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缺陷
通过检检可发现在役压力容器存在着大量的各种各样的缺陷，尤其是十年动乱期间制造的压力容器，普遍都存在着先天和后天性缺陷。
如果将这些带缺陷的压力容器都报废，其损失巨大。
根据《检规》的有关精神要求，对在役压力容器的缺陷处理应掌握“合于使用”的原则，对其缺陷的处理不是为了使其恢复到现行设计、制造标准。
对在役压力容器中的缺陷应从实际出发，正确运用理论知识和实践经验，同时要考虑安全可靠与经济合理。
进行正确的处理，使大量的带缺陷的压力容器起死回生，给国家及企业带来巨大的经济效益。
在役压力容器常见的缺陷是表面缺陷和焊缝内部缺陷。
表面缺陷主要有：
裂纹、腐蚀、变形、机械损伤、工卡具焊迹、电弧擦伤、弧坑、焊缝气孔、焊缝夹渣、焊瘤、内凹、咬边、错边、棱角以及焊缝的成型不符合有关规定等。
焊缝内部缺陷主要有：
气孔、夹渣、夹钨、未焊透、未熔合、裂纹等。
以上这些缺陷有些是制造时遗留下来的，有些是使用中产生的，处理的重点应是使用中产生的缺陷。
1表面缺陷的处理意见
（1）表面裂纹的处理。
根据产生的部位不同分为母材裂纹和焊缝裂纹，母材裂纹是在轧制钢板时形成的，而焊缝裂纹是在熔化焊接时产生的，它可分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。
热裂纹是焊缝金属由结晶开始一直冷却到固相线732℃以前所产生的裂纹，特征是沿原奥氏体晶界开裂，多产生在焊缝中心，个别情况下产生在焊接热影响区，近焊缝的母材夹渣也可能引起热裂纹。
冷裂纹是焊缝金属冷却到300℃以下时所产生的，也称氢致裂纹或延迟裂纹，常产生在热影响区的熔合线附近的过热区中，有时也产生于焊缝金属中。
再热裂纹是在热处理或500~600℃工作后产生的裂纹，常产生于焊缝热影响区的粗晶区中，对于母材裂纹用砂轮机打磨消除，对于焊缝裂纹只要不是因选材不当或不是因结构的原因造成的，一般用砂轮机打磨消除。
打磨消除裂纹后的剩余壁厚只要满足强度要求，可不进行补焊，打磨部位应光滑并圆滑过渡，侧面斜度应不大于1：
4，反之，则应进行补焊恢复，确是因选材不当造成的裂纹，该容器应报废，如是因结构不当造成的可视具体情况作出修复或判废处理。
（2）表面腐蚀的处理。
形成的原因一是由于大气腐蚀，二是由容器内的介质引起的腐蚀。
表面腐蚀分为均匀性面腐蚀和分散点腐蚀。
均匀性的面腐蚀按最小剩余壁厚进行强度校核，如强度满足，可不作处理，但应圆滑过渡，对分散的点腐蚀，如同时符合下列条件的可不作处理：
①腐蚀深度不超地壁厚（扣除腐蚀裕量）的1/5；②在直径为200mm的范围内，点腐蚀面积不超过40cm2或沿任一直径点腐蚀长度之和不超过40mm，反之，则视具体情况作补焊恢复或作降压、更换处理。
（3）变形（凹陷、鼓包）的处理。
对此缺陷处理应根据具体情况进行分析。
如是由于使用过程中产生的变形，该容器一般都判废。
反之，则可继续或限定条件使用。
（4）机械损伤、工卡具焊迹、电弧擦伤的处理。
对此缺陷一般用砂轮打磨消除后的最小乘余壁厚满足强度要求，可不补焊，但对打磨部位进行圆滑过渡，侧面斜度应不大于1：
4。
反之，应补焊恢复。
对不锈耐酸钢容器的表面如有影响耐腐蚀性能的缺陷，必须进行修磨或补焊。
（5）弧坑、焊缝气孔、焊缝夹渣、焊瘤、内凹和焊缝成型不符合有关规定的处理。
对此缺陷一般均用砂轮机打磨消除。
如焊缝余高低于母材1mm。
可进行补焊恢复。
（6）咬边的处理。
对低温容器、交变载荷或频繁间歇操作的焊缝咬边，都应打磨消除。
其它容器一般可按下列原则处理：
