筒體鍛件殘余應力場的中子衍射全場測量技術，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件三維應力分布的核心手段。以下是系統性技術方案：

1. 技術原理與筒體適配性

（1）中子衍射特性優勢

穿透能力：

碳鋼：50-100mm（熱中子波長0.1-0.3nm）

鋁合金：30-60mm

應變計算：

math

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

（d?需通過無應力標樣標定）

（2）筒體測量挑戰與對策

難點解決方案

大曲率表面 曲面自適應準直器（曲率半徑≥1m） 

軸向/周向應力梯度 螺旋CT式掃描路徑 

焊縫區高應力集中 局部0.5mm步進加密測量 

2. 測量系統配置

（1）核心設備要求

組件技術參數推薦配置

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 六軸機器人（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）測量參數優化

材料晶面選擇光斑尺寸計數時間空間分辨率

碳鋼 {211} 2×2mm2 300s/點 1×1×2mm3 

不銹鋼 {311} 1×1mm2 400s/點 0.5×0.5×1mm3 

鈦合金 {213} 3×3mm2 500s/點 2×2×3mm3 

3. 試樣準備與測量方案

（1）取樣策略

圖表

筒體

軸向剖面

周向環帶

焊縫HAZ區

內壁→外壁5層掃描

0°-360°每30°分段

0.5mm步進加密

（2）無應力標樣制備

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）

4. 三維掃描路徑設計

掃描模式路徑參數適用場景

螺旋CT式 軸向進給0.5mm/轉，層厚2mm 全場三維應力 

周向分層 每10mm軸向間距，360°環掃 長筒體快速篩查 

局部加密 焊縫區0.5mm3體素，其他區域2mm3 缺陷敏感區精細分析 

5. 數據處理與應力計算

（1）數據處理流程

原始譜

本底扣除

峰形擬合（Voigt函數）

應變張量計算

彈性力學求解

三維可視化

（2）應力張量求解

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. 驗證與誤差控制

（1）驗證方法

技術對比參數允差

盲孔法 表面應力 ±15% 

同步輻射XRD 表層50μm梯度 R2>0.95 

數值模擬 應力分布趨勢 相關系數>0.90 

（2）誤差源管理

誤差源影響抑制措施

晶粒取向效應 ±35MPa 樣品±15°振蕩 

溫度漂移 ±20MPa/℃ 恒溫艙（±1℃控制） 

定位誤差 ±15MPa/mm 激光跟蹤儀實時校準 

7. 典型測量結果

核電壓力容器筒體（SA-508 Gr.3，壁厚150mm）：

區域軸向應力（MPa）周向應力（MPa）

內壁表層 -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） 

發現缺陷：

焊縫熔合線應力峰值580MPa→需局部熱處理

8. 技術局限與發展

（1）當前局限

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）創新方向

高通量技術：

飛行時間法（TOF）多探測器同步采集

智能預測：

建立工藝-應力場深度學習模型

緊湊化設備：

加速器中子源（如D-T中子發生器）

9. 工業應用建議

關鍵區域優先：

焊縫、機加工過渡區等應力集中部位加密測量

工藝反饋優化：

根據應力場調整鍛件熱處理參數（如退火溫度±20℃）

標準制定：

編制《壓力容器筒體中子應力測量規范》

該技術可實現筒體鍛件從內壁到外壁的全厚度應力測繪，空間分辨率達1mm3，為壽命評估和工藝改進提供直接依據。下一步需開發Φ5m以上超大型筒體的移動式中子測量裝備。