焊接對壓力容器強度的不良影響及設計對策

張偉

（中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101）

在壓力容器的制造過程中會經歷多環節，包括對壓力容器的設計、合理選擇制造工藝和材料、焊接和熱處理、檢驗等。其中，焊接環節決定著壓力容器的質量，影響著其強度。所以，在對壓力容器進行設計時，應充分考慮焊接對壓力容器強度的不良影響。

1 焊接對壓力容器強度的不良影響

在壓力容器焊接過程中，外部和內部都可能會出現一些缺陷，使得壓力容器的強度受到影響。比如，焊接尺寸不對、咬邊不好、表面飛濺等，這些缺陷都是比較常見的外部缺陷。而比較常見的內部缺陷則有氣孔、裂紋、未熔合等。其中，對壓力容器質量影響最大的是裂紋，所以，在對壓力容器進行檢驗時，應將裂紋作為重點檢驗對象。如果焊接時候的電流過小或焊弧偏長，都會在金屬融化后形成很小的熔池，導致鋼水的流動受阻，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。而表面飛濺則是因為在焊接過程中存在不規范操作，或所使用的焊條材料本身就已經受損。內部缺陷的存在可能是多方面因素造成的。

2 完善對策

2.1 正確處理焊接頭中的殘余應力

將電弧作為高溫熱源，對局部進行加熱就可以形成電弧焊接接頭。在熔融的焊縫金屬經過1次結晶以后，其就會轉變為高溫的固態焊縫金屬；在經過2次結晶后，又能成為正常溫度下的固態金屬。在焊縫金屬結晶的過程中，會形成收縮，但在收縮過程中母材會對其形成一定的約束。因此，兩者之間就會出現母材阻止焊縫收縮的情況，在對變形進行協調的過程中會產生應力，此應力就為焊接殘余應力。此應力能夠達到非常高的數值，還能達到材料屈服點的應力水平。但因為其屬于自平衡二次應力，所以，能夠使焊縫受到拉伸，而母材則會出現壓縮現象，但容器的承載能力不會受到影響，也就是其不會對壓力容器的靜強度產生影響。所以，在對壓力容器進行設計時，可忽略此應力的影響，但局部高應力對容器的影響卻是非常明顯的，所以，設計時要對其加以考慮。有的容器容易出現脆性斷裂的情況，比如珞鉬鋼，雖然其具有很高的強度，但塑性卻非常差，對局部高應力非常敏感。此外，低溫容器也很容易出現脆性斷裂。在設計過程中必須對殘余應力進行嚴格的控制，并在焊接以后對容器進行熱處理，以消除殘余應力。

2.2 合理控制組織和性能的變化

在對壓力容器進行焊接時，焊縫可以看作一個高溫的金屬熔池，母材中接近焊縫區的材料會因為焊縫高熱量的影響而被加熱，使得晶粒變長變大，進而降低材料的力學性能，損傷材料的沖擊韌性，導致材料變脆。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，也不會出現脆性斷裂現象。但處于低溫工作環境的容器，其材料很容易變脆，所以，在沖擊韌性下降的情況下，就會導致其脆性斷裂。所以，在設計時，要適當提高母材的沖擊韌性指標，這樣在實際焊接時才能保持足夠的沖擊韌性，以免出現脆性斷裂現象。同時，在焊接時，應盡可能地采用手工焊，利用小電流控制小的焊接線能量，以降低焊接熱產生的影響，降低對材料沖擊韌性造成的損傷。

2.3 正確選取焊接接頭系數

雖然焊縫中存在的缺陷會對焊縫的拉伸強度造成影響，但其不會對焊縫的壓縮強度造成影響，也不會影響到殼體的穩定性，所以，在對外壓穩定性進行計算時，不需要考慮焊接接頭系數。焊縫接頭系數總共有4種，即1.0，0.9，0.85，0.8.GB150標準中所規定的焊接接頭系數取1.0的容器，接頭系數只能選擇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，在其焊縫接頭系數取1.0時，根據強度計算而得的壁厚會比較薄，但根據其穩定性或剛性要求，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。焊接系數比較高時，需要支付的檢測費用和返修費用也比較高，所以，這種情況應選擇較小的接頭系數。如果接頭系數選取1.0，雖然會節省一部分材料，但會增加檢測費用和返修費用。如果選取較小的接頭系數，雖然能節省檢測和返修費用，但卻會增加材料的使用量。所以，要根據實際情況合理地選擇接頭系數，以提升其經濟性。

2.4 合理選擇拼縫焊接接頭系數

根據相關規定，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焊縫的無損情況。所以，有的人會認為封頭接頭系數應確定為1.實際上，如果將焊接接頭系數確定為1，則必須要進行100%的檢測，且射線檢測必須達到二級合格，超聲檢測必須達到一級合格。合格級別要根據整臺容器的具體要求來確定。因此，只有在整臺容器接頭系數為1的情況下，才能將封頭接頭系數確定為1.在封頭成形的過程中，會在過渡區出現很大的塑性變形，使此部位的焊縫出現開裂現象。因此，根據固容規的相關規定，此處的焊縫在成形以后還應該進行二次無損檢測。而此要求只針對過渡區的焊縫，不在過渡區的焊縫則不需要按照此要求操作。此外，對于t形頭的檢測，無論是在對整臺容器進行100%的無損檢測，還是對局部進行20%的無損檢測時，都必須要檢測到t形頭部位。

3 結束語

綜上所述，在對壓力容器進行設計時，要正確處理焊接頭中的殘余應力、合理控制熱影響區中組織和性能的變化、正確選取焊接接頭系數、合理選擇拼縫焊接接頭系數，以保證壓力容器的焊接質量，從而避免其對壓力容器的強度產生不良影響，以便維持壓力容器的正常工作。

參考文獻：

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