①内表面焊缝咬边深度不超过0.5mm，连续长度不超过100mm，且焊缝两侧咬边总长不超过该焊缝长度的10%者，可不作处理。
超过者，一般应打磨消除或打磨后补焊。
②外表面焊缝咬边深度不超过1.0mm，连续长度不超过100mm，且焊缝两侧咬边总长不超过该焊缝长度的15%者，可不作处理，超过者，一般应打磨消除或打磨后补焊。
（7）错边、棱角的处理。
属于一般性超标，可作打磨处理或不作处理。
对于超标严重的应通守应力分析，作出能否继续使用的结论。
2焊缝内部缺陷的处理意见
一是使用当中产生的缺陷。
二是根据《检规》中的第36条规定执行，如安全等级达不到要求，则按CVDA-84《压力容器缺陷评定》进行安全评定，或视具体情况作出返修判废。
进行安全评定时，求出等效裂纹尺寸ā和许用裂纹尺寸ac,如ā〈am=ac/n（安全系数n≥2），则可不必返修。
对那些工作条件苛刻、制造质量差的容器，还可提高安全系数n来解决。
因此，安全评定可大量节省人力、物力和财力。
例如，上海第三钢铁厂一台1969年制造的135m3的氧气球罐，在1990年的检验中发现有50张超标片，其中有12张片子超过了《检规》中的有关规定。
这12张超标片的性质是未熔合4张，未焊透3张，裂纹1张，条渣和密孔共4张，通过安全评定均合格。
在1993年、1996年的再次开罐检查中发现这12张片子的缺陷几乎没有发展。
因此，该罐可继续使用，不必返修。
通过安全评定和成功的经验，判断缺陷是否返修可根据以下原则决定：
①超过许用裂纹尺寸am的所有缺陷都应该挖磨后补焊修复；②对小于许用裂纹尺寸am的焊缝内部缺陷一般可不作处理，但须计算出疲劳寿命，在其寿命期内进行定期检测，如果发现缺陷扩展，可再作补焊修复处理；③连续长度大于100mm缺陷应补焊修复；④检测出的特征尺寸超过10mm的裂纹必须进行补焊；⑤如错边或棱角超标严重的部位内部有超标缺陷，则应按CVDA-84《压力容器缺陷评定》中介绍的方法求得该处的集中应力，并叠加其他应力，求得该处的允许裂纹并与现有缺陷相比较，如不安全，则返修。
加热面积对球罐局部消应力热处理效果的影响
王泽军1,2卢惠屏1荆洪阳2
（1.天津市特种设备监督检验技术研究院，300382，天津
2.天津大学材料学院，300072，天津）
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摘要：
针对球罐局部热处理缺少标准支持问题，采用数值模拟方法对加热区域大小的影响进行了分析。
结果表明，局部加热过程本身引起的热应力是影响局部热处理效果的控制因素；当采用较小的加热面积时不会取得理想效果；增加加热区域可有效提高残余应力消除效果。
但加热面积的选择会受到球罐几何参数的明显影响。
关键词：
球罐；局部热处理；加热面积；残余应力消除率
1概述
球罐一般用于储存液化气体或压缩气体，广泛应用于石油、石化、化工、冶金、城市燃气等行业，属于大型特种设备和重大危险源。
近些年来，我国球罐数量呈现快速增长趋势，统计表明，目前我国在役的球罐已从1999年的4000台[1]迅速增加到2006年的7600台[2]。
在使用过程中，由于各种因素的影响，球罐经常出现裂纹等危险性缺陷。
大量实践证明，这些裂纹大多与残余应力有直接关系，有时焊接残余应力甚至是主导因素。
事实上，应力是导致球形储罐失效的基本因素。
就目前压力容器的管理思路，裂纹类危险性缺陷不允许存在。
裂纹一经发现，必须打磨消除；当打磨深度超过限制时需要采用焊接方法修复[3]。
由于焊接过程的固有特性，补焊部位不可避免地再次产生残余应力。
对球罐而言，由于厚度大，拘束强，补焊位置的残余应力通常会达到材料的屈服极限[4]，远远高于实际工作应力，因此按照国家标准的要求及从设备安全性考虑，补焊部位通常需要进行焊后消应力热处理。
