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摘要：压力容器是化工业的主要设备，通常在高温和高压的条件下进行工作。从某些方面来看，压力容器的质量取决于焊接质量。加强对焊接对压力容器强度的不良影响及设计对策的研究是十分有必要的。本文作者根据多年来的工作经验，对焊接对压力容器强度的不良影响及设计对策进行了研究，具有重要的参考意义。
关键词: 焊接缺陷 残余应力 焊接接头系数 焊接接头型式
中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：
0.引言
压力容器是化工业的主要设备，通常在高温和高压的条件下进行工作。从某些方面来看，压力容器的质量取决于焊接质量。根据全面质量管理的特点和要求，压力容器的制造过程依次是：设计、工艺、材料、焊接、热处理、检验、理化以及无损检验等，在这几个质量系统中，焊接质量控制系统是最重要的质量控制系统。所以加强对焊接对压力容器强度的不良影响及设计对策的研究是十分有必要的。
1 焊缝金属中的焊接缺陷
压力容器焊接的质量缺陷有两种，一种是外部缺陷，另一种是内部缺陷。如，不合格的焊接尺寸，咬边和表面飞溅等属于外部缺陷，气孔、裂纹、未熔合等属于内部缺陷。影响压力容器最严重的缺陷是裂纹，它是质量系统中应重点检验的。
不合格的焊接尺寸主要表现在过窄的焊缝宽度，究其原因应是设备焊接的电流小，或者是过长的焊弧，这样造成了金属熔化以后，形成了很小的熔池，致使钢水流动不畅。咬边是由比较高的电弧热量和不合适的角度造成的，熔敷的金属并没有补充给焊缝边熔化后所留下的缺口。表面飞溅是焊接工作没有在规范的操作下进行造成的，还有就是使用受损焊条材料。
焊接缺陷的内部原因也是由一些因素造成的，例如，气孔的产生有很多原因，主要的原因表现在填充处的金属表面上有油污，还有过快的熔池速度，还有一点不能忽视，焊接工作周围的环境潮湿，气孔是焊接内部缺陷最常见的缺陷，同时它还是造成焊接后裂纹产生的主要因素。实际焊接工作过程中，人机工作性能、状况和选用材料等都是影响压力容器焊接缺陷的因素，各种各样的因素综合在一起让人们很难把握，不过有过硬的技术作为保障，在规范的焊接工艺流程中，这些缺陷避免的可能性就大。
2 焊接接头中的残余应力
电弧焊焊接接头是利用电弧作为高温热源进行局部加热而形成。熔融的焊缝金属经过一次结晶变成高温的固态焊缝金属，再经过二次结晶变成常温的固态金属，在结晶过程中焊缝金属要产生收缩，但它会受到母材的约束( 称为拘束) ，由此在焊缝金属与母材之间产生了一种焊缝要收缩但母材阻止其收缩的状况，两者变形协调引起的应力即为焊接残余应力。根据应力测定，焊接残余应力可以达到很高的数值，甚至达到材料屈服点的应力水平。但由于焊接残余应力是一种自平衡的二次应力，它使焊缝受拉伸，母材受压缩，它不会降低容器的承载能力，即不影響容器的静强度。此外二次应力的破坏必须存在反复的循环加卸载条件。而焊接残余应力并不会反复循环，为此它也不会自行破坏，即不会失去平衡。即这种应力对一般容器的强度不会产生影响，因此一般容器设计中可不考虑这种应力的作用。但这种局部高应力会对容器产生影响而必须加以考虑。
首先是对有可能发生脆性断裂的容器，特别是高强钢制作的容器，如铬钼钢，σb≥540 MPa 的高强钢材料，它们的强度很高，但其塑性较差，这种材料对局部高应力非常敏感，有可能诱发脆性断裂。其次对低温容器，材料为低温会变脆，也容易诱发脆性断裂。另外尚有应力腐蚀的容器，高毒、极毒容器和壁厚过厚的容器及焊有分程隔板的换热器管箱等也都须严格控制残余应力。为此对上述容器在设计中都要考虑焊接残余应力的影响，应采取焊后消除残余应力的热处理。
3 热影响区中组织和性能的变化
