焊接對(duì)壓力容器強(qiáng)度的不良影響及設(shè)計(jì)對(duì)策

張偉

（中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

在壓力容器的制造過程中會(huì)經(jīng)歷多環(huán)節(jié)，包括對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)、合理選擇制造工藝和材料、焊接和熱處理、檢驗(yàn)等。其中，焊接環(huán)節(jié)決定著壓力容器的質(zhì)量，影響著其強(qiáng)度。所以，在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮焊接對(duì)壓力容器強(qiáng)度的不良影響。

1 焊接對(duì)壓力容器強(qiáng)度的不良影響

在壓力容器焊接過程中，外部和內(nèi)部都可能會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，使得壓力容器的強(qiáng)度受到影響。比如，焊接尺寸不對(duì)、咬邊不好、表面飛濺等，這些缺陷都是比較常見的外部缺陷。而比較常見的內(nèi)部缺陷則有氣孔、裂紋、未熔合等。其中，對(duì)壓力容器質(zhì)量影響最大的是裂紋，所以，在對(duì)壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將裂紋作為重點(diǎn)檢驗(yàn)對(duì)象。如果焊接時(shí)候的電流過小或焊弧偏長，都會(huì)在金屬融化后形成很小的熔池，導(dǎo)致鋼水的流動(dòng)受阻，引起焊接尺寸不合格。咬邊問題是電弧熱量過高或角度不合適等引起的。而表面飛濺則是因?yàn)樵诤附舆^程中存在不規(guī)范操作，或所使用的焊條材料本身就已經(jīng)受損。內(nèi)部缺陷的存在可能是多方面因素造成的。

2 完善對(duì)策

2.1 正確處理焊接頭中的殘余應(yīng)力

將電弧作為高溫?zé)嵩矗瑢?duì)局部進(jìn)行加熱就可以形成電弧焊接接頭。在熔融的焊縫金屬經(jīng)過1次結(jié)晶以后，其就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐墓虘B(tài)焊縫金屬；在經(jīng)過2次結(jié)晶后，又能成為正常溫度下的固態(tài)金屬。在焊縫金屬結(jié)晶的過程中，會(huì)形成收縮，但在收縮過程中母材會(huì)對(duì)其形成一定的約束。因此，兩者之間就會(huì)出現(xiàn)母材阻止焊縫收縮的情況，在對(duì)變形進(jìn)行協(xié)調(diào)的過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，此應(yīng)力就為焊接殘余應(yīng)力。此應(yīng)力能夠達(dá)到非常高的數(shù)值，還能達(dá)到材料屈服點(diǎn)的應(yīng)力水平。但因?yàn)槠鋵儆谧云胶舛螒?yīng)力，所以，能夠使焊縫受到拉伸，而母材則會(huì)出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，但容器的承載能力不會(huì)受到影響，也就是其不會(huì)對(duì)壓力容器的靜強(qiáng)度產(chǎn)生影響。所以，在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可忽略此應(yīng)力的影響，但局部高應(yīng)力對(duì)容器的影響卻是非常明顯的，所以，設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)其加以考慮。有的容器容易出現(xiàn)脆性斷裂的情況，比如珞鉬鋼，雖然其具有很高的強(qiáng)度，但塑性卻非常差，對(duì)局部高應(yīng)力非常敏感。此外，低溫容器也很容易出現(xiàn)脆性斷裂。在設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并在焊接以后對(duì)容器進(jìn)行熱處理，以消除殘余應(yīng)力。

2.2 合理控制組織和性能的變化

在對(duì)壓力容器進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫可以看作一個(gè)高溫的金屬熔池，母材中接近焊縫區(qū)的材料會(huì)因?yàn)楹缚p高熱量的影響而被加熱，使得晶粒變長變大，進(jìn)而降低材料的力學(xué)性能，損傷材料的沖擊韌性，導(dǎo)致材料變脆。有的壓力容器在高溫條件下工作，其材料通常具有很好的塑性和韌性，即使其沖擊韌性受到影響，也不會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。但處于低溫工作環(huán)境的容器，其材料很容易變脆，所以，在沖擊韌性下降的情況下，就會(huì)導(dǎo)致其脆性斷裂。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，要適當(dāng)提高母材的沖擊韌性指標(biāo)，這樣在實(shí)際焊接時(shí)才能保持足夠的沖擊韌性，以免出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。同時(shí)，在焊接時(shí)，應(yīng)盡可能地采用手工焊，利用小電流控制小的焊接線能量，以降低焊接熱產(chǎn)生的影響，降低對(duì)材料沖擊韌性造成的損傷。

