容器殼體焊接接頭系數問題的探討

陳 艷

（廣東省機械研究所，廣東廣州 510635）

0 前言

焊接是容器制造過程中的重要環(huán)節(jié)，焊接時焊縫熱影響區(qū)存在焊接殘余應力，焊縫金屬晶粒粗大，焊縫內可能存在氣孔、夾渣、裂紋以及抽驗可能使缺陷漏檢等原因，影響焊接強度，因此，壓力容器在計算壁厚時，應該考慮焊接的影響，由此引出了焊接接頭系數。焊接接頭系數的大小與焊接接頭型式、焊接工藝及無損檢測的嚴格程度有關。所以，壓力容器按規(guī)則設計時，為確保容器設計的安全性、合理性以及經濟性，應對焊接接頭系數正確取值。而實際上焊接接頭系數只是工程中總結出來的一個經驗數據，通過用焊接系數折合焊縫處材料許用應力來保證焊縫質量的可靠程度，并不是真正反映焊縫處材料強度被削弱的程度。文章依據壓力容器規(guī)則設計的相關標準規(guī)范，針對鋼制容器探討焊接接頭系數。

1 焊接接頭系數的定義與運用分析

1.1 焊接接頭系數的定義

焊接接頭指兩個或兩個以上零件要用焊接組合的接點，或指兩個或兩個以上零件用焊接方法連接的接頭。一般由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成，如圖1所示。各區(qū)有不同的組織和性能。焊縫，由熔池的液態(tài)金屬凝固結晶而成，通常由填充金屬和部分母材金屬組成，因結晶是從熔池邊緣的半熔化區(qū)開始的，低熔點的硫磷雜質和氧化鐵等易偏析集中在焊縫中心區(qū)，晶粒粗大、成分偏析、組織不致密，影響焊縫的力學性能；熔合區(qū)，化學成分不均勻，組織粗大，因而塑性差、強度低、脆性大、易產生焊接裂紋，其性能常常是焊接接頭中最薄弱的；熱影響區(qū)，焊接熱流作用下母材短時從室溫到高溫，爾后又經過冷卻的過程，使得金屬晶粒粗大，存在殘余應力，使強度或塑性明顯降低。所以提出焊接接頭系數的概念，以補償焊接時可能產生的強度削弱。焊接接頭系數?=焊縫金屬強度/母材金屬強度≤1，它是考慮對容器強度的削弱，用以降低設計許用應力的系數。

圖1 焊接接頭

1.2 焊接接頭系數的運用分析

焊接接頭系數是依據對接接頭單面焊還是雙面焊的不同情況以及無損檢測比例要求來確定的。在容器焊接接頭中，主要是以兩種對接焊接接頭為主，即縱向對接焊接接頭和環(huán)向對接焊接接頭。因此在容器強度計算中引用兩個焊接接頭系數，即縱向焊接接頭系數和環(huán)向焊接接頭系數，計算公式中需采用哪種焊接接頭系數應從計算時所針對的應力進行考慮。

根據薄壁圓筒的應力分析可知，圓筒的縱向剖面主要是承受環(huán)向應力，所以說縱向焊接接頭主要承受的是環(huán)向應力，與之相關聯的則應是縱向焊接接頭系數，因此依據環(huán)向應力確定承壓圓筒的計算厚度時，應考慮的是縱向焊接接頭系數，如GB150中圓筒殼體的計算中徑公式：是根據環(huán)向應力推導出的，因此，在此公式中的?應用縱向焊接接頭系數代入計算（符號說明：δ為殼體計算厚度，[σ]t為殼體材料許用應力，Di為殼體內徑，Pc為計算壓力，?為焊接接頭系數）。相應的圓筒的環(huán)向剖面主要是承受軸向應力，所以說環(huán)向焊接接頭主要承受是軸向應力，與之相關聯的則應是環(huán)向焊接接頭系數，因此承壓圓筒對軸向應力進行校核計算時，應考慮的是環(huán)向焊接接頭系數，如臥式容器和塔式容器的軸向應力校核時，應使用環(huán)向焊接接頭系數。

對于球殼體或凸形封頭（包括球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭）的球面部分，由于球殼的幾何結構，球面上各點的曲率半徑均相等，因此沒有軸向和環(huán)向之分，球殼上所有拼接接頭都是承受相同的整體薄膜應力，其應力分布規(guī)律都是相同的。并沒有縱向、環(huán)向焊接接頭之別。因此，它的厚度計算公式中的焊接接頭系數包括所有拼接接頭的焊接接頭系數，特別是也包括球殼與圓筒相連接的環(huán)向接頭在內（此接頭屬于按GB150［1］劃分的A類焊接接頭，應與縱向焊接接頭等同），都應取同一焊接接頭系數，并滿足相同的焊接接頭型式和無損檢測要求。

2 焊接接頭系數的取值

焊接接頭的焊縫結構、焊接材料以及焊接質量直接影響焊縫的強度。設計時應根據母材的可焊性和焊接件的結構，選擇合適的焊接材料和焊接工藝之后，按受壓元件的焊接接頭型式以及無損檢測的比例確定焊接接頭系數。焊接接頭系數只為壓力容器強度計算所用，不能以焊接接頭系數值的高低來推定無損檢測長度比例或焊接型式。

