陳 艷

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

0 前言

焊接是容器制造過程中的重要環(huán)節(jié)，焊接時(shí)焊縫熱影響區(qū)存在焊接殘余應(yīng)力，焊縫金屬晶粒粗大，焊縫內(nèi)可能存在氣孔、夾渣、裂紋以及抽驗(yàn)可能使缺陷漏檢等原因，影響焊接強(qiáng)度，因此，壓力容器在計(jì)算壁厚時(shí)，應(yīng)該考慮焊接的影響，由此引出了焊接接頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)的大小與焊接接頭型式、焊接工藝及無損檢測(cè)的嚴(yán)格程度有關(guān)。所以，壓力容器按規(guī)則設(shè)計(jì)時(shí)，為確保容器設(shè)計(jì)的安全性、合理性以及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)對(duì)焊接接頭系數(shù)正確取值。而實(shí)際上焊接接頭系數(shù)只是工程中總結(jié)出來的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過用焊接系數(shù)折合焊縫處材料許用應(yīng)力來保證焊縫質(zhì)量的可靠程度，并不是真正反映焊縫處材料強(qiáng)度被削弱的程度。文章依據(jù)壓力容器規(guī)則設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)鋼制容器探討焊接接頭系數(shù)。

1 焊接接頭系數(shù)的定義與運(yùn)用分析

1.1 焊接接頭系數(shù)的定義

焊接接頭指兩個(gè)或兩個(gè)以上零件要用焊接組合的接點(diǎn)，或指兩個(gè)或兩個(gè)以上零件用焊接方法連接的接頭。一般由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成，如圖1所示。各區(qū)有不同的組織和性能。焊縫，由熔池的液態(tài)金屬凝固結(jié)晶而成，通常由填充金屬和部分母材金屬組成，因結(jié)晶是從熔池邊緣的半熔化區(qū)開始的，低熔點(diǎn)的硫磷雜質(zhì)和氧化鐵等易偏析集中在焊縫中心區(qū)，晶粒粗大、成分偏析、組織不致密，影響焊縫的力學(xué)性能；熔合區(qū)，化學(xué)成分不均勻，組織粗大，因而塑性差、強(qiáng)度低、脆性大、易產(chǎn)生焊接裂紋，其性能常常是焊接接頭中最薄弱的；熱影響區(qū)，焊接熱流作用下母材短時(shí)從室溫到高溫，爾后又經(jīng)過冷卻的過程，使得金屬晶粒粗大，存在殘余應(yīng)力，使強(qiáng)度或塑性明顯降低。所以提出焊接接頭系數(shù)的概念，以補(bǔ)償焊接時(shí)可能產(chǎn)生的強(qiáng)度削弱。焊接接頭系數(shù)?=焊縫金屬?gòu)?qiáng)度/母材金屬?gòu)?qiáng)度≤1，它是考慮對(duì)容器強(qiáng)度的削弱，用以降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的系數(shù)。

圖1 焊接接頭

1.2 焊接接頭系數(shù)的運(yùn)用分析

焊接接頭系數(shù)是依據(jù)對(duì)接接頭單面焊還是雙面焊的不同情況以及無損檢測(cè)比例要求來確定的。在容器焊接接頭中，主要是以兩種對(duì)接焊接接頭為主，即縱向?qū)雍附咏宇^和環(huán)向?qū)雍附咏宇^。因此在容器強(qiáng)度計(jì)算中引用兩個(gè)焊接接頭系數(shù)，即縱向焊接接頭系數(shù)和環(huán)向焊接接頭系數(shù)，計(jì)算公式中需采用哪種焊接接頭系數(shù)應(yīng)從計(jì)算時(shí)所針對(duì)的應(yīng)力進(jìn)行考慮。

