筒體鍛件殘余應(yīng)力場的中子衍射全場測量技術(shù)，憑借其中子深穿透能力和高空間分辨率，成為精確表征厚壁構(gòu)件三維應(yīng)力分布的核心手段。以下是系統(tǒng)性技術(shù)方案：

1. 技術(shù)原理與筒體適配性

（1）中子衍射特性優(yōu)勢

穿透能力：

碳鋼：50-100mm（熱中子波長0.1-0.3nm）

鋁合金：30-60mm

應(yīng)變計(jì)算：

math

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

（d?需通過無應(yīng)力標(biāo)樣標(biāo)定）

（2）筒體測量挑戰(zhàn)與對策

難點(diǎn)解決方案

大曲率表面 曲面自適應(yīng)準(zhǔn)直器（曲率半徑≥1m） 

軸向/周向應(yīng)力梯度 螺旋CT式掃描路徑 

焊縫區(qū)高應(yīng)力集中 局部0.5mm步進(jìn)加密測量 

2. 測量系統(tǒng)配置

（1）核心設(shè)備要求

組件技術(shù)參數(shù)推薦配置

中子源 熱中子通量>5×10? n/cm2/s 中國CARR/美國NCNR 

衍射儀 高分辨背散射幾何 SALSA@ILL（法國） 

樣品定位系統(tǒng) 六軸機(jī)器人（定位精度±0.02mm） KUKA KR500 

探測器 3He位置靈敏探測器（0.5°分辨率） 一維PSD陣列 

（2）測量參數(shù)優(yōu)化

材料晶面選擇光斑尺寸計(jì)數(shù)時間空間分辨率

碳鋼 {211} 2×2mm2 300s/點(diǎn) 1×1×2mm3 

不銹鋼 {311} 1×1mm2 400s/點(diǎn) 0.5×0.5×1mm3 

鈦合金 {213} 3×3mm2 500s/點(diǎn) 2×2×3mm3 

3. 試樣準(zhǔn)備與測量方案

（1）取樣策略

圖表

筒體

軸向剖面

周向環(huán)帶

焊縫HAZ區(qū)

內(nèi)壁→外壁5層掃描

0°-360°每30°分段

0.5mm步進(jìn)加密

（2）無應(yīng)力標(biāo)樣制備

電解拋光：去除200μm加工層

退火處理：

碳鋼：650℃×2h（真空）

鋁合金：350℃×4h（Ar保護(hù)）

4. 三維掃描路徑設(shè)計(jì)

掃描模式路徑參數(shù)適用場景

螺旋CT式 軸向進(jìn)給0.5mm/轉(zhuǎn)，層厚2mm 全場三維應(yīng)力 

周向分層 每10mm軸向間距，360°環(huán)掃 長筒體快速篩查 

局部加密 焊縫區(qū)0.5mm3體素，其他區(qū)域2mm3 缺陷敏感區(qū)精細(xì)分析 

5. 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)力計(jì)算

（1）數(shù)據(jù)處理流程

原始譜

本底扣除

峰形擬合（Voigt函數(shù)）

應(yīng)變張量計(jì)算

彈性力學(xué)求解

三維可視化

（2）應(yīng)力張量求解

math

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

各向異性修正：

碳鋼：E=210GPa, ν=0.28

鋁合金：E=70GPa, ν=0.33

6. 驗(yàn)證與誤差控制

（1）驗(yàn)證方法

技術(shù)對比參數(shù)允差

盲孔法 表面應(yīng)力 ±15% 

同步輻射XRD 表層50μm梯度 R2>0.95 

數(shù)值模擬 應(yīng)力分布趨勢 相關(guān)系數(shù)>0.90 

（2）誤差源管理

誤差源影響抑制措施

晶粒取向效應(yīng) ±35MPa 樣品±15°振蕩 

溫度漂移 ±20MPa/℃ 恒溫艙（±1℃控制） 

定位誤差 ±15MPa/mm 激光跟蹤儀實(shí)時校準(zhǔn) 

7. 典型測量結(jié)果

核電壓力容器筒體（SA-508 Gr.3，壁厚150mm）：

區(qū)域軸向應(yīng)力（MPa）周向應(yīng)力（MPa）

內(nèi)壁表層 -320±25（壓） +280±30（拉） 

1/4壁厚處 +150±20（拉） -80±15（壓） 

外壁表層 -180±15（壓） -250±20（壓） 

發(fā)現(xiàn)缺陷：

焊縫熔合線應(yīng)力峰值580MPa→需局部熱處理

8. 技術(shù)局限與發(fā)展

（1）當(dāng)前局限

時間成本：全場掃描需24-72小時

輕元素敏感度：對Al、Mg等元素分辨率低

（2）創(chuàng)新方向

高通量技術(shù)：

飛行時間法（TOF）多探測器同步采集

智能預(yù)測：

建立工藝-應(yīng)力場深度學(xué)習(xí)模型

緊湊化設(shè)備：

加速器中子源（如D-T中子發(fā)生器）

9. 工業(yè)應(yīng)用建議

關(guān)鍵區(qū)域優(yōu)先：

焊縫、機(jī)加工過渡區(qū)等應(yīng)力集中部位加密測量

工藝反饋優(yōu)化：

根據(jù)應(yīng)力場調(diào)整鍛件熱處理參數(shù)（如退火溫度±20℃）

標(biāo)準(zhǔn)制定：

編制《壓力容器筒體中子應(yīng)力測量規(guī)范》

該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)筒體鍛件從內(nèi)壁到外壁的全厚度應(yīng)力測繪，空間分辨率達(dá)1mm3，為壽命評估和工藝改進(jìn)提供直接依據(jù)。下一步需開發(fā)Φ5m以上超大型筒體的移動式中子測量裝備。