整体热处理效果虽好，但成本高工期长，因此对补焊部位，工程上一般采用局部热处理。
学术界和工程界没有对球罐局部热处理进行系统研究。
我国国家标准和有关安全技术规范[3,5,6]中没有关于球罐局部热处理的规定，也没有切实可行的国外标准可以借鉴。
工程实际的需要与标准规范之间形成的矛盾往往使得用户、修理单位和技术监督部门陷入两难境地而难以抉择。
文献[7]分析了球罐局部热处理的现状，认为目前球罐的局部热处理问题尚未得到解决，并提出了解决这个难题的思路。
文献[8]中提出了球形容器局部热处理热跟踪算法，并采用热弹塑性模型对局部热处理过程本身带来的热应力进行了分析，指出当加热区域较小时，会造成很大的残余热应力，增加加热区域的大小可以有效降低残余热应力；同时也指出，ASME锅炉压力容器规范[9]中对球形容器局部热处理的规定过于简单，尚不足以指导工程应用。
局部热处理与整体热处理相比最大的区别在于加热区域不同，因此，研究加热区域的影响是解决问题的关键。
在文献[7,8]工作的基础上，本文将采用粘弹塑性材料模型，通过数值模拟方法，对局部补焊残余应力的消除过程及加热区域对残余应力消除效果的影响进行分析研究。
2补焊及局部热处理数值模拟
进行局部消应力热处理的数值模拟，首先需要获取补焊残余应力场即进行补焊过程模拟，包括焊接过程热分析和焊接过程热应力分析。
在此基础上再顺序进行局部热处理热跟踪、局部热处理过程热分析和局部热处理过程应力分析。
因此一个完整的分析过程由五部分组成，其中，获取局部热处理热跟踪过程不同时段热输入的算法及程序与文献[6]相同。
下面就研究中焊接及局部热处理过程数值模拟有关问题分别进行论述。
2.1多层多道补焊模拟技术
球罐壁厚较大，通常在36mm以上。
缺陷打磨深度较浅时，一般不需要补焊[3]。
当需要补焊时，其打磨深度往往大于其厚度的1/3，这时补焊需要采用多层多道补焊工艺。
利用基于有限元方法的数值模拟技术来预测焊接变形和焊接残余应力已经获得了大量应用。
但由于问题的复杂性，早期的分析中大多将三维问题简化为轴对称或平面问题[10-13]。
近些年来，随着计算机技术的发展，已经有许多关于三维焊接模拟的报道[14-19]。
在本文的球罐多层多道补焊三维分析中，采用了分段体热源形式。
将各个焊道（WeldBead）分成相同数量的若干个焊段（BeadSections），每个焊段又划分为若干单元，因此焊段也就是单元组，典型算例如图1所示。
按照焊接次序，当某一个焊段处于当前状态时，从一种可以称为虚单元的“死”状态被激活。
考虑到钢材焊接熔滴过热程度较小，单元被激活时，其初始温度取为金属的熔化温度，相当于刚刚熔化的金属施加到相应的位置上。
尚未填充熔敷金属所对应的单元则处于“死”状态。
在焊接热分析中，死单元始终被置于熔化温度（与坡口或已敷焊单元的公共节点除外）。
压力容器的裂纹处理方法如下。
1、器壁母材上的裂纹
（1）表面及近表面的裂纹。
用圆弧过渡的打磨方法消除，然后用磁粉探伤检验和复验。
（2）内部裂纹。
先用超声波探伤找出裂纹位置，再用射线探伤找出裂纹的实体图形，然后采用截断法或挖补法来处理这一裂纹。
截断法处理。
适用于单一线状裂纹。
其处理过程如下：
对裂纹部位作表面清理和打磨，直至露出裂纹，再用磁粉或着色或射线探伤或放大镜判断裂纹的走向、并换出裂纹的两个尖端，在沿裂纹延伸直向距尖端约40~50mm处，各钻一个截止孔;，当器壁厚16mm时，孔径为6~8mm，当器壁厚＞16mm时，先钻6~8mm的孔，然后再扩大、补焊。
挖补法处理。
常用于星状裂纹和分枝状裂纹的处理。
其处理过程如下：
