焊接对压力容器强度的不良影响及设计对策

2018-11-30张伟

科技与创新 2018年10期

张伟

（中海油石化工程有限公司，山东济南 250101）

在压力容器的制造过程中会经历多环节，包括对压力容器的设计、合理选择制造工艺和材料、焊接和热处理、检验等。其中，焊接环节决定着压力容器的质量，影响着其强度。所以，在对压力容器进行设计时，应充分考虑焊接对压力容器强度的不良影响。

1 焊接对压力容器强度的不良影响

在压力容器焊接过程中，外部和内部都可能会出现一些缺陷，使得压力容器的强度受到影响。比如，焊接尺寸不对、咬边不好、表面飞溅等，这些缺陷都是比较常见的外部缺陷。而比较常见的内部缺陷则有气孔、裂纹、未熔合等。其中，对压力容器质量影响最大的是裂纹，所以，在对压力容器进行检验时，应将裂纹作为重点检验对象。如果焊接时候的电流过小或焊弧偏长，都会在金属融化后形成很小的熔池，导致钢水的流动受阻，引起焊接尺寸不合格。咬边问题是电弧热量过高或角度不合适等引起的。而表面飞溅则是因为在焊接过程中存在不规范操作，或所使用的焊条材料本身就已经受损。内部缺陷的存在可能是多方面因素造成的。

2 完善对策

2.1 正确处理焊接头中的残余应力

将电弧作为高温热源，对局部进行加热就可以形成电弧焊接接头。在熔融的焊缝金属经过1次结晶以后，其就会转变为高温的固态焊缝金属；在经过2次结晶后，又能成为正常温度下的固态金属。在焊缝金属结晶的过程中，会形成收缩，但在收缩过程中母材会对其形成一定的约束。因此，两者之间就会出现母材阻止焊缝收缩的情况，在对变形进行协调的过程中会产生应力，此应力就为焊接残余应力。此应力能够达到非常高的数值，还能达到材料屈服点的应力水平。但因为其属于自平衡二次应力，所以，能够使焊缝受到拉伸，而母材则会出现压缩现象，但容器的承载能力不会受到影响，也就是其不会对压力容器的静强度产生影响。所以，在对压力容器进行设计时，可忽略此应力的影响，但局部高应力对容器的影响却是非常明显的，所以，设计时要对其加以考虑。有的容器容易出现脆性断裂的情况，比如珞钼钢，虽然其具有很高的强度，但塑性却非常差，对局部高应力非常敏感。此外，低温容器也很容易出现脆性断裂。在设计过程中必须对残余应力进行严格的控制，并在焊接以后对容器进行热处理，以消除残余应力。

2.2 合理控制组织和性能的变化

在对压力容器进行焊接时，焊缝可以看作一个高温的金属熔池，母材中接近焊缝区的材料会因为焊缝高热量的影响而被加热，使得晶粒变长变大，进而降低材料的力学性能，损伤材料的冲击韧性，导致材料变脆。有的压力容器在高温条件下工作，其材料通常具有很好的塑性和韧性，即使其冲击韧性受到影响，也不会出现脆性断裂现象。但处于低温工作环境的容器，其材料很容易变脆，所以，在冲击韧性下降的情况下，就会导致其脆性断裂。所以，在设计时，要适当提高母材的冲击韧性指标，这样在实际焊接时才能保持足够的冲击韧性，以免出现脆性断裂现象。同时，在焊接时，应尽可能地采用手工焊，利用小电流控制小的焊接线能量，以降低焊接热产生的影响，降低对材料冲击韧性造成的损伤。

2.3 正确选取焊接接头系数

虽然焊缝中存在的缺陷会对焊缝的拉伸强度造成影响，但其不会对焊缝的压缩强度造成影响，也不会影响到壳体的稳定性，所以，在对外压稳定性进行计算时，不需要考虑焊接接头系数。焊缝接头系数总共有4种，即1.0，0.9，0.85，0.8.GB150标准中所规定的焊接接头系数取1.0的容器，接头系数只能选择1.0，部分外压容器是由外压控制的，有的容器则是受刚性控制的，在其焊缝接头系数取1.0时，根据强度计算而得的壁厚会比较薄，但根据其稳定性或刚性要求，容器最终的壁厚仍然比较厚，所以，这种情况取1.0毫无意义。焊接系数比较高时，需要支付的检测费用和返修费用也比较高，所以，这种情况应选择较小的接头系数。如果接头系数选取1.0，虽然会节省一部分材料，但会增加检测费用和返修费用。如果选取较小的接头系数，虽然能节省检测和返修费用，但却会增加材料的使用量。所以，要根据实际情况合理地选择接头系数，以提升其经济性。

2.4 合理选择拼缝焊接接头系数

根据相关规定，拼接封头的焊缝必须100%无损检测，在封头成形以后，还需要重新检测过渡区焊缝的无损情况。所以，有的人会认为封头接头系数应确定为1.实际上，如果将焊接接头系数确定为1，则必须要进行100%的检测，且射线检测必须达到二级合格，超声检测必须达到一级合格。合格级别要根据整台容器的具体要求来确定。因此，只有在整台容器接头系数为1的情况下，才能将封头接头系数确定为1.在封头成形的过程中，会在过渡区出现很大的塑性变形，使此部位的焊缝出现开裂现象。因此，根据固容规的相关规定，此处的焊缝在成形以后还应该进行二次无损检测。而此要求只针对过渡区的焊缝，不在过渡区的焊缝则不需要按照此要求操作。此外，对于t形头的检测，无论是在对整台容器进行100%的无损检测，还是对局部进行20%的无损检测时，都必须要检测到t形头部位。