GB150.4—2011 10.3.4條：對容器直徑不超過800 mm的圓筒與封頭的最后一道環(huán)向封閉焊縫，當采用不帶墊板的單面焊對接接頭，且無法進行射線或超聲檢測時，允許不進行檢測，但需采用氣體保護焊打底［1］。此時，焊接接頭系數可以取0.6。GB150.1～150.4-2011對鋼制容器焊接接頭系數的規(guī)定取值如下。

（1）雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭：100%無損檢測，取?=1.0；局部無損檢測，取?=0.85。

（2）單面焊對接接頭（沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板）：100%無損檢測，取?=0.9；局部無損檢測，取 ? =0.8［1］。

2.1 封頭焊接接頭系數的取值

（1） 整體成形的凸形封頭：?=1.0，整張鋼板壓制的小直徑封頭，由于不存在焊接接頭，無焊接缺陷可言，強度計算公式中就取?=1.0代入計算。

（2） 先拼焊后成形的凸形封頭：100%無損檢 測 （ 按 JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-II或UT-Ⅰ級合格），取?=1.0；

100%無 損 檢 測 （按 JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-III或UT-II級合格），取 ?=0.85。

例如筒體為全部(100%)無損檢測，按JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-II或 UT-I級 合 格 ，?=1.0，那么，封頭的焊接接頭系數應和筒體一致，取?=1.0；如果筒體為局部無損檢測，按JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-III或 UT-II級合格，?=0.85，那么，封頭的焊接接頭系數應和筒體一致，也取?=0.85。這是考慮到先拼接焊后成形的凸形封頭在成形過程中的拼接焊接接頭將發(fā)生比較大的彎曲、變形及表面裂紋等缺陷。所以為了保證其焊接接頭的質量，要求對先拼接焊后成形的凸形封頭進行100%射線或超聲檢測，但合格級別應與筒體的無損檢測合格級別一致［2］。

（3）先成形后拼焊的凸形封頭，焊接接頭系數的取值則與圓筒殼體的取值相一致。

2.2 圓筒焊接接頭系數的取值

內壓圓筒的強度計算一般是考慮圓筒承受起控制作用的一次薄膜應力進行計算的，即厚度計算公式是根據圓筒中周向總體（一次）薄膜應力（即最大主應力）的強度導出，由此可知，公式中的焊接接頭系數應為圓筒的縱向接接頭系數。在實際工程中，圓筒環(huán)向焊接接頭中往往也有環(huán)向（周向）薄膜應力的存在，但此時的環(huán)向應力不同于縱向接頭中的環(huán)向應力，它是由于結構的不連續(xù)而產生的一次薄膜應力，這種應力是屬于局部薄膜應力［3］，而不是總體薄膜應力。經過大量實踐經驗可知，只要保證了筒體上的總體薄膜應力，那么，這種局部薄膜應力是能夠自動滿足的，因此按規(guī)則設計內壓圓筒時不必再另行考慮環(huán)向焊接接頭中的這種局部應力的影響。

內壓圓筒中主要存在縱向和環(huán)向兩種焊接接頭，與之對應有兩種焊接接頭系數，為了保證整個圓筒安全可靠，一般盡量將兩種焊接接頭焊接質量水平相一致，即使兩種焊接接頭系數的取值相同，若制造上某條焊縫（如筒體與封頭之間的最后一道合攏縫）無法做到與同腔殼體上的其他對接焊接接頭條件要求時，可允許與縱向焊接接頭的不同，即可按GB150.4-2011 10.3.4條規(guī)定執(zhí)行。此時環(huán)向焊接接頭系數可以與縱向的不同，甚至比縱向焊接接頭系數小，但計算圓筒厚度時，仍是以縱向焊接接頭系數進行計算。因為，圓筒中的環(huán)向應力是軸向應力的2倍，雖然環(huán)向焊接接頭系數可能比縱向焊接接頭系數小，但只要其縱向、環(huán)向焊接接頭系數比不小于2倍，都還是縱向焊接接頭系數起控制作用。另外，當采用無縫鋼管制作筒體時，由于不存在焊接接頭，此時焊接接頭系數應取?=1.0。

3 結束語

綜上所述，在壓力容器中，縱向焊接接頭相比環(huán)向焊接接頭是較危險的，雖然焊接工藝，檢測手段都是一致的，而從焊接接頭的受力情況可知［4-5］，一旦發(fā)生變形破裂，首先是從縱向焊接接頭開始，所以應最先保證的是縱向焊接接頭質量。但也不能忽視環(huán)向焊接接頭的重要性。所以說焊接接頭是壓力容器及其受壓元件上的薄弱部位，通過焊接接頭系數折算許用應力來保證其強度。焊接接頭系數綜合反映了容器殼體焊接接頭處由于焊接缺陷、焊材和焊接殘余應力等因素使焊接接頭強度受影響的程度。壓力容器設計中的焊接接頭系數是關鍵的設計數據之一，設計時應正確理解和掌握焊接接頭系數的概念和含義及其選取，避免設計中重大原則性錯誤的發(fā)生。

［1］GB150.1～150.4-2011.壓力容器［S］.

［2］GB/T25198-2010.壓力容器封頭［S］.

［3］JB4732-95.鋼制壓力容器——分析設計標準［S］.

［4］鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計 ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.

［5］張哲明，胡正祥.鍋爐壓力容器安全工程學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.