容器壳体焊接接头系数问题的探讨

陈 艳

（广东省机械研究所，广东广州 510635）

0 前言

焊接是容器制造过程中的重要环节，焊接时焊缝热影响区存在焊接残余应力，焊缝金属晶粒粗大，焊缝内可能存在气孔、夹渣、裂纹以及抽验可能使缺陷漏检等原因，影响焊接强度，因此，压力容器在计算壁厚时，应该考虑焊接的影响，由此引出了焊接接头系数。焊接接头系数的大小与焊接接头型式、焊接工艺及无损检测的严格程度有关。所以，压力容器按规则设计时，为确保容器设计的安全性、合理性以及经济性，应对焊接接头系数正确取值。而实际上焊接接头系数只是工程中总结出来的一个经验数据，通过用焊接系数折合焊缝处材料许用应力来保证焊缝质量的可靠程度，并不是真正反映焊缝处材料强度被削弱的程度。文章依据压力容器规则设计的相关标准规范，针对钢制容器探讨焊接接头系数。

1 焊接接头系数的定义与运用分析

1.1 焊接接头系数的定义

焊接接头指两个或两个以上零件要用焊接组合的接点，或指两个或两个以上零件用焊接方法连接的接头。一般由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成，如图1所示。各区有不同的组织和性能。焊缝，由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成，因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，晶粒粗大、成分偏析、组织不致密，影响焊缝的力学性能；熔合区，化学成分不均匀，组织粗大，因而塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，其性能常常是焊接接头中最薄弱的；热影响区，焊接热流作用下母材短时从室温到高温，尔后又经过冷却的过程，使得金属晶粒粗大，存在残余应力，使强度或塑性明显降低。所以提出焊接接头系数的概念，以补偿焊接时可能产生的强度削弱。焊接接头系数ϕ=焊缝金属强度/母材金属强度≤1，它是考虑对容器强度的削弱，用以降低设计许用应力的系数。

图1 焊接接头

1.2 焊接接头系数的运用分析

焊接接头系数是依据对接接头单面焊还是双面焊的不同情况以及无损检测比例要求来确定的。在容器焊接接头中，主要是以两种对接焊接接头为主，即纵向对接焊接接头和环向对接焊接接头。因此在容器强度计算中引用两个焊接接头系数，即纵向焊接接头系数和环向焊接接头系数，计算公式中需采用哪种焊接接头系数应从计算时所针对的应力进行考虑。

根据薄壁圆筒的应力分析可知，圆筒的纵向剖面主要是承受环向应力，所以说纵向焊接接头主要承受的是环向应力，与之相关联的则应是纵向焊接接头系数，因此依据环向应力确定承压圆筒的计算厚度时，应考虑的是纵向焊接接头系数，如GB150中圆筒壳体的计算中径公式：是根据环向应力推导出的，因此，在此公式中的ϕ应用纵向焊接接头系数代入计算（符号说明：δ为壳体计算厚度，[σ]t为壳体材料许用应力，Di为壳体内径，Pc为计算压力，ϕ为焊接接头系数）。相应的圆筒的环向剖面主要是承受轴向应力，所以说环向焊接接头主要承受是轴向应力，与之相关联的则应是环向焊接接头系数，因此承压圆筒对轴向应力进行校核计算时，应考虑的是环向焊接接头系数，如卧式容器和塔式容器的轴向应力校核时，应使用环向焊接接头系数。

对于球壳体或凸形封头（包括球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头）的球面部分，由于球壳的几何结构，球面上各点的曲率半径均相等，因此没有轴向和环向之分，球壳上所有拼接接头都是承受相同的整体薄膜应力，其应力分布规律都是相同的。并没有纵向、环向焊接接头之别。因此，它的厚度计算公式中的焊接接头系数包括所有拼接接头的焊接接头系数，特别是也包括球壳与圆筒相连接的环向接头在内（此接头属于按GB150［1］划分的A类焊接接头，应与纵向焊接接头等同），都应取同一焊接接头系数，并满足相同的焊接接头型式和无损检测要求。

2 焊接接头系数的取值

焊接接头的焊缝结构、焊接材料以及焊接质量直接影响焊缝的强度。设计时应根据母材的可焊性和焊接件的结构，选择合适的焊接材料和焊接工艺之后，按受压元件的焊接接头型式以及无损检测的比例确定焊接接头系数。焊接接头系数只为压力容器强度计算所用，不能以焊接接头系数值的高低来推定无损检测长度比例或焊接型式。

GB150.4—2011 10.3.4条：对容器直径不超过800 mm的圆筒与封头的最后一道环向封闭焊缝，当采用不带垫板的单面焊对接接头，且无法进行射线或超声检测时，允许不进行检测，但需采用气体保护焊打底［1］。此时，焊接接头系数可以取0.6。GB150.1～150.4-2011对钢制容器焊接接头系数的规定取值如下。

