背景简介

换热器是石油、石化、核电等行业的核心承压设备，其管板-筒体焊接接头因管板与薄壁壳体的刚度差异显著，呈现典型的“刚性不对称”特征。焊接过程中产生的高残余应力易诱发应力腐蚀开裂、蠕变失效和疲劳损伤，是换热器最易失效的部位。局部焊后热处理（LPWHT）是消除该类接头残余应力的可行手段，但现有LPWHT理论与标准多基于等厚环缝建立，未考虑管板的刚性约束效应，导致热处理过程中易产生复杂二次应力甚至管板端面开裂。为此，本研究采用理论分析、实验验证与有限元模拟相结合的方法，建立了管板-筒体环缝焊接接头LPWHT应力调控理论，系统揭示了关键工艺参数对残余应力的影响规律，提出了管板直边段长度的工程设计准则，为超大型压力容器该类接头的LPWHT优化提供了科学依据。

图1 本研究建立的理论模型示意图

成果介绍

（1）建立了管板-筒体环缝LPWHT应力调控理论模型：基于圆柱壳轴对称弯曲理论，采用分步约束-叠加法推导了管板-筒体焊接接头LPWHT过程中的轴向与环向应力解析表达式，建立了考虑管板刚性固定约束的应力调控理论模型（式1和式2），该模型具有尺寸无关的特性。通过Q345R高压换热器的中频感应加热LPWHT实验与有限元模拟验证了理论模型的准确性，实验结果表明：当加热带宽度为1.8√(Rt)时，焊缝中心轴向残余应力从焊态的304.1 MPa降至208.1 MPa，降幅25.7%，环向残余应力从398.2 MPa降至173.2 MPa，降幅56.5%。理论与实验均证实LPWHT后最大轴向与环向应力均从焊缝中心向壳体侧偏移，管板端面在保温阶段会产生显著的二次拉应力，是热处理开裂的高危区域。

图2 理论-有限元-实验测试轴向和环向应力对比结果

（2）系统揭示了关键工艺参数对残余应力分布的影响规律：定量分析了加热带宽度（HB）、加热带边缘温度（Tb）和管板直边段长度（L）三个核心参数对残余应力的调控效应。增加HB可显著降低环向残余应力，但对轴向应力影响有限。当Tb=70%Tmax时，HB≥√(Rt)可有效缓解轴向应力，HB≥2√(Rt)可满足环向应力消除要求。提高Tb可降低二次应力峰值并缩小高应力区范围。当Tb从90%Tmax降至50%Tmax时，轴向与环向应力峰值系数分别增加16.4%和57.9%，工程上推荐Tb≥70%Tmax，此时继续提高Tb的应力缓解效果趋于平缓。增加L可降低最大二次应力，缓解应力向筒体侧的偏移趋势，并显著减小管板端面保温阶段的二次拉应力，降低开裂风险。当L从0.3增至1.1时，最大轴向应力下降32.4%，环向应力下降13%。

图3 不同加热带宽度（HB）下内表面轴向和环向应力系数对比

图4 不同加热带边缘温度（T_b）下内表面轴向和环向应力系数对比

图5 不同直边段长度（L）下下内表面轴向和环向应力系数对比

（3）提出了管板直边段长度的工程设计准则：基于挠度方程三阶导数为零的临界条件，建立了不同加热带宽度下管板直边段临界长度的定量关系。明确了不同加热带宽度下，避免管板固定约束不利影响的临界直边段长度L取值规律。当加热带宽度大于2√(Rt)时，临界L随加热带宽度增大呈急剧下降的趋势，加热带宽度增大至2.5√(Rt)以上时，临界值趋于稳定，维持在1.3√(Rt)左右。建立了临界L的工程设计准则，设计单位可参考该准则，在结构设计阶段同步考量直边段长度与加热带宽度的匹配关系，避免管板刚性约束对局部热处理的不利影响。

图6 不同加热带宽度下焊缝中心处挠度三阶导数值对比

结语

本研究建立了“结构特征→应力调控理论→工艺参数优化→工程设计准则”的完整技术体系，突破了传统LPWHT理论无法适用于刚性不对称接头的瓶颈。研究成果为换热器、预热器等关键承压设备管板-筒体焊接接头的LPWHT工艺设计提供了科学基础和技术参考，显著提升了大型压力容器的制造质量与服役安全性。未来可进一步考虑接管、管孔等附件对局部热处理应力场的影响，完善复杂结构的LPWHT设计方法。

致谢

该研究得到了国家杰出青年科学基金（批准号：52325502）的支持。本文第一作者为：谷文斌（中国石油大学（华东）），本文通讯作者为：蒋文春教授（中国石油大学（华东），jiangwenchun@126.com）。

本期小编：谷文斌 （整理）

董乃健 （发布）