根據(jù)薄壁圓筒的應(yīng)力分析可知，圓筒的縱向剖面主要是承受環(huán)向應(yīng)力，所以說縱向焊接接頭主要承受的是環(huán)向應(yīng)力，與之相關(guān)聯(lián)的則應(yīng)是縱向焊接接頭系數(shù)，因此依據(jù)環(huán)向應(yīng)力確定承壓圓筒的計(jì)算厚度時(shí)，應(yīng)考慮的是縱向焊接接頭系數(shù)，如GB150中圓筒殼體的計(jì)算中徑公式：是根據(jù)環(huán)向應(yīng)力推導(dǎo)出的，因此，在此公式中的?應(yīng)用縱向焊接接頭系數(shù)代入計(jì)算（符號(hào)說明：δ為殼體計(jì)算厚度，[σ]t為殼體材料許用應(yīng)力，Di為殼體內(nèi)徑，Pc為計(jì)算壓力，?為焊接接頭系數(shù)）。相應(yīng)的圓筒的環(huán)向剖面主要是承受軸向應(yīng)力，所以說環(huán)向焊接接頭主要承受是軸向應(yīng)力，與之相關(guān)聯(lián)的則應(yīng)是環(huán)向焊接接頭系數(shù)，因此承壓圓筒對(duì)軸向應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮的是環(huán)向焊接接頭系數(shù)，如臥式容器和塔式容器的軸向應(yīng)力校核時(shí)，應(yīng)使用環(huán)向焊接接頭系數(shù)。

對(duì)于球殼體或凸形封頭（包括球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭）的球面部分，由于球殼的幾何結(jié)構(gòu)，球面上各點(diǎn)的曲率半徑均相等，因此沒有軸向和環(huán)向之分，球殼上所有拼接接頭都是承受相同的整體薄膜應(yīng)力，其應(yīng)力分布規(guī)律都是相同的。并沒有縱向、環(huán)向焊接接頭之別。因此，它的厚度計(jì)算公式中的焊接接頭系數(shù)包括所有拼接接頭的焊接接頭系數(shù)，特別是也包括球殼與圓筒相連接的環(huán)向接頭在內(nèi)（此接頭屬于按GB150［1］劃分的A類焊接接頭，應(yīng)與縱向焊接接頭等同），都應(yīng)取同一焊接接頭系數(shù)，并滿足相同的焊接接頭型式和無損檢測(cè)要求。

2 焊接接頭系數(shù)的取值

焊接接頭的焊縫結(jié)構(gòu)、焊接材料以及焊接質(zhì)量直接影響焊縫的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)母材的可焊性和焊接件的結(jié)構(gòu)，選擇合適的焊接材料和焊接工藝之后，按受壓元件的焊接接頭型式以及無損檢測(cè)的比例確定焊接接頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)只為壓力容器強(qiáng)度計(jì)算所用，不能以焊接接頭系數(shù)值的高低來推定無損檢測(cè)長(zhǎng)度比例或焊接型式。

GB150.4—2011 10.3.4條：對(duì)容器直徑不超過800 mm的圓筒與封頭的最后一道環(huán)向封閉焊縫，當(dāng)采用不帶墊板的單面焊對(duì)接接頭，且無法進(jìn)行射線或超聲檢測(cè)時(shí)，允許不進(jìn)行檢測(cè)，但需采用氣體保護(hù)焊打底［1］。此時(shí)，焊接接頭系數(shù)可以取0.6。GB150.1～150.4-2011對(duì)鋼制容器焊接接頭系數(shù)的規(guī)定取值如下。

（1）雙面焊對(duì)接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭：100%無損檢測(cè)，取?=1.0；局部無損檢測(cè)，取?=0.85。

（2）單面焊對(duì)接接頭（沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板）：100%無損檢測(cè)，取?=0.9；局部無損檢測(cè)，取 ? =0.8［1］。

2.1 封頭焊接接頭系數(shù)的取值

（1） 整體成形的凸形封頭：?=1.0，整張鋼板壓制的小直徑封頭，由于不存在焊接接頭，無焊接缺陷可言，強(qiáng)度計(jì)算公式中就取?=1.0代入計(jì)算。

（2） 先拼焊后成形的凸形封頭：100%無損檢 測(cè) （ 按 JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-II或UT-Ⅰ級(jí)合格），取?=1.0；

100%無 損 檢 測(cè) （按 JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-III或UT-II級(jí)合格），取 ?=0.85。

例如筒體為全部(100%)無損檢測(cè)，按JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-II或 UT-I級(jí) 合 格 ，?=1.0，那么，封頭的焊接接頭系數(shù)應(yīng)和筒體一致，取?=1.0；如果筒體為局部無損檢測(cè)，按JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-III或 UT-II級(jí)合格，?=0.85，那么，封頭的焊接接頭系數(shù)應(yīng)和筒體一致，也取?=0.85。這是考慮到先拼接焊后成形的凸形封頭在成形過程中的拼接焊接接頭將發(fā)生比較大的彎曲、變形及表面裂紋等缺陷。所以為了保證其焊接接頭的質(zhì)量，要求對(duì)先拼接焊后成形的凸形封頭進(jìn)行100%射線或超聲檢測(cè)，但合格級(jí)別應(yīng)與筒體的無損檢測(cè)合格級(jí)別一致［2］。