先找裂纹所在区域，再用气割挖出裂纹，所割面积比原裂纹面积每边大40~50mm，然后补以新板，或将有裂纹的那块板整体换掉。
2、热影响区裂纹一般打磨法消除，并用磁粉或着色探伤确认已无裂纹为止；3、焊缝区裂纹<用射线或超声波探伤找出裂纹的尖端，然后用截止法在裂纹两端钻截止孔，孔深稍大于裂纹深度，再除去整条裂纹，修磨成合适的坡口，用射线探伤验证裂纹已完全挖净后，补焊。
（a）焊道布置（b）焊段及焊缝单元划分
图1典型分析中的焊道布置、焊段及焊缝单元划分
在焊接温度场的分析过程中，单元死活按照熔敷金属施加的顺序依次处理，但在结构分析中单元死活被赋予了不同的含义，区别在于已经施加的但处于熔融状态的金属所对应单元的处理方式。
热分析中，虽然金属已经熔化，但仍然参与热传递过程，因此应当处于激活状态；而结构分析中，熔融金属所对应单元对应力场不会造成任何影响，而且对于已经固化的金属，当再次被熔化时，其对应单元的应变历史也应当被清除，因此当单元温度大于等于熔点温度时，应当杀死或再杀死。
这种处理方式对多层多道焊接非常必要，因为后续焊段施加后，会使已经存在的焊段中的部分单元再次熔化，坡口附近的部分母材单元也会熔化或再熔化。
对于母材金属，其无应力参考温度为环境温度；对熔敷金属以及熔化的母材金属，其参考温度应当为材料的固化温度。
因此，当母材金属被熔化后，应当调整其参考温度。
在焊接残余应力的消除过程中需要考虑材料的应力松弛（即高温蠕变）过程，这对单元选择提出了特殊的要求。
在所采用的ANSYS软件中，三维焊接结构分析经常采用的SOLID45、SOLID95和SOLID92单元由于不能在热弹塑性和考虑蠕变的粘热弹塑性之间进行切换，因此在本文分析中无法应用。
本文焊接结构分析中采用ANSYS软件新开发的18X族单元（SOLID185～SOLID187），这些单元可以满足焊接模拟和消应力热处理的特殊要求。
实际网格划分时，焊缝、焊缝临近区域以及远离焊接的区域采用8节点的SOLID185三维块元和规则网格划分，而过渡区域采用退化的四棱锥SOLID186单元和四面体SOLID187单元进行网格的粗细过渡。
典型网格划分如图2所示。
图2焊接模拟中采用的典型网格
在补焊模拟中，还考虑了相变潜热、金属熔池中的搅动[19]等因素，并采用了优化的焊段内变载荷步长策略。
热量耗散采用与金属表面温度相关的对流－辐射组合的冷却系数[20]。
补焊典型分析结果见图3。
（a）第1个焊道第15个焊段完成时的温度场（b）焊接残余应力（VonMises相当应力）
图3典型分析结果
2.2局部热处理的数值模拟
焊接残余应力的消除不仅包括材料的高温屈服，还包括高温蠕变。
因此，焊接残余应力的消除过程的数值模拟，应当考虑材料的高温蠕变。
对本文采用的16MnR板材，其蠕变激活温度约为400℃。
在局部热处理的应力分析中，当最高节点温度达到或高于400℃时，打开蠕变开关。
为了获取材料的蠕变参数，进行了高温蠕变试验。
通过试验和数据处理，得到基于Pa-s-K单位系列16MnR钢的隐式蠕变方程为
（1）
式中，
为蠕变应变率，
为应力，
为热力学温度。
在考虑蠕变的有限元分析中，认为蠕变应变与其它形式的应变无耦合作用，这样，在某时间子步中可将蠕变应变增量叠加到其它应变增量中，形成总的应变增量。
即
（2）
式中，
表示总的应变增量向量，
表示弹性应变增量向量，
表示塑性应变增量向量，
表示蠕变应变增量向量，
表示热应变增量向量。
局部消应力热处理采用与焊接模拟相同的网格划分，材料的热物理和力学性能参数也相同。
取体积1000m3、壁厚40mm的球罐进行分析。
补焊焊缝表面长度122mm，宽度23mm，深度13.7mm，采用3层9道补焊工艺。
