一种压力容器壳体残余应力的检测方法与流程

本发明属于应力检测，具体涉及一种压力容器壳体残余应力的检测方法。

背景技术：

1、压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，在化工和运输等行业有着广泛的应用。压力容器通常需要承受高压，极端温度（高温或极低温）或者盛放强酸强碱强腐蚀性的有毒物质，因此对于材料的性能以及加工制造后的壳体力学状态有着特殊的要求。

2、然而在压力容器制备过程中产生的残余应力极易导致容器质量缺陷，如在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，会在焊缝及其附近产生焊接残余应力，可能导致容器在应力集中部位产生裂纹；热处理不当可能会在容器内产生新的应力；压力试验过程中压力控制不当可能会在容器内产生过高的应力；在运输、使用过程中，如果容器受到过大的外力或温度变化，可能会导致容器变形，从而在某些部位产生过高的应力；在某些化学物质的作用下，材料可能会在应力集中的部位产生应力腐蚀裂纹。为了避免因应力导致的质量缺陷和风险，需要在制造、运输、使用等过程中严格监测和控制应力的产生和分布。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种压力容器壳体残余应力的检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案为：

3、一种应力基准试块制备方法，其步骤为：

4、步骤101：壳体外径数据测量：为检测壳体径向应力的楔块设计制造提供数据支持。

5、步骤102：检测楔块设计加工：根据压力容器壳体的材料，弧度计算检测楔块的尺寸数据，设计和制造楔块。

6、优选的，检测楔块收发角度计算：

7、图2是超声折射的示意图，波形在楔块和工件两者的交界处发生转换，当入射角成一定角度时，折射波就会在工件表面传播形成lcr波，其对应力最为敏感。产生lcr波不仅与入射角有关，也和两者（楔块和工件）的声速有关，他们之间满足snell定律，具体关系如下：

8、cl1/sinα=cl2/sinβl=/sinβs（式1）

9、式中：cl1为第一种介质（楔块）中的纵波速度；

10、cl2为第二种介质（工件）中的纵波速度；

11、cs2为第二种介质（工件）中的横波速度；

12、α为入射角；

13、βl为第二种介质中的纵波折射角；

14、βs为第二种介质中的横波折射角。

15、为了产生临界折射波也就是lcr波，探头应以一定的角度倾斜于楔块，才会产生lcr波，即βl=90°，根据式1，将即βl=90°代入，即可求得第一临界角也就是探头的倾斜角度为：

16、 α=arcsin(v1/v2)（式2）

17、式中v1为楔块的纵波速度，v2为工件的纵波速度。

18、图3为曲面构件楔块入射角度示意图，如图所示，楔块与构件接触的点画有法线和切线，则入射线与法线的夹角α2就相当于平面构件的入射角，而实际的入射角为α2加上一半的α3，α3的大小等于声波传播距离l（楔块与构件的入射点与反射点之间的距离）除以构件的曲率半径，但是这个数值计算出是弧度制，再转换为度数值就可以。

19、对于曲面构件，第一临界角为：

20、α=arcsin(v1/v2)±(90l/πr)（式3）

21、 式中：l为传播声程，r为曲面构件的曲率半径，对于凸曲面取正，凹曲面取负。

22、楔块材料的选择原则：透声性能好、耐磨性好、声衰减小、纵波声速小于被测材料的纵波声速，常用的材料属性见表1：楔块常用材料物理：

23、 名称 <![cdata[密度(10³kg/m³)]]> 纵波声速(m/s) <![cdata[声阻抗(10⁴g/cm²s)]]> 声衰减系数(db/mm) <![cdata[热膨胀系数(10^-6m/℃)]]> abs塑料 1.05 2130 22 3.3 90 环氧树脂 1.091 2031 32 8.6 59 有机玻璃 1.19 2730 32 3.5 130

24、从上表来看，abs塑料是制作楔块的最佳材料，因为其声阻抗和声衰系数都是最小，但综合其使用性能和价格因素等，选用有机玻璃作为楔块的材料。

25、由于超声换能器晶片是一个有一定尺寸的圆形轮廓，故楔块折射的声速有一定的宽度和扩散，理论的入射值可能不是最佳值，设计时一般比理论值大1~2度。

26、检测楔块收发间距计算：

27、换能器的间距如图4所示，纵波斜探头以第一临界角产生的超声波传播到有机玻璃楔块与工件的交界时，折射纵波传播方向与工件的上表面平行并在其以下进行传播，而折射横波则沿横波折射角βs传播至工件的下表面，形成工件中的第一段传播声程，称为第一声程。此时，折射横波经过钢的下表面反射，形成反射横波，反射横波按一定的角度传播至工件的上表面形成第二段声程，简称第二声称。以此类推，形成第三第四声程。

28、根据snell定律即式2-1可得出横波折射角βs的计算公式为：

29、βs=arcsin(cs2/cl2)（式4）

30、式中cs2为工件中的横波速度，cl2为工件中的纵波速度。

31、超声波经过第一声程和第二声程的传播，在工件的上表面形成的距离称为回波距离，用ds表示，其计算方法如下：

32、ds=2×d×tanβs（式5）

33、式中：d为工件厚度。

34、换能器的距离应尽量避免为回波距离ds的整数倍以减少所接受超声信号中的谐波成分。

35、而超声波在工件表面传播时，其传播深度取决于换能器的频率，通常频率越高，波长越短，在工件中的传播距离就越短,经验公式为：

36、d=α×(f^(-0.96))（式6）

37、式中：d为检测区域深度，单位为mm，f为探头中心频率，单位为mhz，α为检测深度修正系数，单位为mm/ns,常用金属材料的参考值：钢5.98，铝6.40，铜4.81。

38、表2：换能器中心频率与渗透深度的关系：

39、

40、步骤103：基准试块截取制备：在外壳上选取压力稳定区域作为检测基准点。

41、步骤104：不同深度应力检测：将压力容器壳体划分成不同区域，根据压力容器的材质和厚度，选用不同的检测频率探头，对各区域在不同深度和方向上的应力进行测量。常用探头频率包括：0.5mhz、1mhz、2.5mhz、5mhz、7.5mhz、10mhz。

42、步骤105：记录数据，形成报告：记录检测壳体在轴向和径向上不同深度的应力值，制作出应力云图，并根据数据分析压力容器壳体整体应力分布情况，生成应力检测报告。

43、本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：

44、a.应力检测操作简单，方便快捷，可以在户外操作；

45、b.应力检测可以针对压力容器壳体厚度情况分层检测，立体呈现其应力分布情况；

46、c.检测成本低，可以即时获得检测数据。