（3）先成形后拼焊的凸形封頭，焊接接頭系數(shù)的取值則與圓筒殼體的取值相一致。

2.2 圓筒焊接接頭系數(shù)的取值

內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度計(jì)算一般是考慮圓筒承受起控制作用的一次薄膜應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的，即厚度計(jì)算公式是根據(jù)圓筒中周向總體（一次）薄膜應(yīng)力（即最大主應(yīng)力）的強(qiáng)度導(dǎo)出，由此可知，公式中的焊接接頭系數(shù)應(yīng)為圓筒的縱向接接頭系數(shù)。在實(shí)際工程中，圓筒環(huán)向焊接接頭中往往也有環(huán)向（周向）薄膜應(yīng)力的存在，但此時(shí)的環(huán)向應(yīng)力不同于縱向接頭中的環(huán)向應(yīng)力，它是由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)而產(chǎn)生的一次薄膜應(yīng)力，這種應(yīng)力是屬于局部薄膜應(yīng)力［3］，而不是總體薄膜應(yīng)力。經(jīng)過大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，只要保證了筒體上的總體薄膜應(yīng)力，那么，這種局部薄膜應(yīng)力是能夠自動(dòng)滿足的，因此按規(guī)則設(shè)計(jì)內(nèi)壓圓筒時(shí)不必再另行考慮環(huán)向焊接接頭中的這種局部應(yīng)力的影響。

內(nèi)壓圓筒中主要存在縱向和環(huán)向兩種焊接接頭，與之對(duì)應(yīng)有兩種焊接接頭系數(shù)，為了保證整個(gè)圓筒安全可靠，一般盡量將兩種焊接接頭焊接質(zhì)量水平相一致，即使兩種焊接接頭系數(shù)的取值相同，若制造上某條焊縫（如筒體與封頭之間的最后一道合攏縫）無法做到與同腔殼體上的其他對(duì)接焊接接頭條件要求時(shí)，可允許與縱向焊接接頭的不同，即可按GB150.4-2011 10.3.4條規(guī)定執(zhí)行。此時(shí)環(huán)向焊接接頭系數(shù)可以與縱向的不同，甚至比縱向焊接接頭系數(shù)小，但計(jì)算圓筒厚度時(shí)，仍是以縱向焊接接頭系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)椋瑘A筒中的環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍，雖然環(huán)向焊接接頭系數(shù)可能比縱向焊接接頭系數(shù)小，但只要其縱向、環(huán)向焊接接頭系數(shù)比不小于2倍，都還是縱向焊接接頭系數(shù)起控制作用。另外，當(dāng)采用無縫鋼管制作筒體時(shí)，由于不存在焊接接頭，此時(shí)焊接接頭系數(shù)應(yīng)取?=1.0。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在壓力容器中，縱向焊接接頭相比環(huán)向焊接接頭是較危險(xiǎn)的，雖然焊接工藝，檢測(cè)手段都是一致的，而從焊接接頭的受力情況可知［4-5］，一旦發(fā)生變形破裂，首先是從縱向焊接接頭開始，所以應(yīng)最先保證的是縱向焊接接頭質(zhì)量。但也不能忽視環(huán)向焊接接頭的重要性。所以說焊接接頭是壓力容器及其受壓元件上的薄弱部位，通過焊接接頭系數(shù)折算許用應(yīng)力來保證其強(qiáng)度。焊接接頭系數(shù)綜合反映了容器殼體焊接接頭處由于焊接缺陷、焊材和焊接殘余應(yīng)力等因素使焊接接頭強(qiáng)度受影響的程度。壓力容器設(shè)計(jì)中的焊接接頭系數(shù)是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之一，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確理解和掌握焊接接頭系數(shù)的概念和含義及其選取，避免設(shè)計(jì)中重大原則性錯(cuò)誤的發(fā)生。

［1］GB150.1～150.4-2011.壓力容器［S］.

［2］GB/T25198-2010.壓力容器封頭［S］.

［3］JB4732-95.鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［5］張哲明，胡正祥.鍋爐壓力容器安全工程學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.