焊接模拟中取其1/4进行分析，焊道布置和网格划分见图1和图2。
局部热处理分析中将加热区域取为弧长半径为500mm的圆形，采用内表面圆形加热方式。
热处理参数为：
升温速度100℃/h，恒温温度600℃，恒温时间2h，冷却速度为50℃/h，圆形加热区域对应的外表面进行保温，超出加热区域的内外保温区域带宽为1000mm。
分析中首先采用简单网格进行热处理过程跟踪，得到不同时间段加热区域的热流密度；然后采用与焊接模拟相同的网格进行局部热处理过程热分析，得到不同时刻的瞬态温度场；最后在焊接结构分析的基础上采用ANSYS软件提供的单点重启动功能进行局部热处理应力消除过程模拟。
图4给出了局部热处理前后沿路径1和2（参见图2）的应力分布曲线。
可见，经过局部热处理，补焊焊缝位置的应力无明显变化，但在半径500mm的加热区域内，有约350mm的表面区域屈服，显然这是局部加热本身带来的热应力所致。
这个算例说明，当加热区域半径为500mm时不仅不会消除焊接残余应力，还会带来很大的负面影响。
（a）考察区域平均应力随时间的变化曲线（b）局部热处理后路径1和2的应力分布曲线
图4局部热处理典型结果
3加热面积的影响
为分析焊接残余应力的消除效果，定义残余应力消除率（Stressreliefratio）为应力消除量占原始残余应力的百分比。
为了便于分析，下文中采用三种方法来评价残余应力消除效果：
方法1（Method1）：
包含补焊焊缝表面及附近母材的矩形表面上的平均应力，在本文中取焊缝长宽加10mm的矩形区域；
方法2（Method2）：
熔敷金属及临近的热影响区对应单元上的平均应力，在本文分析中，临近的热影响区取厚度为2.5mm的薄层；
方法3（Method3）：
最大应力（位置不定）。
在上节分析的基础上，采用逐步增加圆形加热区域弧长半径方式来观察应力消除效果的变化。
结果如图5所示。
图中网格线所示区域为不同观察方法得到的整体热处理消除效果所覆盖的区域。
由图5可见，加热区域的影响非常显著。
当加热区域弧长半径小于900mm时，基本不能消除焊接残余应力；继续增加加热面积，残余应力消除率出现快速提高趋势，并在加热区域弧长半径1700mm时接近整体热处理的水平（方法1和2）。
最大应力的消除率（方法3）则很难达到整体热处理的效果。
图5加热面积对残余应力消除率的影响图6局部热处理后的应力分布曲线
当加热区域弧长半径为1800mm时，观察路径1和2在热处理之后的应力分布曲线，如图6所示。
与图4相比，焊接残余应力消除效果大大提高，但在弧长距离为1250mm位置出现较大的应力峰值，约为常温屈服应力的45%，而且两条曲线重合。
这进一步说明，在球罐局部消应力热处理中，局部加热本身引起热应力对整体效果起着决定性作用。
文献[21]中曾经描述，在大多数情况下局部热处理之后，残余应力仅仅向外位移而已。
显然这仅仅是一种总体现象，之所以出现“向外位移”，是由于加热的局部性和由此带来的温度梯度，而并非焊接残余应力本身位移。
因此，文献[21]的论点可能掩盖了问题的实质。
进一步分析不同规格参数球罐中加热区域的影响。
取体积200m3壁厚30mm和体积2000m3壁厚50mm两个规格的球罐与上述结果对比，得到图7所示曲线族（方法1）。
可见，不同规格球罐，在增加加热区域的过程中，其残余应力消除率呈现出类似的规律性，但球罐越大、罐壁越厚，获得相同应力消除率就越需要更大的加热面积。
因此，球罐的几何参数的影响在局部热处理参数选择中不可忽视。
图7不同规格球罐对比（方法1）
4结论
（1）本文建立了球罐多层多道补焊过程模拟模型，得到了补焊残余应力场；在所建立的局部消应力热处理数值分析模型中，采用隐式蠕变方程考虑了高温下应力的时间相关性（蠕变）。
