疲劳压力容器中焊缝质量的重要性

疲劳压力容器中焊缝质量的重要性

秦浩浩

荆门宏图特种飞行器制造有限公司 湖北 荆门 448000

摘要：在化工行业过程容器中疲劳容器占比较大，近些年，在化工行业屡次发生疲劳容器失效的案例。一般疲劳容器设计年限为15年至30年，然而实际使用中往往在三年左右就发生断裂。在后续的研究发现表明，断裂一般发生在容器焊缝处本身存在原始缺陷，因此，焊缝对疲劳容器的寿命影响十分重要。通过焊缝缺陷对疲劳容器寿命的影响进行详细分析，对比ASME标准和JB4732标准，通过疲劳强度减弱系数不同的处理方法，提出了在疲劳压力容器设计和制造过程中的相应措施。

关键词：疲劳容器 焊接缺陷 疲劳减弱系数

钢制压力容器制造的主要环节就是焊接，不同元件的焊接对容器的强度行成了一定的影响。金属焊接过程会给压力容器带来焊接接头热影响区材料的组织变化和性能下降、焊接缺陷以及焊接残余应力等三个方面的不良影响。常见的焊接缺陷为气孔、夹渣、未焊透等，这些缺陷直接影响焊接接头的强度，影响的是容器的静强度。但是对疲劳容器而言，焊缝的形状和缺陷确有着严重的影响，本文讨论焊缝对疲劳容器设计和使用寿命方面的重要影响。

1、焊缝对疲劳容器寿命的影响

焊缝对疲劳容器寿命的影响分以下3个方面：焊缝外观、内部缺陷、外部缺陷。

1.1 焊缝外观

焊缝外观对疲劳容器寿命的影响主要是焊缝余高的影响，焊趾连线上的那部分焊缝金属称为焊缝余高。JB4732对疲劳容器要求不允许有余高，焊缝需要进行打磨处理。但是对于常规容器却对余高有一定限制，并不要求不允许有余高。焊缝余高对容器的强度有两面性，对于常规容器，余高增加了焊缝金属的截面积，对静强度有利；另一方面，余高焊缝相当于对焊缝的下层金属进行了一次退火热处理，整条焊缝得以保温和缓冷，对细化晶粒、减少焊接应力起了很大的作用，从这2个方面而言，焊缝余高对容器的静强度是有利的。但是焊缝余高对疲劳容器却是非常不利，我们知道，疲劳容器的寿命主要取决于峰值应力，而峰值应力的大小主要取决是否存在应力集中，当余高较大，焊缝表面不能圆滑过度，造成焊缝局部形状突变，容易造成应力集中，对焊接结构的承受循环载荷不利，导致疲劳寿命大大降低。

1.2 焊缝内部及外部原始缺陷

焊缝理论上存在如下缺陷：气孔、未焊透、夹渣、裂纹及咬边等缺陷，这些缺陷一般尺寸较小，对静强度可能影响不是很大。但是这些缺陷对疲劳容器而言确实致命缺陷，缺陷边缘会产生很大的应力集中，导致峰值应力较大，大大降低疲劳强度，特别是原始裂纹对疲劳寿命的影响巨大，严重缩短容器的疲劳寿命。材料疲劳破坏过程中，裂纹萌生过程要占疲劳寿命的90%，气候的疲劳扩展寿命很短。如焊接中已存在原始焊接裂纹，日后的疲劳破坏就从裂纹扩张开始，大大加速了断裂的进程。

2 疲劳强度减弱系数K

对于焊接缺陷和局部结构不连续出，考虑疲劳强度减弱强度可以用疲劳强度减弱系数K来表征。K=理论情况的疲劳强度/有结构不连续时的疲劳强度。JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》(2005确认)附录C“以疲劳分析为基础的设计”中指出，对疲劳分析的角焊缝疲劳强度减弱系数取4.0.

3 国内外标准对焊缝影响的疲劳减弱系数的处理

3.1 ASME Ⅷ-Ⅱ卷

ASME标准对疲劳减弱系数的取值为1~4，对焊缝机加工或者打磨处理去除余高，且经100%无损检测，则认为已经排除以上2个方面影响的，疲劳减弱系数可以取1，否则，按下表在不同加工和检测程度进行取值，对不加工又不检测的焊缝取值4。

常见无损检测方法包含射线检测（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）和目测检测（VT）。其中体积检验包括（RT和UT），表面检测包括（MT、PT、VT）。下表2定义了体积性检测和表面检测的7种组合，对应的疲劳强度减弱系数的7个质量等级。对全焊透焊缝而言，根据不同的质量等级，其疲劳强度减弱系数取值范围为1.2~4.0，极值之比相差3倍多，可见无损检测对疲劳容器的重要性。

3.2 JB4732-1995（2005确认）

JB4732标准对焊缝的影响分为3个情况进行考虑：

① 疲劳容器对接焊缝进行焊缝余高打磨处理，并且进行100%无损检测，可可不计焊缝对对疲劳强度的减弱影响；

② 对接管与壳体的连接焊缝，要求打磨圆滑过度，并进行检测。在有限元分析中，已经考虑了应力集中的影响，另外要求进行100%无损检测来排除缺陷，所以也不再零星考虑疲劳强度的减弱系数；

③ 对与壳体受压元件的相焊的角焊缝，如垫板、保温圈与筒体连接的E类焊缝，以往都没做重点考虑，一般没有进行打磨，又无法检测，4732规定角焊缝的疲劳强度减弱系数取4.0。

国外对于疲劳容器禁止在设备上采用角焊缝来焊接平台、扶梯等，可见角焊缝对疲劳容器的影响是很严重的，但是国内目前都未对此引起足够的重视。

4 对疲劳容器加强焊缝质量检测的重要性

国内化工企业的过程疲劳容器多次出现疲劳开裂，出现泄露的案例，这些案例出现疲劳裂纹往是在环向焊缝及周边，往往都是存在原始缺陷，大大降低了疲劳容器的寿命。裂纹萌生占据产品寿命的90%的时间，如果出现原始缺陷，则大大缩短产品寿命。

所以严格控制焊接质量，采用严苛的焊接工艺是非常必要的，疲劳容器对制造的要求各个环节要严格把控，才能做出合格疲劳容器。

参考文献：

[1] JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》(2005确认)

[2] ASME Ⅷ-Ⅱ卷