焊接时焊缝相当于一个高温金属熔池，焊缝的高热使母材近焊缝区的材料受到高温的加热，导致晶粒长大，使材料力学性能下降，其中冲击韧性受到很大损伤，从而使材料变脆。对非低温下工作的容器，材料的塑性和韧性都较好，所以受焊接影响虽使热影响区材料的冲击韧性有所下降，但并不会导致脆性断裂。但对在低温下工作的容器，材料本身就会变脆，加上这种不良影响很可能诱发脆性断裂。由于这种影响是不可避免的，为了确保焊接后，母材热影响区材料仍有足够的冲击韧性，采取的对策是预先提高母材的冲击韧性指标，以确保焊后仍能保持住足够的冲击韧性。根据经验，一般应留有相当的韧性储备，即一倍以上的富裕量就可确保焊后满足一定的韧性指标。
为了尽可能降低焊接对母材造成的冲击韧性的损伤，在焊接中应尽量减少焊缝的热影响区。为此焊接应采用手工焊，小电流，控制小的焊接线能量，细焊丝、多焊道等焊接工艺，精工细作，减少焊接热影响，减小材料冲击韧性的损伤，避免脆断的发生。
综上所述，焊接对容器带来三方面的不良影响: 在焊缝中产生的缺陷，是所有压力容器都要考虑的，通常焊接接头系数加以体现; 而对焊接残余应力主要在一些特殊容器设计中应加以考虑; 对热影响区冲击韧性损伤的影响，在低温容器设计中必须特别考虑。
4 焊接接头系数的选取
焊缝中的缺陷固然影响焊缝的拉伸强度，但它并不影响焊缝的压缩强度，更不会影响壳体( 如筒体、封头) 的稳定性，为此在外压稳定计算中不涉及焊缝的焊接接头系数。GB 150中焊缝接 头 系 数 分 为 四 种: 1．0、0． 9、0． 85、0． 8。这些接头系数都只适用于对接焊缝。对容器的设计，接头系数的选取是容器设计的首要问题，因为它涉及元件壁厚的计算。焊缝接头系数可按以下原则确定:
( 1) 必须取 1． 0 的情况GB 150 等标准中规定焊接接头系数取 1． 0 的容器，则无商量考虑余地，接头系数必须取 1． 0。
( 2) 取 1． 0 无意义的情况对由稳定控制的外压容器和受刚性控制的容器( 如换热器壳程筒体) ，如焊接接头系数取 1． 0，虽由强度计算所得的壁厚可较薄，但因稳定或刚性要求致容器最终壁厚仍取较厚，所以此时接头系数取 1． 0 是无意义的。相反较高的接头系数须付出较多的检测和返修费用。此时选用较小接头系数是合理的。
( 3) 综合选取的情况
此时应进行权衡，接头系数取 1． 0，其收益是省材，但付出代价是增加检测和返修费用。相反接头系数取小，可省检测和返修费用，但要多化材料费用，究竟何者为宜，应进行经济比较。
5 封头拼缝焊接接头系数
“固容规”规定，拼接封头的焊缝必须100% 无损检测，且在封头成形后对处过渡区的焊缝仍应重新无损检测。于是有人理解为既然封头焊缝 100%检测，并成形后又经复检，那么封头接头系数必然为 1。
焊接接头系数取 1 的条件，不仅要满足检测比例 100%，而且还要满足合格级别，对射线检测是Ⅱ级合格，对超声检测是Ⅰ级合格。而此合格级别是随整台容器要求的，所以只有在整台容器接头系数为 1 时，封头接头系数才是 1。封头在成形过程中，过渡区会产生很大的塑性变形，很可能使该部位的焊缝发生开裂，所以固容规规定，此处焊缝成形后要重新无损检测。但要注意的是它仅对过渡区焊缝提出此要求，对不在过渡区的焊缝则无此要求。
6T形接头检测要求
按固容规规定，对容器上的 T 形接头部位，无论整台容器 100%或局部 20%无损检测，此部位必须全部检测到。
参考文献:
［1］ 田锡唐． 焊接结构［M］． 北京: 机械工业出版社，1983: 4．
［2］ 蒋成禹． 材料加工原理［M］． 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，2001: 8．
