杜 非，劉懌歡，張晉軍，李菊峰

（1.天津鼎華檢測科技有限公司，天津 300192；2.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，天津 300192）

0 引言

殘余應(yīng)力可導(dǎo)致金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞壽命下降等問題，是設(shè)備失效的主要誘因之一。據(jù)統(tǒng)計，應(yīng)力腐蝕開裂造成的設(shè)備事故在整個石化設(shè)備腐蝕破壞事故中的比例高達50%左右[1]?；ぴO(shè)備制造過程中的焊接等工藝將產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力，是生產(chǎn)環(huán)境下焊接接頭失效的重要誘因?；ぴO(shè)備在焊接后通常會進行整體或局部熱處理以降低有害的殘余拉應(yīng)力，但一般不會對處理后的殘余應(yīng)力進行檢測，難以保證處理的有效性。因此，選擇適用于化工設(shè)備的殘余應(yīng)力測量方法，可根據(jù)應(yīng)力值評估設(shè)備的安全風(fēng)險，指導(dǎo)、評價殘余應(yīng)力的處理和改善，對提高設(shè)備的安全性能和使用壽命具有重要意義。

殘余應(yīng)力檢測方法可分為有損方法和無損方法兩大類。有損檢測方法是指移除被測對象的部分材料使殘余應(yīng)力得到釋放，通過測量產(chǎn)生的應(yīng)變實現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測，包括剝層法[2]、全應(yīng)變釋放法[3]、環(huán)芯法[4]和鉆孔法[5]等。但該類方法對材料會產(chǎn)生不同程度的破壞，對于安全性要求較高的化工設(shè)備難以應(yīng)用。因此，對于化工設(shè)備尤其是在用設(shè)備的殘余應(yīng)力，一般選擇無損方法進行檢測。目前，已有部分學(xué)者對各類殘余應(yīng)力檢測方法進行了綜述和比較[6-8]，但并未結(jié)合化工設(shè)備的實際檢測條件進行分析和評估。本文結(jié)合化工設(shè)備的特點和實際應(yīng)用情況，分析了化工設(shè)備對殘余應(yīng)力檢測方法的具體要求，對現(xiàn)有方法的技術(shù)特點和適用工況進行了整理和總結(jié)，并對化工設(shè)備殘余應(yīng)力的檢測方案進行了探討。

1 化工設(shè)備殘余應(yīng)力檢測要求

化工設(shè)備的殘余應(yīng)力主要源自加工過程中產(chǎn)生的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。設(shè)備制造過程中，各部件在安裝或組裝前一般已分別經(jīng)過去應(yīng)力處理，因此在用設(shè)備的殘余應(yīng)力主要產(chǎn)生在焊接的接頭和修復(fù)部位，這些部位也是疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕等應(yīng)力敏感缺陷的高發(fā)區(qū)域。在選擇化工設(shè)備的殘余應(yīng)力檢測方法時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的現(xiàn)場條件、檢測部位和可操作性從以下方面予以考慮：

（1）可靠性。檢測方法應(yīng)具有較高的精度和魯棒性，對外部環(huán)境等干擾因素不敏感，在現(xiàn)場條件下依然具有良好的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和可靠性，為殘余應(yīng)力的處理和評價提供參考。

（2）易用性?；ぴO(shè)備體積較大，由于部分焊接需在現(xiàn)場進行，因此要求方法具有原位檢測能力，檢測設(shè)備應(yīng)具有較好的便攜性和靈活性，能夠滿足不同位置的檢測需求。

（3）檢測效率?；ぴO(shè)備焊縫數(shù)量較多，需要檢測方法具有較快的檢測速度以滿足現(xiàn)場檢測要求。此外，現(xiàn)場條件下被測表面的預(yù)處理也應(yīng)視作檢測時間的一部分。

（4）設(shè)備成本。檢測方法應(yīng)具有相對較低的設(shè)備成本，包括一次性成本和后期使用、維護及耗材的開銷，以保證檢測方法可被推廣應(yīng)用。

