焊縫余高對壓力容器的影響及對策

高少平，韓超，秦國民

（大慶石油化工機械廠有限公司，黑龍江大慶163714）

焊縫余高指的是凸出母材表面的部分或焊趾連接線以上部分的熔敷金屬的垂直高度，在壓力容器行業(yè)中特指A、B類對接焊接接頭同側(cè)焊趾連接線以上部分的熔敷金屬的垂直高度。壓力容器的對接

焊接接頭

一般是多道焊（如各種自動焊、手工焊），后焊的焊道相當(dāng)于對前1焊道起到保溫、緩冷與正火的作用，對消除前1道焊縫焊接殘余應(yīng)力、細(xì)化晶粒是有益的，余高相當(dāng)于對最后1層強度焊道發(fā)揮了上述作用，同時也是氣孔、夾渣等缺陷的收集區(qū)。理想的無余高而又不凹的焊縫難以獲得，因此，余高是有用的，它是焊接工藝的需要焊接接頭焊完后，余高的工藝作用即完成，此后余高的存在將對容器的安全運行產(chǎn)生某些不利影響，因此要限制余高尺寸，焊縫截面見圖1。。

圖1焊縫截面

1 焊縫余高對壓力容器的影響

1.1 造成焊縫應(yīng)力集中

焊縫處應(yīng)力集中的來源1是焊接殘余應(yīng)力，主要分布在熔合區(qū)；2是壓力容器承受載荷時，由于焊縫余高帶來的焊縫處形狀的突變引起焊趾處應(yīng)力集中，并隨著焊縫余高增加而增加，焊縫余高越大，應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重,而焊縫的實際承載能力會降低。焊接殘余應(yīng)力可以通過焊后熱處理、振動時效處理等方式消除或降低，但焊縫余高引起的應(yīng)力集中必須通過去除焊縫余高進行消除。

對于承受疲勞載荷的容器，疲勞破壞一般要經(jīng)歷3個過程，生核（形成疲勞裂紋源）→疲勞裂紋擴展→斷裂，焊縫余高產(chǎn)生的應(yīng)力集中和可能帶來焊縫缺陷是形成疲勞破壞的重要因素。試驗表明保留余高的容器比去除余高的容器平均疲勞壽命短2.1～2.5倍［1］。

對于處于應(yīng)力腐蝕工況的容器，拉應(yīng)力、特定化學(xué)介質(zhì)、特定金屬材料是引起應(yīng)力腐蝕要素，有余高的焊縫，焊趾處應(yīng)力分布復(fù)雜，極易產(chǎn)生引起應(yīng)力腐蝕拉應(yīng)力，是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要因素。

對于低溫鋼、鉻鉬鋼、高強鋼容器，運行工況惡劣，并且有些鋼種焊接時殘余應(yīng)力較大，對集中應(yīng)力敏感，焊縫余高更容易形成安全隱患。

1.2 破壞壓力容器內(nèi)外表面的整體連續(xù)性

壓力容器制造過程中，在焊縫處組裝補強圈、襯板等零部件，需將焊縫磨平；某些攪拌釜的攪拌槳葉和內(nèi)壁間隙很小，容器內(nèi)壁凸起會與槳葉發(fā)生干涉；浮頭式、U型管式換熱器的管束要求筒體內(nèi)部焊縫磨平；有的容器內(nèi)部流體介質(zhì)容易在不光滑處結(jié)垢；有些容器用表面環(huán)氧樹脂玻璃布進行防腐，或者對襯里與內(nèi)表面貼合度要求嚴(yán)格，如果存在焊縫余高，將使焊趾處出現(xiàn)縫隙。

2 標(biāo)準(zhǔn)對焊縫余高的要求

JB4732-1995（R2005）《鋼制壓力容器--分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對需按附錄C進行疲勞分析設(shè)計的容器其A、B類焊接接頭表面應(yīng)與母材齊平，不允許保留余高。對于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度≥540 MPa的鋼材及鉻鉬、碳素鋼與低合金鋼制低溫壓力容器，余高按母材厚度控制，最高不得超過3 mm，其它鋼制壓力容器，余高最高不得超過4 mm［2，3］。

GB/T 150.4-2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》規(guī)定：對于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度大于540 MPa的低合金鋼材及鉻鉬低合金鋼材，單面坡口:余高e1不得超過3 mm，余高e2不得超過1.5 mm；雙面坡口:余高e1不得超過3 mm，余高e2不得超過3 mm。其它鋼制壓力容器，單面坡口:余高e1不得超過4 mm，余高e2不得超過1.5 mm；雙面坡口:余高e1不得超過4 mm，余高e2不得超過4 mm。

3 焊縫余高的控制對策

3.1 明確焊縫余高合格指標(biāo)

焊縫余高首先要滿足壓力容器安全運行、工藝性能要求，對于標(biāo)準(zhǔn)要求去除焊縫余高的容器必須執(zhí)行，對于標(biāo)準(zhǔn)允許保留一定量焊縫余高的容器，要根據(jù)容器所用材料、工況、使用等實際情況，確定不低于標(biāo)準(zhǔn)要求的焊縫余高合格指標(biāo)。

3.2 加強焊接工藝管理

焊接電流、電弧電壓和焊接速度要相互匹配，對開坡口角度加強控制，焊接時嚴(yán)格控制線能量不得超過允許范圍，控制好錯邊量和裝配間隙公差，保證間隙均勻一致，做好焊接記錄，發(fā)揮余高的工藝作用。資料表明，當(dāng)焊縫余高為0.4 mm，焊接角度為65o時，焊縫疲勞壽命最高，抗疲勞性能最佳［4］。對于可保留的焊縫余高，保證焊縫余高的缺陷低于相應(yīng)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 強化焊縫余高去除和保留質(zhì)量控制

嚴(yán)格按照設(shè)計或工藝要求的合格指標(biāo)去除和保留焊縫余高尺寸，焊縫余高的去除和保留通常采取打磨方式，打磨范圍：焊縫2側(cè)25～50 mm范圍，打磨區(qū)域應(yīng)無明顯打磨痕跡，沿焊縫方向打磨，打磨表面平滑。對于需要去除的焊縫余高，打磨至與母材齊平，或保留高度不超過0.4 mm（應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的焊接工藝評定）；對于可以保留的焊縫余高，焊縫余高不得超過合格指標(biāo)，焊趾處平滑過渡；對于小直徑的內(nèi)表面，如小直徑筒體和接管等，可以采取鏜削，或?qū)Ｓ霉ぱb清除焊縫余高［5］。

4 結(jié)束語

焊縫余高不可避免，對焊縫具有重要的工藝作用。焊縫余高會引起局部應(yīng)力集中，對處于疲勞、應(yīng)力腐蝕工況容器及低溫鋼、鉻鉬鋼、高強鋼容器會造成裝配、檢修、運行的影響。