表面20Lm深),用X射线衍射法可以测量锅炉压力容器表面的应力,而中子是由原子核散射的,中子的穿透深度比X射线大得多,对于钢可达50mm,可以用来测量钢的焊接结构沿层深的残余应力。各种焊接结构层深的残余应力都可以采用中子法来测量。近年来中子法在焊接残
7、余应力测量中的应用比较普遍。例如,Mochizuki以中子衍射法作为直接测量手段来对碳钢管焊接接头沿层深的残余应力进行了分析和验证;Stone把中子法应用到了WASPALOY合金的电子束焊板的残余应力的测量上。2.3超声波声速法声强性研究表明,超声波在各向同性弹性体内的传播速度还相似地正比于所加的应力。超声波声速法有两种方案在实际中运用。一种是在金属构件中采用超声纵波,评价因应变——位移关系的弱非线性引起的速度差别,由此确定其残余应力,例如测量