2 殘余應(yīng)力無損檢測方法

由于殘余應(yīng)力屬于內(nèi)部應(yīng)力，在不破壞工件的前提下直接測量較為困難，因此通常通過測量與其相關(guān)的材料物性或晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以間接方式實現(xiàn)殘余應(yīng)力的無損檢測。現(xiàn)有方法主要包括壓痕應(yīng)變法、X 射線衍射法、中子衍射法、磁方法和超聲波法等。

2.1 壓痕應(yīng)變法

壓痕應(yīng)變法在工件表面壓入球型壓痕產(chǎn)生材料流變從而引起受力材料的松弛變形，在其誘導(dǎo)和材料殘余應(yīng)力的作用下，壓痕產(chǎn)生的彈塑性區(qū)和周圍應(yīng)力應(yīng)變場也會產(chǎn)生變化。通過測量兩種行為疊加產(chǎn)生的應(yīng)變量，可求解得到殘余應(yīng)力的大小，如圖1 所示[9]。為獲取求解過程中所需的材料力學(xué)參數(shù)，壓痕應(yīng)變法需采用與待測工件材料相同的試板進行標(biāo)定實驗，以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 壓痕應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力示意圖

可靠性方面，壓痕應(yīng)變法的影響因素較少，在標(biāo)定完善的情況下具有較好的測量精度，但由于采用計算求解，其對被測區(qū)域材料的一致性要求較高：對于材料均勻的母材區(qū)域，該方法具有較好的檢測效果；而對于材料成分復(fù)雜的焊縫區(qū)域，其檢測結(jié)果會受到一定影響。易用性方面，壓痕應(yīng)變法設(shè)備體積較小，具有較好的便攜性，操作簡單，但需要垂直固定壓痕設(shè)備，由人員操作對壓痕進行導(dǎo)向，對被測點周圍及上方空間具有一定要求，對垂直、倒置的檢測部位操作較為困難。效率方面，壓痕應(yīng)變法需完成工件表面打磨、粘貼應(yīng)變片、對中壓痕等操作流程，檢測效率一般。成本方面，壓痕應(yīng)變法設(shè)備價格較低，具有良好的可推廣性。

2.2 X 射線衍射法

對于具有晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，殘余應(yīng)力將導(dǎo)致其晶面間距發(fā)生變化。X 射線衍射法則通過測量材料的晶面間距實現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測[10]。X 射線照射材料表面時，當(dāng)射線波長、入射角度、衍射晶格間距和衍射角符合布拉格定律時，在衍射角方向可接收到射線的最大衍射峰值，據(jù)此可以計算得到檢測點的晶面間距。根據(jù)彈性力學(xué)方程和材料晶格參數(shù)，即可求出被測點某一方向的應(yīng)力值，如圖2 所示。

圖2 晶體中X 射線的布拉格衍射

可靠性方面，X 射線衍射法具有較高的測量精度、空間分辨率和穩(wěn)定性，是目前最為成熟的殘余應(yīng)力無損檢測方法。但該方法對于大晶粒或織構(gòu)組織的材料檢測效果相對較差，有效測量深度僅有數(shù)十微米，難以獲取材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力信息。易用性方面，現(xiàn)已有小型化檢測設(shè)備可用于現(xiàn)場檢測，但需采取一定的射線防護措施。此外，X 射線衍射法為非接觸檢測方法，與被測點之間可具有一定的提離值，對一些空間較小的特殊結(jié)構(gòu)和部位具有較好的檢測效果。效率方面，該方法應(yīng)力測量時間僅需數(shù)十秒，但由于檢測深度極淺，因此對材料的表面預(yù)處理要求極高，常規(guī)打磨后還需進行電解拋光，較大程度上影響了檢測效率。價格方面，該類設(shè)備價格相對較高，不同的檢測金屬還需采用不同靶材，一定程度上限制了該方法的推廣。

