容器焊缝的安全性分析

原创 胡伟明  2020-09-20 20:56:00  阅读 153 次 评论 0 条
摘要:

焊缝系数在内压圆筒或球壳等壁厚的计算公式中,针对焊接容器都增加了焊接接头系数φ。φ反映了容器因焊缝而被削弱的影响,但φ值是随焊缝被焊透的程度和焊后所做做无损检测的周到程度而变的。焊缝质量越差,即焊接缺陷越严重,焊缝越是不安全,越要降低系数φ,结果是容器的壁厚将越厚。承压容器都非常注意提高焊缝质量,即结构设计时应保证采用对接焊,并保证可以焊透,同时增加无损检测的要求以防容器焊缝中存在各种超标的缺陷(包括气孔,夹渣、未焊透、未熔合,裂纹)。所以焊接接头系数φ的主要含义是考虑焊缝中对焊接缺陷检测与了解

焊缝系数

在内压圆筒或球壳等壁厚的计算公式中,针对焊接容器都增加了焊接接头系数φ。φ反映了容器因焊缝而被削弱的影响,但φ值是随焊缝被焊透的程度和焊后所做做无损检测的周到程度而变的。焊缝质量越差,即焊接缺陷越严重,焊缝越是不安全,越要降低系数φ,结果是容器的壁厚将越厚。承压容器都非常注意提高焊缝质量,即结构设计时应保证采用对接焊,并保证可以焊透,同时增加无损检测的要求以防容器焊缝中存在各种超标的缺陷(包括气孔,夹渣、未焊透、未熔合,裂纹)。所以焊接接头系数φ的主要含义是考虑焊缝中对焊接缺陷检测与了解的程度。设计人员不能简单地认为只要保证焊缝能焊透以及100%的无损检测就能保证焊缝绝对安全,还要从焊缝材料的性能特点及正确掌握焊接工艺上加深对焊缝安全性的理解。

焊缝区材料性能及缺陷

即使焊接材料(焊条或焊丝)的化学成分与母材相同,但施焊成焊缝后焊缝的组织是铸造态的,金相中可见到粗大的柱状晶,这与母材的轧制组织(甚至正火组织或调质态组织)有巨大差异,必然性能上也有很大差异。除组织差异之外,由于焊后的冷却速度较快,特别在热影响区往往出现淬硬组织(如马氏体相),导致焊缝材料硬度增高。因此焊缝材料的强度、塑性及韧性会明显与母材有差别,焊缝性能低于母材。为此要将焊接材料从成分上进行微调,增加一些硅锰含量,甚至增加可细化晶粒的钒和可增加韧性的镍等合金元素,以使焊缝强度等于或略高于母材,并有足够的塑性与切性,这才是合理的。所以一般对焊接接头(包括母材、热影响区与焊缝)取试样做拉伸试验时常断在母材上而不断在焊缝上。因此钢制压力容器中,不同强度等级的压力容器用钢总有相匹配的不同强度等级的焊接材料可供选用。实际上从来不选用与母材化学成分完全相同的焊接材料。

不要认为只要做好焊接接头的结构设计和选择合适的与母材相匹配的焊接材料,焊缝的安全性就可得到完全的保证。必须理解焊接接头还潜在许多影响安全的因素,一是焊接缺陷,二是焊接接头各部分材料性能的变化。

焊接缺陷有焊缝表面成型方面的缺陷,也有焊缝内部的缺陷。表面成型缺陷如咬边、弧坑等,还有错边和角变形。咬边和弧坑要引起应力集中,错边与角变形要在焊接接头处产生附加的弯曲应力。这对强度较高的低合金钢来说容易引发出表面裂纹,特别是承受各种交变载荷(压力交变、温度交变或振动)的容器容易引发疲劳裂纹,降低疲劳寿命。若是低温容器,在低温下材料韧性偏低,应力集中过大则易引发脆性断裂。至于焊缝内部的缺陷,最常见的是气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹五种。气孔和夹渣是焊缝难于完全避免的。这两种缺陷也称为体积型的缺陷。一定数量以下的气孔和夹渣缺陷几乎对容器的静强度没有影响,但在承受交变载荷时易引发疲劳裂纹。而未焊透、未熔合和裂纹缺陷被称为面型缺陷。由于在射线检测中照相底片上缺陷呈线状,故亦称为线型缺陷。承受应力时会比体积型缺陷引起严重得多的应力集中,如果焊接接头材料的韧性较差,则很易引起低应力脆断的重大事故。

