设备及钢结构残余应力产生原因和影响分析

设备构件在制造及加工阶段，往往会受到各种工艺因素的影响。其中，某些影响在设备构件成型后仍难以彻底消除，进而残留在成型构件内形成残余应力。残余应力是设备制造不可避免的影响因素，在实际工程中由残余应力导致的失效案例很多。因此，如何在大型工程设计、施工安装中避免和消除残余应力带来的影响，成为一项必须考虑的问题。

鉴于上述种种因素，该文中对设备、钢结构安装过程中存在残余应力的原因、可能存在的影响进行了分析。在此基础上，提出并分析了消除设备及钢结构安装中有害残余应力的手段，对大型工程设计和施工有着较为重要的实际意义。

设备及钢结构安装残余应力产生原因

残余应力的来源主要分为三类：加工过程中的塑性变形、温度变化以及化学变化。在设备、钢结构的安装领域，其残余应力主要来自于安装过程中不可避免的成型组装、配合连接等工序，现分别分析如下。

成型组装中的残余应力

对于大型设备及钢结构的安装，普遍采用分段成型、运输，在现场进行组装的方式，以解决大型设备及钢结构不好运输的问题。

对于煤气柜、喷淋塔等大型设备，其壳体通常由多块薄壁钢板组合而成，这类钢板在成型过程中通常承受弯曲变形。通过对钢板的断面分析，钢板在承受弯曲变形时，上部受拉应力，下部受压应力，而中间层变形较小，通常处于弹性状态。对于钢板中间弹性区来说，当外力取消时不会有残余应力；而对于钢板的上、下部位来说，通常会有不同程度的塑性变形，当外力取消后，这部分塑性变形不会自行消失，为平衡这部分塑性变形，钢板内部会存在相应的残余应力。对于罐体、管道等弯曲、扭转成型等多轴应力状态下的变形，和上述钢板弯曲工序类似，可分解成单个方向的变形，每个方向存在的塑性变形在外力消除后存在残余应力。

此外，大型设备及钢结构安装中，涉及众多组装工序，若组装过程中连接方式或安装步骤的不合理，极易产生间隙、角变形、错位等缺陷，从而产生引发残余应力的形成。

配合连接中的残余应力

大型设备及钢结构安装中的连接方式，大多是采用螺栓连接和焊接两种方式。

其中，螺栓连接按是否传递扭矩分为不传递扭矩、传递扭矩两类。对于不传递扭矩的螺栓连接，其连接主要依赖螺栓与连接间的紧固力。若各螺栓的紧固力不同，会导致螺栓与连接件间的受力不均，从而在受力较大的部位产生残余应力。至于传递扭矩的螺栓连接，螺栓承受轴向力和剪切力。在螺栓加工过程中，尺寸微小偏差也可能导致受力不均，进而产生残余应力。此外，高强度螺栓能够通过连接件间的摩擦力来传递扭矩，摩擦力为摩擦系数与正应力的乘积。因此，为了获得足够的正应力，往往需要较大的紧固力，这可能导致螺栓与连接件的结合部分容易产生较大的残余应力。

在大型设备及钢结构安装中，焊接技术主要为熔化焊，包括熔化、结晶、固化等过程。在焊接过程中，焊接部位的温差变化极大，属于激热激冷，不同温度范围区间内的材料由于温差会产生热应力，当热应力超过材料屈服极限时，材料产生塑性变形，温差消除后即产生残余应力。此外，焊接过程中金属从液相向固相的转化、热影响区的组织转变等，也会导致残余应力的产生。

残余应力对设备及钢结构的影响

大型设备及钢结构安装中存在的残余应力对设备及钢结构的影响主要体现在对材料静载强度、疲劳强度、刚度、稳定性及抗腐蚀能力等方面，具体如下。

残余应力对静载强度的影响

材料所受残余应力对静载强度的影响，主要由材料塑性变形能力决定。当材料具有足够的塑性变形能力，则残余应力对结构的静载强度没有影响；然而，当材料的塑性变形能力逐渐消耗转变为脆性状态时，材料将难以产生足够的塑性变形来均化应力。这导致应力峰值不断累计，直至构件达到强度极限后失效。此时残余应力的存在会降低设备及钢结构的静载强度。

残余应力对疲劳强度的影响

材料的疲劳破坏是指在低于屈服极限或抗拉极限的循环应力载荷下，材料发生断裂失效的现象。残余应力对疲劳强度的影响类似于非对称循环载荷时存在的平均应力造成的棘轮效应。拉伸残余应力降低疲劳强度，压缩残余应力提高疲劳强度。对压力容器等大型设备而言，残余应力通常为拉应力，会降低设备的疲劳强度；对钢结构而言，拉、压残余应力均可能存在，对疲劳强度的影响需根据具体情况进行分析。

残余应力对刚度及稳定性的影响

对于钢结构而言，残余应力与外载产生的应力叠加。当材料达到屈服极限，材料产生局部的塑性变形，降低或散失结构的有效承载面积，导致结构的刚度及稳定性下降。

残余应力对抗腐蚀能力的影响

应力腐蚀开裂是压力容器等大型设备普遍存在的问题，其发生条件为存在拉伸残余应力的腐蚀介质。对于反应器等压力容器，存在高温碱洗等一系列的处理工艺，局部结构存在腐蚀介质的环境因素，此时只要局部结构存在拉伸残余应力，就有可能产生应力腐蚀，进而导致应力腐蚀开裂。

消除残余应力的措施

在大型设备及钢结构设计、制造加工阶段，应避免产生较大的残余应力，以免对后期安装使用造成影响。同时，针对已有残余应力可采用相应的措施进行残余应力消除，常用的方法有热时效、振动时效、超声波时效等。

对于大型设备及钢结构安装过程中的残余应力，可采用合理安排焊接顺序、采用间断焊、热补偿、减小焊缝尺寸及约束度、分步安装等方法来避免产生过多的残余应力。

残余应力是大型工程设计、施工过程中必须考虑的重要因素。本文对设备、钢结构安装中成型组装、配合连接等工序存在残余应力的原因、可能存在的影响进行了分析，在此基础上，提出并分析了消除设备及钢结构制造加工、施工安装中有害残余应力的手段，对大型工程设计和施工有着较为重要的实际意义。