2.3 中子衍射法

中子衍射法與X 射線衍射法原理相似，均基于布拉格衍射原理通過測量材料的晶面間距實現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測。與X 射線相比，中子具有更強的穿透能力，可對材料近表面的殘余應(yīng)力進行檢測[11]。中子衍射應(yīng)力儀通過限束光學(xué)系統(tǒng)控制入射和接收中子束的寬度和位置，實現(xiàn)對檢測部位的選擇，典型檢測光路如圖3 所示。

圖3 中子衍射法檢測應(yīng)力的光路

可靠性方面，中子衍射方法理論成熟、結(jié)果準(zhǔn)確，其最大優(yōu)勢在于可對材料表面及一定深度內(nèi)的殘余應(yīng)力進行檢測。易用性方面，中子衍射設(shè)備體積龐大，僅能在實驗室環(huán)境下使用，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的檢測需求。效率方面，中子源的流強較弱，測量時間較長，但試樣制備過程不需要精密的表面處理。成本方面，中子源裝置費用極其昂貴，國內(nèi)裝置數(shù)量也極為有限，目前無法廣泛推廣應(yīng)用。

2.4 磁方法

磁方法是利用應(yīng)力對材料磁學(xué)特性的影響來實現(xiàn)殘余應(yīng)力的測量，適用于鐵磁性材料的殘余應(yīng)力檢測，常用方法包括電磁檢測法和磁噪聲法。

殘余應(yīng)力在鐵磁性材料中會產(chǎn)生磁各向異性，電磁檢測法即基于這一原理實現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測[12]。該方法采用交流磁化激勵，對無應(yīng)力條件下等磁位點的磁位差進行測量得到該處的殘余應(yīng)力值，如圖4 所示。為確定磁位差與應(yīng)力值之間的關(guān)系，電磁檢測法需采用與被測對象材料種類和化學(xué)成分相同，且具有相同熱處理條件的標(biāo)準(zhǔn)拉壓試樣進行標(biāo)定。

圖4 電磁檢測方法中四極傳感器的磁極分布

磁噪聲法又稱巴克豪森磁噪聲法，其利用鐵磁性材料中應(yīng)力對巴克豪森信號的影響實現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測[13]。在外磁場的作用下，材料內(nèi)部的磁疇壁將克服勢能壘發(fā)生不連續(xù)、跳躍式的運動，并產(chǎn)生類似脈沖噪聲的磁信號，即巴克豪森噪聲。鐵磁材料中的殘余應(yīng)力會改變疇壁間距，影響巴克豪森噪聲信號的強弱。因此可通過對材料進行交變磁化激勵，測量巴克豪森磁噪聲的參數(shù)來評估材料的殘余應(yīng)力。磁噪聲法同樣需要預(yù)先進行標(biāo)定試驗，以獲得噪聲信號特征和應(yīng)力值之間的對應(yīng)關(guān)系。

盡管兩種磁方法的檢測原理不同，但在技術(shù)特點方面較為相似?？煽啃苑矫妫瑑煞N方法在準(zhǔn)確標(biāo)定的條件下均具有較好的檢測精度，但由于標(biāo)定試驗需采用與被測對象材料、組織、熱處理狀態(tài)完全一致的試件，而實際上在制備標(biāo)定試件時很難保證所有因素完全一致，可能會對檢測精度產(chǎn)生一定的影響。易用性方面，兩種方法的探頭均可與主機分離，適合一些外部空間狹小部位的檢測，但對于大曲率表面和面積小于探頭的測試部位較難實現(xiàn)良好耦合，需設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的探頭進行檢測。效率方面，磁方法具有較快的檢測速度，材料表面僅需平整、無銹蝕、磁屏蔽涂層或包覆層，可保證傳感器磁隙相同即可，檢測效率較高。成本方面，磁方法的設(shè)備價格尚可，后期維護簡單，具有較好的可推廣性。