焊缝成型应尽量光滑,略有堆高,焊缝过分堆高不但对焊缝的加强起不到实质性的作用,反而在焊缝堆高处的边缘引起很大的应力集中,对焊缝的安全带来不利影响。

焊接热影响区

焊接热影响区(HAZ)是焊接接头的一个特殊区域。原本属于焊接坡口处的母材,焊接时受到快速加热及快速冷却的热循环,这个区域的母材金相组织因而发生了明显的变化,相当于受到了多种热处理的作用。严格讲只有被加热到Ac3以上温度的金相组织发生明显变化的区域才是热影响区。热影响区的宽度一般仅3~5mm,大线能量焊接时可能增宽到5mm以上。

热影响区视其受热和相变的程度通常又可大致分为粗晶区和细晶区。粗晶区是紧靠焊缝边缘熔合线的区域,由于被加热到较接近金属的熔点,所以晶粒快速长大,因而成为粗晶区。粗晶区之外的母材被加热温度稍低但达到Ac3温度以上,晶粒未及长大即遭快速冷却,相当于被进行了一次正火处理,晶粒被细化而成为细晶区。粗晶区材料容易变得硬脆,甚至析出脆性相(如魏氏组织或马氏体),在焊接残余应力或再叠加试验压力时发生开裂。有些强度较高的低合金钢焊接后很常见的焊接冷裂纹就容易产生在粗晶区。至于细晶区的材料性能则较好,强度与韧性反而得到优化,不大容易在细晶区首先出现裂纹。另外,一些冷加工强化或热处理强化效果很明显的低合金钢,在焊接热影响区很容易出现软化现象,也称失强现象。典型的是一些必须经调质处理(淬火+回火)后才能以最佳状态使用的低合金高强度压力容器用钢,热影响区材料会出现回火软化和沉淀强化合金的过时效软化,从而破坏了原先的调质状态,强度和硬度随之下降了,可能成为焊接接头中的薄弱环节。

材料的强度愈高,其可焊性一般也愈差,焊接后愈容易出现溶解氢导致的延迟裂纹。这是由于焊接高温下接头的材料会吸收并溶解过多的由水分分解出的原子氢,迅速冷却后溶解氢成为过饱和的氢,而且原子氢结合成为分子氢后在200℃以下就很难逸出钢材,这样含氢量过高的焊接接头就出现氢脆,在焊接残余应力作用或叠加试验压力下很容易出现氢致延迟开裂,属于焊接冷裂纹,特别容易在热影响区的粗晶区和焊缝的脆性组织中出现。为此要十分注意焊接的环境,即手工焊焊条药皮的水分要烘干,自动焊的焊剂要烘干,阴天雨天湿度过大不得施焊等,此外焊后应立即对焊接接头加热到200℃以上消除残余的过饱和的氢,这称之为“后热消氢”处理。这一处理可使焊接接头中的氢大部分得以排除。

焊接残余应力

设计人员应当明白,凡焊接容器在焊接接头处必存在焊接的残余应力,它是焊接裂纹发生开裂的主要推动力。焊接熔池中的液态金属凝固与冷却收缩过程中变形受到限制与约束,就会产生残余应力。后凝固后冷却的部分,收缩变形时必受到早先凝固(或本来就未熔化过的)与冷却部分的变形约束,从而前者中出现拉伸残余应力,后者中出现压缩残余应力。焊接残余应力的拉伸与压缩是相伴而生的,是作用与反作用关系。焊接残余应力是结构自身变形协调而产生的应力,属于“二次应力”,因此二次应力的所有特性都在残余应力中有所体现。

焊接残余应力的分布是很复杂的。一般取决于焊接冷却收缩过程中所受变形约束的条件。通常平行于焊缝方向的冷却变形所受拘束较大,此方向的残余应力可能达到最大值。而垂直于焊缝方向的冷却收缩变形拘束较小,该方向的残余应力也较小,由于这一原因,焊缝中最容易出现垂直于焊缝方向的裂纹。不少试验研究表明,焊接残余应力的最大值能达到材料的屈服应力。加上焊缝残余氢的内应力,足以使焊缝发生延迟开裂。

由于焊接残余应力分布的复杂性,难于得到解析方程。又由于焊接残余应力是二次应力,具有自限性特征,只要焊缝残余氢的作用不明显,既不会导致开裂,也不需要在设计时作计算校核。

焊接残余应力在设计时虽然不予计算,但也不等于听之任之。对于厚度较厚的容器,各国容器规范中都要求焊后进行消除残余应力的退火处理。这种消应力处理可以整体进行,局部修补时也可以局部做消应力处理。这种热处理中起主导作用的工艺参数是加热温度。一般应选在该钢种的临界点At以下和再结晶温度以上,以使残余应力在热处理的松弛过程中将局部塑性变形引起的晶格畸变和加工硬化现象通过回复及再结晶得以消除。这既可以最大限度地消除残余应力,又不致使焊缝和母材的强度降低,或又不出现再热裂纹与再热脆化问题。

容器焊缝的焊接结构、焊接材料的选用以及焊后是否要进行消除应力处理,均应由设计人员在设计图纸及其技术要求中明确表示。


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