［3］ 杨海涛． 压力容器的安全与强度计算［M］． 天津:天津科学技术出版社，1985: 6．
［4］ GB150—2011 压力容器［S］．
［5］ TSG R0004—2009 固定式压力容器安全技术察规程［S］
关键词: 焊接缺陷 残余应力 焊接接头系数 焊接接头型式
中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：
0.引言
压力容器是化工业的主要设备，通常在高温和高压的条件下进行工作。从某些方面来看，压力容器的质量取决于焊接质量。根据全面质量管理的特点和要求，压力容器的制造过程依次是：设计、工艺、材料、焊接、热处理、检验、理化以及无损检验等，在这几个质量系统中，焊接质量控制系统是最重要的质量控制系统。所以加强对焊接对压力容器强度的不良影响及设计对策的研究是十分有必要的。
1 焊缝金属中的焊接缺陷
压力容器焊接的质量缺陷有两种，一种是外部缺陷，另一种是内部缺陷。如，不合格的焊接尺寸，咬边和表面飞溅等属于外部缺陷，气孔、裂纹、未熔合等属于内部缺陷。影响压力容器最严重的缺陷是裂纹，它是质量系统中应重点检验的。
不合格的焊接尺寸主要表现在过窄的焊缝宽度，究其原因应是设备焊接的电流小，或者是过长的焊弧，这样造成了金属熔化以后，形成了很小的熔池，致使钢水流动不畅。咬边是由比较高的电弧热量和不合适的角度造成的，熔敷的金属并没有补充给焊缝边熔化后所留下的缺口。表面飞溅是焊接工作没有在规范的操作下进行造成的，还有就是使用受损焊条材料。
焊接缺陷的内部原因也是由一些因素造成的，例如，气孔的产生有很多原因，主要的原因表现在填充处的金属表面上有油污，还有过快的熔池速度，还有一点不能忽视，焊接工作周围的环境潮湿，气孔是焊接内部缺陷最常见的缺陷，同时它还是造成焊接后裂纹产生的主要因素。实际焊接工作过程中，人机工作性能、状况和选用材料等都是影响压力容器焊接缺陷的因素，各种各样的因素综合在一起让人们很难把握，不过有过硬的技术作为保障，在规范的焊接工艺流程中，这些缺陷避免的可能性就大。
2 焊接接头中的残余应力
电弧焊焊接接头是利用电弧作为高温热源进行局部加热而形成。熔融的焊缝金属经过一次结晶变成高温的固态焊缝金属，再经过二次结晶变成常温的固态金属，在结晶过程中焊缝金属要产生收缩，但它会受到母材的约束( 称为拘束) ，由此在焊缝金属与母材之间产生了一种焊缝要收缩但母材阻止其收缩的状况，两者变形协调引起的应力即为焊接残余应力。根据应力测定，焊接残余应力可以达到很高的数值，甚至达到材料屈服点的应力水平。但由于焊接残余应力是一种自平衡的二次应力，它使焊缝受拉伸，母材受压缩，它不会降低容器的承载能力，即不影響容器的静强度。此外二次应力的破坏必须存在反复的循环加卸载条件。而焊接残余应力并不会反复循环，为此它也不会自行破坏，即不会失去平衡。即这种应力对一般容器的强度不会产生影响，因此一般容器设计中可不考虑这种应力的作用。但这种局部高应力会对容器产生影响而必须加以考虑。
首先是对有可能发生脆性断裂的容器，特别是高强钢制作的容器，如铬钼钢，σb≥540 MPa 的高强钢材料，它们的强度很高，但其塑性较差，这种材料对局部高应力非常敏感，有可能诱发脆性断裂。其次对低温容器，材料为低温会变脆，也容易诱发脆性断裂。另外尚有应力腐蚀的容器，高毒、极毒容器和壁厚过厚的容器及焊有分程隔板的换热器管箱等也都须严格控制残余应力。为此对上述容器在设计中都要考虑焊接残余应力的影响，应采取焊后消除残余应力的热处理。
3 热影响区中组织和性能的变化
