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疲劳设备是否需要做焊后消应力热处理?

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关于疲劳设备是否一定要做焊后消应力热处理这个问题?我先回答目前我所在公司的做法:所做的疲劳设备都是要求焊后热处理的。若是问为什么,我大概只能回答一直以来都是这么做的。关于这个问题,可能做过多年分析设计的人也未必去深究过其背后的原理,所以回答这个问题还是得从标准规定和理论原理出发,才能更好的进行理解和认识。  

标准规定  

无论是老版4732、新版4732或是ASME规范中,在焊后热处理章节中对疲劳设备都没有明确要求焊后热处理的规定。在GB/T 47328.3.3节是如下规定的:

其中:abc)三条分别对不同材料基于焊缝厚度、应力腐蚀及盛装介质毒性为极度或高度危害介质的部分压力容器明确规定了焊后热处理的要求;而对于疲劳设备并没有明确要求焊后热处理。既然对疲劳设备标准没有明文规定,那必然有其背后的缘由,首先需理解几个概念。  

焊接残余应力及其性质  

1)焊接残余应力是指焊接件在焊接热过程中因变形受到约束而产生的残留在焊接结构中的内应力其中尤以焊缝金属熔化后再凝固、冷却收缩受到约束而产生的热应力最为显著,是残余应力的主要部分;在焊接冷却过程中内部金相组织变化时出现的内应力是残余应力的次要部分。结构的刚性愈大,即拘束度愈大,产生的残余应力也愈大,对结构承载能力的影响也愈大。因此,焊接残余应力是不可避免的,其应力水平很高,且焊接残余应力随板厚而更甚,这也是标准中根据不同板厚来区分是否做焊后热处理的原因之一。    

2)焊接残余应力对疲劳破坏的影响,《压力容器设计人员培训教材》中有如下描述,明文说明了对疲劳容器不需要进行焊后热处理的原因。

按教材中的说法是:焊接残余应力对疲劳破坏不会产生大的影响,也就是说还是有一定影响的,可以理解为相较于交变应力来说,影响小很多,更不是决定性因素,故不要求焊后热处理。  

S-N曲线和平均应力  

然后,我们再看另一教材《压力容器设计的力学基础及其标准应用》中是怎么说的:  

1)疲劳曲线是根据大量光滑杆件在对称循环载荷r=-1)作用下经过试验获得的,但是对于压力容器及其部件所承受的载荷很少是对称循环载荷,而主要是各异的波动载荷或脉动载荷(0r1)。这种载荷可以当作是一个静拉伸载荷与一个对称载荷的叠加,因此就存在一个平均应力对疲劳寿命的影响问题。  

2)对于平均应力的说明如下所述:

从文中的表述可知:一是残余应力对疲劳寿命是有一定影响的,其影响程度与平均应力具有同样的效果;二是关于平均应力对于疲劳寿命的影响究竟有多少,比较复杂难以有针对性的具体评定;三是拉伸平均应力会使疲劳寿命缩短,而压缩平均应力对疲劳寿命则是有利的;四是文中提及的残余应力虽未明确提及焊接残余应力,但也可推断出焊接残余应力也应按平均应力考虑,属于平均应力组成的一部分。    

3)对于平均应力的处理有如下两段描述:

从文中表述可知:残余应力这种平均应力对疲劳寿命的影响已经在标准所列的S-N曲线中进行了最大影响的考虑并进行了修正,是偏于安全的,甚至对有些情况是过于保守的。  

结论  

综上所述,从背后的理论原理出发,便可理解标准中对于疲劳设备并不强制要求做焊后热处理的原因。  

1)焊接残余应力是恒定的应力,而非交变应力,对疲劳寿命有一定的影响但相较于交变应力影响应该小很多,更不是决定性因素;    

2)标准中所列的用于设计的S-N曲线本身已考虑了平均应力可能产生的最大影响,即已经考虑了焊接残余应力的存在,且焊接残余应力仅是平均应力的一部分组成。S-N曲线对于平均应力的考虑是偏安全的,在某些情况下甚至是过于保守的。    

3)做焊后热处理消除残余应力对于提高疲劳设备的寿命肯定是有利的,但并非必须的,仅能说在安全性上又作了一点提升,但也可认为属于保守的要求。    


来源:ANSYS分析设计人
疲劳焊接理论材料试验ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-01-11
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ANSYS分析设计人
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