（1）双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：100%无损检测，取ϕ=1.0；局部无损检测，取ϕ=0.85。

（2）单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）：100%无损检测，取ϕ=0.9；局部无损检测，取 ϕ =0.8［1］。

2.1 封头焊接接头系数的取值

（1） 整体成形的凸形封头：ϕ=1.0，整张钢板压制的小直径封头，由于不存在焊接接头，无焊接缺陷可言，强度计算公式中就取ϕ=1.0代入计算。

（2） 先拼焊后成形的凸形封头：100%无损检 测 （ 按 JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-II或UT-Ⅰ级合格），取ϕ=1.0；

100%无 损 检 测 （按 JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-III或UT-II级合格），取 ϕ=0.85。

例如筒体为全部(100%)无损检测，按JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-II或 UT-I级 合 格 ，ϕ=1.0，那么，封头的焊接接头系数应和筒体一致，取ϕ=1.0；如果筒体为局部无损检测，按JB/T4730.2～4730.3—2005 RT-III或 UT-II级合格，ϕ=0.85，那么，封头的焊接接头系数应和筒体一致，也取ϕ=0.85。这是考虑到先拼接焊后成形的凸形封头在成形过程中的拼接焊接接头将发生比较大的弯曲、变形及表面裂纹等缺陷。所以为了保证其焊接接头的质量，要求对先拼接焊后成形的凸形封头进行100%射线或超声检测，但合格级别应与筒体的无损检测合格级别一致［2］。

（3）先成形后拼焊的凸形封头，焊接接头系数的取值则与圆筒壳体的取值相一致。

2.2 圆筒焊接接头系数的取值

内压圆筒的强度计算一般是考虑圆筒承受起控制作用的一次薄膜应力进行计算的，即厚度计算公式是根据圆筒中周向总体（一次）薄膜应力（即最大主应力）的强度导出，由此可知，公式中的焊接接头系数应为圆筒的纵向接接头系数。在实际工程中，圆筒环向焊接接头中往往也有环向（周向）薄膜应力的存在，但此时的环向应力不同于纵向接头中的环向应力，它是由于结构的不连续而产生的一次薄膜应力，这种应力是属于局部薄膜应力［3］，而不是总体薄膜应力。经过大量实践经验可知，只要保证了筒体上的总体薄膜应力，那么，这种局部薄膜应力是能够自动满足的，因此按规则设计内压圆筒时不必再另行考虑环向焊接接头中的这种局部应力的影响。

内压圆筒中主要存在纵向和环向两种焊接接头，与之对应有两种焊接接头系数，为了保证整个圆筒安全可靠，一般尽量将两种焊接接头焊接质量水平相一致，即使两种焊接接头系数的取值相同，若制造上某条焊缝（如筒体与封头之间的最后一道合拢缝）无法做到与同腔壳体上的其他对接焊接接头条件要求时，可允许与纵向焊接接头的不同，即可按GB150.4-2011 10.3.4条规定执行。此时环向焊接接头系数可以与纵向的不同，甚至比纵向焊接接头系数小，但计算圆筒厚度时，仍是以纵向焊接接头系数进行计算。因为，圆筒中的环向应力是轴向应力的2倍，虽然环向焊接接头系数可能比纵向焊接接头系数小，但只要其纵向、环向焊接接头系数比不小于2倍，都还是纵向焊接接头系数起控制作用。另外，当采用无缝钢管制作筒体时，由于不存在焊接接头，此时焊接接头系数应取ϕ=1.0。

3 结束语

综上所述，在压力容器中，纵向焊接接头相比环向焊接接头是较危险的，虽然焊接工艺，检测手段都是一致的，而从焊接接头的受力情况可知［4-5］，一旦发生变形破裂，首先是从纵向焊接接头开始，所以应最先保证的是纵向焊接接头质量。但也不能忽视环向焊接接头的重要性。所以说焊接接头是压力容器及其受压元件上的薄弱部位，通过焊接接头系数折算许用应力来保证其强度。焊接接头系数综合反映了容器壳体焊接接头处由于焊接缺陷、焊材和焊接残余应力等因素使焊接接头强度受影响的程度。压力容器设计中的焊接接头系数是关键的设计数据之一，设计时应正确理解和掌握焊接接头系数的概念和含义及其选取，避免设计中重大原则性错误的发生。

［1］GB150.1～150.4-2011.压力容器［S］.

［2］GB/T25198-2010.压力容器封头［S］.

［3］JB4732-95.钢制压力容器——分析设计标准［S］.

［4］郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计 ［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［5］张哲明，胡正祥.锅炉压力容器安全工程学［M］.北京：机械工业出版社，1986.