圖5 磁噪聲法檢測殘余應(yīng)力的原理

2.5 超聲檢測方法

超聲檢測方法利用殘余應(yīng)力對材料聲學(xué)特性的影響實現(xiàn)殘余應(yīng)力的測量。近年來，基于超聲臨界折射縱波的殘余應(yīng)力檢測方法逐漸得到推廣應(yīng)用[14]。臨界折射縱波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ奶厥饪v波，其聲速對應(yīng)力較為敏感。當(dāng)聲束由第一臨界角入射時即可激發(fā)臨界折射縱波，采用另一探頭接收這一信號，根據(jù)探頭之間的距離和傳播時間即可實現(xiàn)聲速的測量，如圖6 所示。超聲檢測方法同樣需要標(biāo)定實驗獲得聲速與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，以計算得到殘余應(yīng)力的具體數(shù)值。相比電磁方法，超聲方法可對非鐵磁性材料進行檢測，但對于大晶粒、聲衰減強烈的材料檢測效果較差。

圖6 超聲臨界折射縱波檢測方法原理圖

可靠性方面，超聲方法具有較好的檢測精度，并且具有一定的檢測深度，可滿足表面和近表面的殘余應(yīng)力檢測需求。但該方法的檢測精度同樣受到標(biāo)定試驗的影響，并且對溫度、耦合等因素較為敏感，因此在實施檢測時需要控制上述變量對精度的影響。易用性方面，超聲探頭同樣可與主機分離，具有較高的靈活性，但與磁方法類似，同樣存在大曲率表面和小面積測試點的耦合問題，需采用特制探頭或楔塊進行檢測。效率方面，超聲方法具有較快的檢測速度，材料表面可使探頭良好耦合即可，處理要求較低。成本方面，超聲設(shè)備的價格略低于X 射線衍射設(shè)備，在應(yīng)用推廣方面存在一定的優(yōu)勢。

近期，部分基于激光超聲[15]和電磁超聲[16]的殘余應(yīng)力檢測技術(shù)開始逐漸出現(xiàn)。該類方法可實現(xiàn)殘余應(yīng)力的非接觸測量，降低對材料表面的要求，對于一些特殊結(jié)構(gòu)具有較好的檢測效果。但該類技術(shù)聲波的指向性難以控制，目前僅適合檢測方向已知的一維應(yīng)力，距離成熟應(yīng)用還存在一定差距。

3 討論與總結(jié)

在對化工設(shè)備進行殘余應(yīng)力檢測時，應(yīng)結(jié)合檢測時機、部位以及技術(shù)特點選擇合適的殘余應(yīng)力檢測方法。中子衍射法由于其無法實現(xiàn)現(xiàn)場檢測，更多用于科學(xué)研究、工藝驗證等領(lǐng)域。對于經(jīng)熱處理、表面處理而尚未焊接加工的母材檢測，可采用成本較低、較為方便的壓痕應(yīng)變法進行檢測，以評估處理工藝對殘余應(yīng)力的改善效果。對于焊接區(qū)域，對于外部空間較大，檢測點面積較小的部位，可采用X 射線衍射方法進行檢測。而對于外部空間受限，檢測部位較為平整的區(qū)域，磁方法或超聲方法則更為適用。在實際應(yīng)用中，各方法可相互補充，以滿足工業(yè)現(xiàn)場的檢測需求。

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對化工設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性要求也日益提升，殘余應(yīng)力引起的安全隱患也逐漸得到重視。通過對殘余應(yīng)力進行檢測，可為改善制造、加工和安裝工藝提供參考，并評估熱處理、噴丸、超聲沖擊等方法對殘余應(yīng)力的改善效果，提高化工設(shè)備的安全性能和使用壽命，具有良好的社會經(jīng)濟效益。本文結(jié)合化工設(shè)備的檢測要求，根據(jù)現(xiàn)有殘余應(yīng)力檢測方法的技術(shù)特點，探討了適用于實際現(xiàn)場的檢測方案，可為化工設(shè)備殘余應(yīng)力的檢測、管理和評價提供參考。