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摘要：管道焊接是现代工业安装中较为广泛的一种连接形式，它与螺纹、铆接、胀接、卡套接等其它连接形式比较，有诸多的优点，在高温、高压、强腐蚀的条件下，都有采用焊接的连接方式。在石油化工领域中，工程量计量有时也采用焊口吋径的方式，进行结算。可见，管道焊接是有多重要。但是，它也很多的缺点，其一就是焊接后焊口产生残余应力，本文即以管道焊口焊接后残余应力的产生和消除进行讨论，范围是20#钢和低合金无缝钢管，管壁厚度在20mm以下。
关键词：管道焊接残余应力产生与消除
正文：管道焊接过程中由于高温作用及管道本身的约束，致使焊接完成冷却到大气温度时，焊缝及热影响区存在着残余应力状况。残余应力危害很大，它可以降低焊缝强度、使管道变形、管道应力集中、产生延迟裂纹、发生脆性断裂等。那么，什么是残余应力？它又是怎样产生的呢？下面我们就此问题进行剖析和阐述：
一.残余应力的产生
残余应力是一种内应力，是由于不均匀的温度场造成内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，而当温度恢复到原始状态后就产生了新的内应力。这部分内应力是温度冷却均匀后残存于物体中，所以称为残余应力。简而言之，就是因为焊接产生的高温，由于管子热影响区“膨胀”，管材的屈服强度不足以克服这种“膨胀力”，当冷却后所生产的塑性变形，回不到原来的物理状态。塑性变形在管道中很小，肉眼几乎看不出来，但是由于管道在长输、连续、大直径、多约束、剧烈循环工况下，会造成残余应力的叠加，产生事故。所以管道焊接后的残余应力是不容小觑的。
二.管道焊接残余应力的分布
残余应力是空间三轴的，（如下图）但在管道厚度≤20mm时，厚度方向产生的应力很小，可以忽略。本文讨论的范围也是管子厚度在20mm以内，所以，只考虑两个方向：一个是焊缝方向应力，定义为纵向应力，用σx表示；垂直于焊缝方向的应力，定义为横向应力，σy表示；厚度方向应力即为σz表示。
1.纵向应力σx：在碳素钢管和低合金结构钢管中，焊缝及其热影响区的纵向应力是拉应力，这就是我们俗称的“焊口收缩”。数值一般达到材料的屈服强度，管道焊缝越长，层间越多，其值也会越大。纵向应力的危害能在大直径的管道中淋漓的体现，如大直径给排水管道，采暖主干管，焊接完成后焊道处产生“掐腰”的现象，即管道半径在焊后在焊道处缩小，这就是由于纵向应力的产生，焊道产生拉应力收缩所致！经计算，直径为D1200，厚度为8mm的Q235B螺旋焊钢管，经组对采取普通方法焊接后，其纵向应力σx达到230Mpa。已经达到了材料屈服强度临界点，由此看出直径越大（直径大表明焊缝长，如前所述）其变形量也越大。
2.横向应力σy：横向应力有两种，一个是由于焊缝及其热影响区附近塑性变形的纵向收缩所引起的，用σ’y表示，另一个是由焊缝及其热影响区附近塑性变形区的横向收缩不同时点所引起的，用σ’’y表示，σ’y是由σx引起的，根据前文，σx的分布是焊缝及其热影响区为拉应力，两侧为压应力，如将管子剖开为二，则相当于两边各有一道焊缝，它们分别向外侧弯曲，为了维护力的静平衡，一定会有焊缝及热影响区是拉力，热影响区以外两侧是压力的力系存在。这个力系就是σ’y。σ’’y是比较容易理解的，它的产生是由于焊缝不是同一时间一次完成的，即需要打底，中间填充，覆面，稍薄的管子也需要焊接二遍完成。这就造成了先焊完的先冷却，后焊完的后冷却，层间应力互为限制和反限制。由此而产生σ’’y。这个应力与焊接工艺有关，是主观可以控制的，如下图，可以一目了然的看出，哪种焊接工艺可以减少σ’’y。
