焊接接頭系數在壓力容器設計中的選取

摘要：文章針對壓力容器設計計算過程中的焊接接頭系數，分析了焊接接頭系數的實質，探討了各種常見結構焊接接頭系數的選取。

關鍵詞：壓力容器；焊接接頭系數；選取

中圖分類號：TG407文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）18-0075-02

焊接接頭是焊接壓力容器結構中最重要的連接部位，它是由焊縫區、熔合面、熱影響區和基本母材四部分組成。一般情況下，壓力容器的焊接接頭采用要求焊接接頭的最低抗拉強度應不小于母材的標準抗拉強度的等強度設計原則，但焊接接頭在由液態到固態凝固過程中，總是存在著各種裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等焊接缺陷，局部的不均勻冶金過程導致焊接接頭內部組織不均勻，這些因素都會影響到焊接接頭的強度。由此可見，焊接接頭是壓力容器結構中比較薄弱的環節，它的性能將直接影響壓力容器的質量和安全。因此，在壓力容器設計計算過程中，引入焊接接頭系數φ的概念，定義為焊接接頭的強度與母材強度之比，用以反映由于焊接原因使焊接接頭強度被削弱的程度。在壓力容器設計過程中，正確地選擇焊接接頭系數φ，不僅涉及到容器安全性和可靠性，還涉及到容器設計制造過程中的經濟性。文章依據《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB150和相關規范標準，以焊制壓力容器為討論對象，探討壓力容器設計過程中如何正確選取焊接接頭系數φ。

1焊接接頭的分類和焊接接頭系數的選取分析

我國在國家標準GB150中對壓力容器焊接接頭的分類有明確的規定，根據接頭的位置和形式，分為A、B、C、D四種類型（如圖1所示）。其中A類主要指圓筒部分的縱向接頭，凸形封頭的拼焊接頭等；B類主要指殼體部分的環向接頭；C類包括平蓋、管板、法蘭與圓筒的非對接接頭；D類包括接管、人孔、凸緣、補強圈與圓筒的連接接頭。

從JB/T4730《承壓設備無損檢測》與之對應的無損檢測方法來看，對A、B類接頭規定采用射線或超聲檢測，C、D類接頭采用磁粉或滲透檢測可知，A、B類接頭應為對接接頭，C、D類接頭應為角接接頭。而根據規則設計的強度計算一般考慮受壓元件承受一次的最大薄膜應力，即起控制作用的一次應力進行設計計算的。由此可見，用于壓力容器受壓元件設計計算的焊接接頭系數φ選取，是指該容器元件上承受最大應力作用的對接接頭，即所謂起控制作用的A、B類焊接接頭。C、D類角接接頭僅考慮結構尺寸，以滿足焊接接頭的強度要求，不使用焊接接頭系數。

2焊接接頭系數的規定

GB150規定根據壓力容器受壓元件的對接接頭的焊縫型式及無損檢測的長度比例確定焊接接頭系數φ。

雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭（如氬弧焊打底的單面焊對接接頭）：

100%無損檢測φ=1.0；

局部無損檢測φ=0.85；

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φ=0.9；

局部無損檢測φ=0.8。

3焊接接頭系數φ在設計過程中選取

基于上述原則，下面就不同的受壓元件強度計算公式中焊接接頭系數φ的選取做一一說明。

①內壓圓筒體。

= （1）

此公式是根據圓筒體所承受最大薄膜應力-周向應力導出的，因此φ要根據圓筒A類焊接接頭選取，取值根據上述GB150焊接接頭系數φ的規定。如果圓筒體為無縫鋼管時，則A類焊接接頭不存在，φ=1.0。

②內壓球殼（或球形封頭）。

= （2）

由于球殼的周向和經向應力相等，因此φ要根據球殼的A類拼接焊縫選取，取值則根據封頭成形方式分為兩種情況：第一種為先分瓣成形再拼焊的封頭，取值根據GB150焊接接頭系數φ的規定；第二種為先拼焊再成形的封頭，根據GB/T25198《壓力容器封頭》的規定，需要成形后100%的RT或UT無損檢測，目的是為了檢驗封頭成形時拼焊接頭較大的塑性變形時有無超標缺陷出現，因此焊接接頭系數φ的取值和其他主要受壓元件如筒體要求一致，以滿足容器整體設計“等強度原則”。

③內壓橢圓形封頭。

= （3）

橢圓形封頭的最大應力在頂點或過渡區，因此φ要根據橢圓形封頭的A類拼接焊縫選取，取值同球形封頭。

④內壓碟形封頭。

= （4）

碟形封頭的最大應力在過渡區，因此φ的選取同球形封頭。

⑤內壓無折邊球冠形封頭。

= （5）

φ的選取同球形封頭。

⑥內壓錐形封頭。

=#8226;（6）

φ要根據錐形封頭的A類焊接接頭即環向對接接頭選取，取值根據GB150焊接接頭系數φ的規定。

由于錐形封頭又分為無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭，下面分別論述。無折邊錐形封頭需要加強時有如下設計計算公式：

第一，錐形封頭大端。

= （7）

此公式是根據錐形封頭與圓筒體連接處最大應力-軸向彎曲應力導出的，此時主要承力焊接接頭為錐形封頭與圓筒體的環向對接接頭，因此焊接接頭系數φ要根據錐形封頭與圓筒體的環向對接接頭選取，取值根據GB150焊接接頭系數φ的規定。

第二，錐形封頭小端。

= （8）

此公式是根據錐形封頭與接管連接處最大應力-徑向彎曲應力導出的，徑向彎曲應力影響到錐形封頭的縱向接頭、接管的縱向接頭、錐形封頭與圓筒體的環向對接接頭，因此焊接接頭系數φ要選取三者各自的焊接接頭系數的最小值，取值根據GB150焊接接頭系數φ的規定。

折邊錐形封頭分為兩部分：大端過渡區焊接接頭系數φ類似于碟形封頭的取值；與過渡區連接的錐體焊接接頭系數φ按內壓錐形封頭的取值。

⑦平封頭。

=DC#8226; （9）

由于平封頭的最大應力根據平封頭與筒體連接結構不同在平封頭的周邊或中心，因此φ要根據平封頭的拼接焊縫選取，取值根據GB150焊接接頭系數φ的規定。

在這里，所強調的焊接接頭系數φ選取僅用于設計計算過程中，這并不意味著我們忽視其他類焊接接頭。對于此方面的內容，相關規范、標準和資料中有大量的規定和論述，就不再贅述。

4結語

綜上所述，焊接接頭系數φ是為了適應壓力容器按規則設計需要而提出的理論系數，它實質代表著對壓力容器焊接質量的不信任程度。因此，就要求我們在壓力容器設計過程中，正確理解焊接接頭系數φ含義和相關規定，正確取值，這樣才能做到既保證容器的安全性，又實現壓力容器制造的經濟性，實現節能降耗的目的。

參考文獻：

[1] 鄒廣華，劉強.過程裝備制造與檢測[M].北京:化學工業出版 社，2004.

[2] 王非.化工壓力容器設計:方法、問題和要點[M].北京:化學 工業出版社，2009，(2).

[3] GB150-1998，鋼制壓力容器[S].

[4] 洪德曉，丁伯民.壓力容器設計與使用數據速查[M].北京:機 械工業出版社，2010.

[5] 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教材[M].北京:新華出版 社，2005.