焊接时焊缝相当于一个高温金属熔池，焊缝的高热使母材近焊缝区的材料受到高温的加热，导致晶粒长大，使材料力学性能下降，其中冲击韧性受到很大损伤，从而使材料变脆。对非低温下工作的容器，材料的塑性和韧性都较好，所以受焊接影响虽使热影响区材料的冲击韧性有所下降，但并不会导致脆性断裂。但对在低温下工作的容器，材料本身就会变脆，加上这种不良影响很可能诱发脆性断裂。由于这种影响是不可避免的，为了确保焊接后，母材热影响区材料仍有足够的冲击韧性，采取的对策是预先提高母材的冲击韧性指标，以确保焊后仍能保持住足够的冲击韧性。根据经验，一般应留有相当的韧性储备，即一倍以上的富裕量就可确保焊后满足一定的韧性指标。
为了尽可能降低焊接对母材造成的冲击韧性的损伤，在焊接中应尽量减少焊缝的热影响区。为此焊接应采用手工焊，小电流，控制小的焊接线能量，细焊丝、多焊道等焊接工艺，精工细作，减少焊接热影响，减小材料冲击韧性的损伤，避免脆断的发生。
综上所述，焊接对容器带来三方面的不良影响: 在焊缝中产生的缺陷，是所有压力容器都要考虑的，通常焊接接头系数加以体现; 而对焊接残余应力主要在一些特殊容器设计中应加以考虑; 对热影响区冲击韧性损伤的影响，在低温容器设计中必须特别考虑。
4 焊接接头系数的选取
焊缝中的缺陷固然影响焊缝的拉伸强度，但它并不影响焊缝的压缩强度，更不会影响壳体( 如筒体、封头) 的稳定性，为此在外压稳定计算中不涉及焊缝的焊接接头系数。GB 150中焊缝接 头 系 数 分 为 四 种: 1．0、0． 9、0． 85、0． 8。这些接头系数都只适用于对接焊缝。对容器的设计，接头系数的选取是容器设计的首要问题，因为它涉及元件壁厚的计算。焊缝接头系数可按以下原则确定:
( 1) 必须取 1． 0 的情况GB 150 等标准中规定焊接接头系数取 1． 0 的容器，则无商量考虑余地，接头系数必须取 1． 0。
( 2) 取 1． 0 无意义的情况对由稳定控制的外压容器和受刚性控制的容器( 如换热器壳程筒体) ，如焊接接头系数取 1． 0，虽由强度计算所得的壁厚可较薄，但因稳定或刚性要求致容器最终壁厚仍取较厚，所以此时接头系数取 1． 0 是无意义的。相反较高的接头系数须付出较多的检测和返修费用。此时选用较小接头系数是合理的。
( 3) 综合选取的情况
此时应进行权衡，接头系数取 1． 0，其收益是省材，但付出代价是增加检测和返修费用。相反接头系数取小，可省检测和返修费用，但要多化材料费用，究竟何者为宜，应进行经济比较。
5 封头拼缝焊接接头系数
“固容规”规定，拼接封头的焊缝必须100% 无损检测，且在封头成形后对处过渡区的焊缝仍应重新无损检测。于是有人理解为既然封头焊缝 100%检测，并成形后又经复检，那么封头接头系数必然为 1。
焊接接头系数取 1 的条件，不仅要满足检测比例 100%，而且还要满足合格级别，对射线检测是Ⅱ级合格，对超声检测是Ⅰ级合格。而此合格级别是随整台容器要求的，所以只有在整台容器接头系数为 1 时，封头接头系数才是 1。封头在成形过程中，过渡区会产生很大的塑性变形，很可能使该部位的焊缝发生开裂，所以固容规规定，此处焊缝成形后要重新无损检测。但要注意的是它仅对过渡区焊缝提出此要求，对不在过渡区的焊缝则无此要求。
6T形接头检测要求
按固容规规定，对容器上的 T 形接头部位，无论整台容器 100%或局部 20%无损检测，此部位必须全部检测到。
参考文献:
［1］ 田锡唐． 焊接结构［M］． 北京: 机械工业出版社，1983: 4．
［2］ 蒋成禹． 材料加工原理［M］． 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，2001: 8．
［3］ 杨海涛． 压力容器的安全与强度计算［M］． 天津:天津科学技术出版社，1985: 6．
［4］ GB150—2011 压力容器［S］．
［5］ TSG R0004—2009 固定式压力容器安全技术察规程［S］