压力容器热应力检测技术及其核心检测项目

引言

一、热应力产生的机理与检测必要性

1. 热应力成因

• �E：弹性模量
• �α：热膨胀系数
• Δ�ΔT：温差
• �ν：泊松比

2. 失效风险

• 热疲劳裂纹：交变温度场引起应力循环（典型案例：加氢反应器内壁鳞状裂纹）
• 局部蠕变：高温区域材料持续变形（如锅炉过热器管束）
• 几何失稳：非对称温度场导致结构翘曲

3. 检测必要性

• 验证设计阶段的温度场仿真准确性
• 在线监控运行中异常温升热点
• 评估残余应力对设备寿命的影响

二、热应力检测核心技术体系

（一）温度场测量

1. 红外热成像技术

• 原理：通过红外辐射强度反演表面温度分布
• 设备：高分辨率红外热像仪（建议选用320×240像素以上）
• 应用场景：
  • 快速定位焊接残余应力区的温度异常带
  • 监测启动/停机阶段的瞬时温度梯度
• 优势：非接触、全场测量，精度可达±1℃
• 案例：某炼厂重整反应器外壁检测发现142℃高温区，经内窥镜确认内衬耐火层破损

2. 热电偶阵列监测

• 布置方式：按ASME标准间距布置K型或T型热电偶
• 数据采集：使用多通道巡检仪（采样率≥1Hz）
• 典型应用：
  • 核容器稳态运行温度场验证
  • 高温气冷堆压力边界实时监控

（二）机械应力检测

1. 应变片法

• 选型原则：
  • 高温工况选用Karma合金应变片（工作温度可达300℃）
  • 高湿度环境采用防水封装型号
• 布片方案：
  • 在温度梯度最大区域按0°-45°-90°三向布置
  • 焊缝两侧对称布置补偿片消除热输出误差
• 数据处理：通过广义胡克定律计算主应力方向与大小

2. 超声波残余应力检测

• 技术原理：利用声弹性效应（声速与应力呈线性关系）
• 设备要求：
  • 配备双晶探头的便携式应力仪（如美国AMSY-6）
  • 校准试块需与容器材料同质
• 检出能力：可识别深度5mm内±50MPa应力变化

3. X射线衍射法（XRD）

• 适用条件：
  • 表面残余应力精确测定（测量深度约10-30μm）
  • 需配合电解抛光去除表面氧化层
• 局限性：设备昂贵，需现场辐射防护

（三）数值模拟校准

1. 有限元建模要点

• 材料模型：定义温度相关的弹性模量、泊松比、热膨胀系数
• 边界条件：
  • 对流换热系数依据介质流速计算
  • 辐射散热按斯蒂芬-玻尔兹曼定律设定
• 网格划分：在温度突变区进行局部加密（雅可比比>0.7）

2. 实验数据融合

• 将实测温度场作为输入加载到FEA模型
• 通过反演算法修正热边界条件参数
• 输出云图与应变片数据误差应<15%

三、关键检测项目操作指南

1. 焊缝区域热应力专项检测

• 检测步骤：
  1. 预热阶段监测HAZ（热影响区）温升速率（≤100℃/h）
  2. 使用磁记忆检测（MMT）定位应力集中区
  3. XRD测定熔合线残余应力分布
• 验收标准：
  • 残余压应力峰值≤0.8倍材料屈服强度
  • 热应力波动幅值<疲劳极限的30%

2. 局部过热缺陷诊断

• 特征识别：
  • 红外图像呈现"马鞍形"温度分布
  • 声发射监测捕捉微裂纹扩展信号
• 量化评估：
  • 采用Paris公式计算热疲劳裂纹扩展速率
  • 参照API 579进行剩余寿命预测

3. 材料劣化关联分析

• 耦合检测方法：
  • 硬度测试（布氏硬度计）评估蠕变损伤
  • 金相复膜观测碳化物聚集程度
• 退化模型：
  • 建立应力-温度-寿命（σ-T-N）三维关系图谱
  • Larson-Miller参数法预估高温持久强度

四、检测质量保障措施

1. 环境控制：
   • 避免强电磁干扰（距离高压线>50m）
   • 风速>3m/s时暂停红外检测
2. 设备校验：
   • 热电偶每年进行冰点-沸点双点校准
   • 应变仪桥路电阻平衡误差≤0.1%
3. 人员资质：
   • 持有ASNT/EN473二级以上认证
   • 具备热力学与断裂力学基础

五、未来技术趋势

1. 智能传感网络：
   • 植入式FBG光纤传感器实现分布式监测
   • 无线传输技术降低布线复杂度
2. 数字孪生应用：
   • 基于数字孪生的应力场实时可视化
   • 机器学习预测热应力演变路径

结语