和麗鋒

（七冶壓力容器廠，貴州 貴陽 550014）

壓力容器殼體制造過程中所產(chǎn)生的缺陷種類有很多，但從本人多年從事壓力容器生產(chǎn)制造的經(jīng)驗(yàn)來看，可主要?dú)w結(jié)為缺口、幾何形狀不連續(xù)及殘余應(yīng)力三類。以下分別介紹這三類主要缺陷的特性和對殼體安全的影響。

1 缺口的影響

大部分焊接缺陷，如咬邊、未焊透、氣孔、夾渣和焊縫凹陷等，都是在焊縫或焊縫附近形成缺口，它們通常從兩個方面影響殼體的安全。一方面是由于缺陷的存在，減少了焊縫的承載截面積，削弱了焊縫的靜力拉伸強(qiáng)度，嚴(yán)重時也會導(dǎo)致殼體的延性破壞。這種影響的嚴(yán)重程度主要取決于缺陷截面積的大小，可以直接計(jì)算，比較容易估計(jì)和評價。另一方面，也是主要的方面，是由于陷口的存在改變了缺口周圍的受力條件，不利于材料的塑性變形，使之趨于和處于脆性狀態(tài)，同時還引起缺口根部的應(yīng)力集中，易于產(chǎn)生裂紋和使裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致殼體的脆性破裂、疲勞破裂或應(yīng)力腐蝕破裂。

構(gòu)件由于存在缺口而引起應(yīng)力的不均勻分布，其嚴(yán)重程度常用應(yīng)力集中系數(shù)來表示，它等于截面上最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)力集中系數(shù)的大小取決于缺口的尖銳程度。缺口越尖銳，即缺口根部的曲率半徑越小，應(yīng)力分布越不均勻，應(yīng)力集中系數(shù)越大，越容易引起脆性的破壞。

估計(jì)和評價謀一類缺口對殼體安全可以產(chǎn)生的影響，除要考慮缺陷的大小及尖銳程度外，也要考慮殼體的制造材料和使用條件可能導(dǎo)致的破壞形式。就缺陷本身而言，上述帶有缺口的各類焊接缺陷對殼體安全可能產(chǎn)生的影響并不相同。

焊縫凹陷。嚴(yán)重時會削弱焊縫的靜載強(qiáng)度，但作為一種缺口，通常是平緩過度，即根部的曲率半徑較大，不會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

氣孔和夾渣。一般屬于體積型缺陷，可以減弱焊縫的承載截面積。但一些實(shí)驗(yàn)資料表明，氣孔率不大于7%可以忽略其對焊縫靜力強(qiáng)度的影響。而由于氣體和夾渣引起的應(yīng)力集中，對焊縫的疲勞強(qiáng)度有較明顯的影響，氣孔率超過3%，疲勞強(qiáng)度將下降50%左右。

對接焊縫的未焊透。在焊縫中形成明顯的缺口，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中。有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，未焊透厚度不超過焊件全厚度20%時，應(yīng)力集中系數(shù)保持為一常數(shù)，其值約為4～5；未焊透厚度超過焊件全厚度20%較多時，應(yīng)力集中系數(shù)隨未焊透厚度的增加而增大，一者成線性關(guān)系。所以，未焊透往往是脆性破裂和疲勞破裂的根源。

咬邊，咬邊是一種比較尖銳的缺口，根部應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，應(yīng)力集中系數(shù)?？梢源笥?，是僅次于裂紋的一種脆裂的根源。

焊接裂紋?？梢砸曌髯罴怃J的一種缺口，它的根部曲率半徑接近于零。殼體的脆性破裂事故有很多是由于焊接裂紋引起的。裂紋還會加劇疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕破壞，所以裂紋是焊接缺陷中最為嚴(yán)重的一種缺陷，也是鍋爐和壓力容器中最危險的一種缺陷。

2 幾何形狀不連續(xù)的影響

殼體幾何形狀的不連續(xù)，如表面凹凸不平，截面不圓和接縫角變形等，當(dāng)殼體承受壓力時會在殼體內(nèi)形成附加彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，導(dǎo)致局部應(yīng)力過高。