（2）局部加热过程本身会带来很大的热应力，是影响局部热处理效果的控制因素。
当采用较小的加热面积时不会取得理想效果。
（3）增加加热区域可有效提高补焊残余应力消除效果，甚至可以接近整体热处理的水平。
但加热面积的选择会受到球罐几何参数的明显影响。
3、压力容器焊缝的表面裂纹
压力容器的表面裂纹是指焊缝中的原子结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙，是压力容器最常见的一类缺陷，也是最危险的一类缺陷，裂纹的类型可分为结晶裂纹、液化裂纹、热应力裂纹、延迟裂纹、氢致裂纹、应力腐蚀裂纹及其它裂纹等。
二、压力容器缺陷的情况初步分析
压力容器缺陷的形成与发展究其原因是十分复杂的，其原因主要来自以下几个方面：
一是强制组装和胡乱对接，由此带来的错边和角变形；二是因焊接工艺的不严格，而出现的夹渣、气孔，未焊透、未熔合的缺陷；三是在焊接过程中形成的较大残余应力与压力容器腐蚀介质共同作用产生的表面氢致裂纹和应力腐蚀裂纹。
4、裂纹
裂纹是压力容器危害性最大的一类缺陷，由于裂纹成因复杂，形态各异，极易扩展，具有很多不可预见性因素，因此必须高度重视裂纹的处理，一般的处理方法有：
（1）凡是浅表裂纹通过全部打磨的方法消除。
（2）超出允许尺寸的裂纹必须采用补焊方法处理。
（3）可以在安全的前提下保留少量的小裂纹，以便研究其发展规律。
四、压力容器缺陷的修复处理
1、压力容器裂纹的表面打磨处理
经《压力容器安全评定系统》评定可知，表面裂纹在深度小于等于4mm时，不容易发生断裂失效，因此对一般裂纹深度小于3mm时，可以不做补焊处理，而采用直接手动打磨，打磨时尽可能地手法轻稳，避免剧烈振动，使焊缝的裂纹断口圆滑过渡，避免出现尖角、棱角等。
对于裂纹深度大于4mm时，须做补焊处理，补焊前要用角向磨光机磨坡口约650，磨至裂纹两端外10mm—15mm，并清除破口内的表面硬化层及其杂质以利于补焊。
2、压力容器裂纹的补焊
压力容器裂纹的补焊是整个压力容器修复技术最为关键的一道工序，压力容器裂纹的成因分析、安全评定、消氢处理、热处理降低残余应力、裂纹打磨等为补焊工序提供重要的依据和焊前的准备基础，压力容器裂纹的补焊虽然可以彻底消除原有的裂纹缺陷，但与此同时也易发生新的缺陷如冷裂纹、结晶裂纹、未熔合、气孔、夹渣等新的缺陷，因此选择合理的补焊工艺至关重要。
其原则就是要在不产生较大的残余应力的前提下，能够达到既能防止新的裂纹产生，又能获得良好机械性能的要求，通常压力容器裂纹的补焊要特别注意：
一是避免出现淬硬的马氏体组织，关键是降低焊缝及其热影响区的氢含量，二是减少热应力和残余应力。
3、补焊后的热处理
对压力容器内壁补焊部位需经热处理后，热处理后残余应力测试结果要达到相应的规定标准。
各部位最大残余应力值与屈服应力值都要按照严格的规定。
五、压力容器缺陷的检验
压力容器使用面广，制造年代和使用环境也各不相同，因而其安全状况千差万别，为防止灾难性事故的发生，对在用压力容器定期检验的重点应该是：
1、投用后的使用和管理情况。
2、使用中产生的缺陷。
3、裂纹状的缺陷，尤其是表面和应力集中部位的裂纹状缺陷。
4、不合理的结构，尤其是单面和易造成浮焊的角焊结构，产生复杂应力和集中应力的结构。
5、低温使用、剧毒或强腐蚀介质、承受交变载荷或频繁间歇操作的压力容器。
6、十年“文革”动乱期间制造，“自制自用”或无原始技术资料的压力容器。
7、压力容器管理较差单位所使用的容器。
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