横向应力σy即是σ’y、σ’’y的合成，但不是代数和的相加，较容易控制和消除的是后者，如采用合理的焊接工艺，合理的施焊方法，都可以减小或消除σ’’y。
三.管道焊缝残余应力的危害：
1.对焊缝强度的影响，尤其是剧烈循环工况下的管道，如蒸汽、冷媒介质管道、高温高压。在安装中假使存在外拉应力，就会与焊缝的残余拉应力相叠加，严重削弱焊缝的强度。
2.对管材本身疲劳强度的影响：对剧烈循环工况的，乘载着冷热交替介质的管道，尤其要考虑疲劳强度，疲劳即从应力集中处，特别是焊缝处。如有残余应力存在，很容易诱发疲劳断裂。
3.对管道的机械强度和刚度的影响：对管道的机械强度和刚度，同影响焊缝强度是一样的，因为管道本身在安装时也存在着附加应力，如果应力相互叠加作用势必降低管道的机械强度和刚度。
4.残余应力对腐蚀性开裂的影响：应力腐蚀性开裂，是拉应力和腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象。如20#钢管的介质为NaOH，在焊道处产生局部腐蚀斑点，如管道焊缝的残余应力过大，会造成应力集中，以致管道开裂。
5.残余应力会导致合金钢管产生裂纹倾向：比如对热裂纹敏感的珠光体耐热钢、马氏体钢等。
四.管道焊接残余应力的减小与消除：
根据上文所述的焊接残余应力的产生和形式，我们可以从设计和施工的角度来说明对残余应力的减小与消除。
1.设计方面：
A：根据残余应力的定义可知，只要管道有足够的延展性，能进行较大的塑性变形，就可以抵消因焊接而产生的内应力。那么在设计选材方面，在满足安全使用强度的情况下，就选择塑性好的一些管材。如Q235B、20#钢等。
B：设计两道焊缝间的最小距离要求，减少焊缝集中。这不仅在设计文件中有规定，同时在一些标准规范中也有要求。都是为了避免焊口残余应力因叠加而增大。
C：减小管道的附加应力的产生，比如管道支架布置间距合理，两端约束且距离很短的管道采取应力消散装置等。
2.施工方面：
A：焊接前，根据设计文件和现场实际情况编制《焊接工艺评定》：
A.1要选择合适的坡口形式，过大使焊接层数增多，使σ’’y增大；
A.2选用低线能量的电焊条，电焊条不能以高代低的使用，会使σx增大；
A.3优先选用熔池温度低的气体保护焊，以降低温度梯度；
A.4加大管道的预制深度，尽量让管道在自由状态下焊接；
A.5环境温度过低，不采取措施不能施焊，焊后需缓冷保护焊缝，热影响区温度不能骤降；
B：按设计文件和相应规范要求，做好焊前和焊接过程中的预热，特别对于珠光体类的15CrMoG，马氏体类的P91、92等，要特别重视。
C：改进施工工艺，如前所述，施焊方向的不同，产生应力的效果也不同。
D：注重焊接后的热处理质量，这一点是比较关键的，也是消除残余应力的最后一关，所以无论施工方、监理方或第三方都应严控热处理的质量，查看温度曲线是否符合规范和设计文件要求。焊口热处理的作用很多，其中之一是消除残余应力，还有消除焊口淬硬性组织，晶粒细化，提升焊口处塑性，避免应力集中等。
结束语：管道焊接应力的消除，是管道安装中关键的环节，消除残余应力，可以延长管道的使用寿命，同时也保证管道能够安全、稳定的运行。由于管道材质的不同，特别近几年来新兴的合金管材的应用，使管道焊接应力的产生与消除变得多变和复杂，而今，工程科研人员仍在不倦的探索管道焊接应力问题，努力的通过效果更好的措施来消除或减小焊接残余应力。
参考资料：
关桥、刘纪达《薄壁圆筒单道环形焊缝所引起的残余应力与变形》