陕西西宇无损检测有限公司
摘要：残余应力可导致金属材料发生应力腐蚀开裂、疲劳寿命下降等问题，是设备失效的主要诱因之一。据统计，应力腐蚀开裂造成的设备事故在整个石化设备腐蚀破坏事故中的比例高达50%左右。化工设备制造过程中的焊接等工艺将产生明显的残余应力，是生产环境下焊接接头失效的重要诱因。化工设备在焊接后通常会进行整体或局部热处理以降低有害的残余拉应力，但一般不会对处理后的残余应力进行检测，难以保证处理的有效性。因此，选择适用于化工设备的残余应力测量方法，可根据应力值评估设备的安全风险，指导、评价残余应力的处理和改善，对提高设备的安全性能和使用寿命具有重要意义。
关键词：化工设备；残余应力；无损检测
引言
残余应力检测方法可分为有损方法和无损方法两大类。有损检测方法是指移除被测对象的部分材料使残余应力得到释放，通过测量产生的应变实现残余应力的检测，包括剥层法[2]、全应变释放法、环芯法和钻孔法等。但该类方法对材料会产生不同程度的破坏，对于安全性要求较高的化工设备难以应用。因此，对于化工设备尤其是在用设备的残余应力，一般选择无损方法进行检测。目前，已有部分学者对各类残余应力检测方法进行了综述和比较[6-8]，但并未结合化工设备的实际检测条件进行分析和评估。本文结合化工设备的特点和实际应用情况，分析了化工设备对残余应力检测方法的具体要求，对现有方法的技术特点和适用工况进行了整理和总结，并对化工设备残余应力的检测方案进行了探讨。
1无损检测技术概述
无损检测技术是一种在不损坏被检测对象使用性能及结构特征的前提下，借助声、光、电、磁等介质对被检测对象中是否存在结构缺陷或者材质不均匀等问题进行检测，并将缺陷的大小位置等信息进行判定显示的检测技术。无损检测技术的使用并不会对被检测对象造成任何结构上的损伤，同时也为结构缺陷的全面查找提供了一种全新的方式。除此之外，无损检测技术还可以应用于产品生产质量的监控工作中，能够有效防止因为产品生产质量不过关而引发的不利后果。目前，无损检测技术可以分为常规和非常规两类，其在诸多行业中都有着十分广泛的应用。
2化工设备残余应力检测要求
化工设备的残余应力主要源自加工过程中产生的机械应力和热应力。设备制造过程中，各部件在安装或组装前一般已分别经过去应力处理，因此在用设备的残余应力主要产生在焊接的接头和修复部位，这些部位也是疲劳裂纹、应力腐蚀等应力敏感缺陷的高发区域。在选择化工设备的残余应力检测方法时，应根据设备的现场条件、检测部位和可操作性从以下方面予以考虑：（1）可靠性。检测方法应具有较高的精度和鲁棒性，对外部环境等干扰因素不敏感，在现场条件下依然具有良好的准确性、重复性和可靠性，为残余应力的处理和评价提供参考。（2）易用性。化工设备体积较大，由于部分焊接需在现场进行，因此要求方法具有原位检测能力，检测设备应具有较好的便携性和灵活性，能够满足不同位置的检测需求。（3）检测效率。化工设备焊缝数量较多，需要检测方法具有较快的检测速度以满足现场检测要求。此外，现场条件下被测表面的预处理也应视作检测时间的一部分。
3无损检测技术的实际应用
3.1射线无损检测技术
射线无损检测方式是将电磁辐射能量和电磁波作为检测介质，在射线穿透被检测对象后，与被检测对象内部的材料介质发生相互作用，同时这种相互作用会因为物质性质之间的差异而表现不同，从而得到程度各异的感光，获取检测位置的管道缺陷影像，然后对影像进行有效分析，就可以得出该位置存在缺陷与否及缺陷的具体信息。该项技术可以应用于范围较小且相对复杂的缺陷检测中，其最终检测得到信息的可靠性也相对较高。
该技术主要用于检测天然气管道的气焊、电弧焊等焊接工作的接头，其能够在局部厚度条件较差及气孔的缺陷检测中获得优秀的检测效果，最终得到的缺陷信息包含了缺陷数量、大小、位置等。但该技术在具体的应用过程中也存在着使用上限的限制，即射线管功率数值会影响检测结果，并且照相的角度会直接影响检测结果的可靠程度。
3.2压痕应变法
压痕应变法在工件表面压入球型压痕产生材料流变从而引起受力材料的松弛变形，在其诱导和材料残余应力的作用下，压痕产生的弹塑性区和周围应力应变场也会产生变化。通过测量两种行为叠加产生的应变量，可求解得到残余应力的大小。为获取求解过程中所需的材料力学参数，压痕应变法需采用与待测工件材料相同的试板进行标定实验，以保证检测结果的准确性。可靠性方面，压痕应变法的影响因素较少，在标定完善的情况下具有较好的测量精度，但由于采用计算求解，其对被测区域材料的一致性要求较高：对于材料均匀的母材区域，该方法具有较好的检测效果；而对于材料成分复杂的焊缝区域，其检测结果会受到一定影响。易用性方面，压痕应变法设备体积较小，具有较好的便携性，操作简单，但需要垂直固定压痕设备，由人员操作对压痕进行导向，对被测点周围及上方空间具有一定要求，对垂直、倒置的检测部位操作较为困难。效率方面，压痕应变法需完成工件表面打磨、粘贴应变片、对中压痕等操作流程，检测效率一般。成本方面，压痕应变法设备价格较低，具有良好的可推广性。
3.3远场涡流无损检测技术
在天然气的铁磁性管道中会出现一种独有的远场涡流现象，这是一种可以穿透管壁的低频率涡流，以此为基础诞生的远场涡流无损检测技术，探测设施主要由和管道同轴的激励和检测螺线管线圈构成。一般情况下，当使用该设施进行检测时，检测线圈的位置通常位于距离激励线圈约两倍天然气管道内部直径及以上的远场区域内。和常规的涡流检测技术相比，远场涡流无损检测技术极大地克服了趋肤效应。而且与其他性质的无损检测技术相比，远场涡流无损检测技术能够全面检测天然气管壁外表面上存在的缺陷，并且外界因素对其检测工作的影响程度较低。但是需要注意的是，该项无损检测技术信号较为微弱，检测速度和效率相对较低，这也正是该项技术发展速度缓慢的主要原因。当前国外的企业已经制造出该项无损检测技术的产品并投入使用，如Russell公司制造出的SeeSnake远场涡流无损检测设施，其对天然气管道的缺陷检测精度达到了5%。
结束语
在对化工设备进行残余应力检测时，应结合检测时机、部位以及技术特点选择合适的残余应力检测方法。中子衍射法由于其无法实现现场检测，更多用于科学研究、工艺验证等领域。对于经热处理、表面处理而尚未焊接加工的母材检测，可采用成本较低、较为方便的压痕应变法进行检测，以评估处理工艺对残余应力的改善效果。对于焊接区域，对于外部空间较大，检测点面积较小的部位，可采用X射线衍射方法进行检测。而对于外部空间受限，检测部位较为平整的区域，磁方法或超声方法则更为适用。在实际应用中，各方法可相互补充，以满足工业现场的检测需求。
参考文献
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