幾何形狀的不連續(xù)引起的附加應(yīng)力的大小，取決于不連續(xù)處的過渡情況。尺寸和形狀的突然變化可以引起很大的附加應(yīng)力，如果變化十分緩和，則附加應(yīng)力相應(yīng)較小。

截面不圓是筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與封頭接縫形成錯邊的原因之一。除此之外，不圓的筒體承受內(nèi)壓時，由于它的“趨圓”變形，在筒體內(nèi)要產(chǎn)生周向附加彎曲應(yīng)力。最大的周向彎曲應(yīng)力產(chǎn)生在長徑部位，其值可以按下式近似計(jì)算：

σb=(3/4)P ×(D/δ)2 ×(Dmax-Dmin)/D

式中：σb-由于筒體截面不圓產(chǎn)生的最大周向彎曲應(yīng)力，MPa；

P-筒體承受的內(nèi)壓，MPa；

D-筒體平均直徑，mm；

Dmax-不圓截面上的最大值徑，mm；

Dmin-不圓截面上的最小值徑，mm；

δ -壁厚，mm。

可以看出，如果截面不圓度過大，承受內(nèi)壓圓筒內(nèi)的附加彎曲應(yīng)力是不容忽視的。對于受外壓的圓筒，截面不圓會降低其臨界壓力，嚴(yán)重時會由此失去穩(wěn)定性而被壓癟。

表面局部凹陷和凸出所產(chǎn)生的影響，其嚴(yán)重程度決定于凹陷（或凸出）的大小和深度。一般說來，直徑越大深度越小，幾何形狀的變化就越平緩，對安全的影響也越小。在加工成形中所產(chǎn)生的凹凸不平，一般都是比較緩和的。

焊縫過份加強(qiáng)（凸起）也會造成局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，引起局部附加應(yīng)力。這種缺陷往往不被人們注意。它雖不會影響焊縫的靜力強(qiáng)度，但卻顯著降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。

接縫錯邊一般都在焊接時用熔注金屬填補(bǔ)過渡（如果未焊補(bǔ)過渡則應(yīng)視作缺口），但其形狀的變化仍然是比較明顯的，這種缺陷和接縫角變形都是在幾何形狀不連續(xù)中影響最大的缺陷。對于頻繁啟動和反復(fù)變載的殼體，錯邊和角變形主要降低它的疲勞強(qiáng)度，縮短疲勞壽命。嚴(yán)重的錯邊和角變形也可以直接造成殼體斷裂事故。

3 殘余應(yīng)力的影響

在殼體經(jīng)受焊接和冷加工（壓制、彎卷）之后，常常在殼體內(nèi)殘留有一部份內(nèi)應(yīng)力。即制造中或制成后的殼體在沒有承受壓力的情況下，一部分殼壁即處于有應(yīng)力的狀態(tài)中。這種殘余應(yīng)力有時可能很大，特別是焊接殘余應(yīng)力，在個別情況下，甚至可以接近或達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。殘余應(yīng)力不是殼體上的機(jī)械缺陷，但它常是導(dǎo)致缺陷的基本因素，它的存在同機(jī)械缺陷一樣，對殼體安全有十分不利的影響。

焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，是因?yàn)榻饘偃酆笗r，焊縫的熔注金屬是在熔融的狀態(tài)下填充在焊件的接縫中的，當(dāng)焊縫及其周圍的母材冷卻時，這些熔注的金屬就要收縮，但它以受到剛性焊件的限制，因而焊縫金屬沿長度方向即受到拉力，這就是殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的大小取決于焊件對焊縫收縮變形的約束程度。焊件越厚，剛性越大，焊后殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)也越復(fù)雜。冷加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力則與加工變形的程度有關(guān)，冷加工變形越大，殘余應(yīng)力也越越大。

殘余應(yīng)力有時可以大到使殼體產(chǎn)生裂紋或使裂紋擴(kuò)展的程度。如果所使用材料的韌性較差，就會在沒有外力的作用下使殼體自行破裂，或者使殼體產(chǎn)生裂紋，然后在承受壓力時產(chǎn)生破裂。留存在殼體內(nèi)的殘余應(yīng)力即使不至于產(chǎn)生裂紋，也會在殼體承壓后增大殼壁內(nèi)的應(yīng)力水平，加劇殼體的疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕破壞。