2.3 正確選取焊接接頭系數(shù)

雖然焊縫中存在的缺陷會(huì)對(duì)焊縫的拉伸強(qiáng)度造成影響，但其不會(huì)對(duì)焊縫的壓縮強(qiáng)度造成影響，也不會(huì)影響到殼體的穩(wěn)定性，所以，在對(duì)外壓穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不需要考慮焊接接頭系數(shù)。焊縫接頭系數(shù)總共有4種，即1.0，0.9，0.85，0.8.GB150標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的焊接接頭系數(shù)取1.0的容器，接頭系數(shù)只能選擇1.0，部分外壓容器是由外壓控制的，有的容器則是受剛性控制的，在其焊縫接頭系數(shù)取1.0時(shí)，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算而得的壁厚會(huì)比較薄，但根據(jù)其穩(wěn)定性或剛性要求，容器最終的壁厚仍然比較厚，所以，這種情況取1.0毫無意義。焊接系數(shù)比較高時(shí)，需要支付的檢測費(fèi)用和返修費(fèi)用也比較高，所以，這種情況應(yīng)選擇較小的接頭系數(shù)。如果接頭系數(shù)選取1.0，雖然會(huì)節(jié)省一部分材料，但會(huì)增加檢測費(fèi)用和返修費(fèi)用。如果選取較小的接頭系數(shù)，雖然能節(jié)省檢測和返修費(fèi)用，但卻會(huì)增加材料的使用量。所以，要根據(jù)實(shí)際情況合理地選擇接頭系數(shù)，以提升其經(jīng)濟(jì)性。

2.4 合理選擇拼縫焊接接頭系數(shù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，拼接封頭的焊縫必須100%無損檢測，在封頭成形以后，還需要重新檢測過渡區(qū)焊縫的無損情況。所以，有的人會(huì)認(rèn)為封頭接頭系數(shù)應(yīng)確定為1.實(shí)際上，如果將焊接接頭系數(shù)確定為1，則必須要進(jìn)行100%的檢測，且射線檢測必須達(dá)到二級(jí)合格，超聲檢測必須達(dá)到一級(jí)合格。合格級(jí)別要根據(jù)整臺(tái)容器的具體要求來確定。因此，只有在整臺(tái)容器接頭系數(shù)為1的情況下，才能將封頭接頭系數(shù)確定為1.在封頭成形的過程中，會(huì)在過渡區(qū)出現(xiàn)很大的塑性變形，使此部位的焊縫出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，根據(jù)固容規(guī)的相關(guān)規(guī)定，此處的焊縫在成形以后還應(yīng)該進(jìn)行二次無損檢測。而此要求只針對(duì)過渡區(qū)的焊縫，不在過渡區(qū)的焊縫則不需要按照此要求操作。此外，對(duì)于t形頭的檢測，無論是在對(duì)整臺(tái)容器進(jìn)行100%的無損檢測，還是對(duì)局部進(jìn)行20%的無損檢測時(shí)，都必須要檢測到t形頭部位。

3 結(jié)束語

綜上所述，在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要正確處理焊接頭中的殘余應(yīng)力、合理控制熱影響區(qū)中組織和性能的變化、正確選取焊接接頭系數(shù)、合理選擇拼縫焊接接頭系數(shù)，以保證壓力容器的焊接質(zhì)量，從而避免其對(duì)壓力容器的強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，以便維持壓力容器的正常工作。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫少南，于敦吉，邱陽，等.焊后熱處理對(duì)反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)環(huán)形件焊接殘余應(yīng)力的影響［J］.壓力容器，2017（04）：12-18.

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