筒体锻件残余应力场中子衍射全场测量方法

筒体锻件残余应力场的中子衍射全场测量技术，凭借其中子深穿透能力和高空间分辨率，成为精确表征厚壁构件三维应力分布的核心手段。以下是系统性技术方案：

1. 技术原理与筒体适配性

（1）中子衍射特性优势

穿透能力：

碳钢：50-100mm（热中子波长0.1-0.3nm）

铝合金：30-60mm

应变计算：

math

ε_{hkl} = \frac{d_{hkl} - d_0}{d_0} \times 10^6 \quad (με)

（d₀需通过无应力标样标定）

（2）筒体测量挑战与对策

难点解决方案

大曲率表面 曲面自适应准直器（曲率半径≥1m） 

轴向/周向应力梯度 螺旋CT式扫描路径 

焊缝区高应力集中 局部0.5mm步进加密测量 

2. 测量系统配置

（1）核心设备要求

组件技术参数推荐配置

中子源 热中子通量>5×10⁸ n/cm²/s 中国CARR/美国NCNR 

衍射仪 高分辨背散射几何 SALSA@ILL（法国） 

样品定位系统 六轴机器人（定位精度±0.02mm） KUKA KR500 

探测器 3He位置灵敏探测器（0.5°分辨率） 一维PSD阵列 

（2）测量参数优化

材料晶面选择光斑尺寸计数时间空间分辨率

碳钢 {211} 2×2mm² 300s/点 1×1×2mm³ 

不锈钢 {311} 1×1mm² 400s/点 0.5×0.5×1mm³ 

钛合金 {213} 3×3mm² 500s/点 2×2×3mm³ 

3. 试样准备与测量方案

（1）取样策略

图表

筒体

轴向剖面

周向环带

焊缝HAZ区

内壁→外壁5层扫描

0°-360°每30°分段

0.5mm步进加密

（2）无应力标样制备

电解抛光：去除200μm加工层

退火处理：

碳钢：650℃×2h（真空）

铝合金：350℃×4h（Ar保护）

4. 三维扫描路径设计

扫描模式路径参数适用场景

螺旋CT式 轴向进给0.5mm/转，层厚2mm 全场三维应力 

周向分层 每10mm轴向间距，360°环扫 长筒体快速筛查 

局部加密 焊缝区0.5mm³体素，其他区域2mm³ 缺陷敏感区精细分析 

5. 数据处理与应力计算

（1）数据处理流程

原始谱

本底扣除

峰形拟合（Voigt函数）

应变张量计算

弹性力学求解

三维可视化

（2）应力张量求解

math

σ_{ij} = \frac{E}{1+ν}ε_{ij} + \frac{νE}{(1+ν)(1-2ν)}δ_{ij}ε_{kk}

各向异性修正：

碳钢：E=210GPa, ν=0.28

铝合金：E=70GPa, ν=0.33

6. 验证与误差控制

（1）验证方法

技术对比参数允差

盲孔法 表面应力 ±15% 

同步辐射XRD 表层50μm梯度 R²>0.95 

数值模拟 应力分布趋势 相关系数>0.90 

（2）误差源管理

误差源影响抑制措施

晶粒取向效应 ±35MPa 样品±15°振荡 

温度漂移 ±20MPa/℃ 恒温舱（±1℃控制） 

定位误差 ±15MPa/mm 激光跟踪仪实时校准 

7. 典型测量结果

核电压力容器筒体（SA-508 Gr.3，壁厚150mm）：

区域轴向应力（MPa）周向应力（MPa）

内壁表层 -320±25（压） +280±30（拉） 

1/4壁厚处 +150±20（拉） -80±15（压） 

外壁表层 -180±15（压） -250±20（压） 

发现缺陷：

焊缝熔合线应力峰值580MPa→需局部热处理

8. 技术局限与发展

（1）当前局限

时间成本：全场扫描需24-72小时

轻元素敏感度：对Al、Mg等元素分辨率低

（2）创新方向

高通量技术：

飞行时间法（TOF）多探测器同步采集

智能预测：

建立工艺-应力场深度学习模型

紧凑化设备：

加速器中子源（如D-T中子发生器）

9. 工业应用建议

关键区域优先：

焊缝、机加工过渡区等应力集中部位加密测量

工艺反馈优化：

根据应力场调整锻件热处理参数（如退火温度±20℃）

标准制定：

编制《压力容器筒体中子应力测量规范》

该技术可实现筒体锻件从内壁到外壁的全厚度应力测绘，空间分辨率达1mm³，为寿命评估和工艺改进提供直接依据。下一步需开发Φ5m以上超大型筒体的移动式中子测量装备。