1、壓力容器焊接接頭疲勞強度分析    摘要 疲勞斷裂是壓力容器破壞的典型的斷裂形式之一，影響疲勞強度的因素有：焊接缺陷、材料成分、焊接殘余拉壓力、焊接接頭型式、金像組織等。生產單位應從焊接接頭設計、焊縫及接頭型式、合理的加工工藝等處入手，來降低焊接結構殘余拉應力、減小應力集中系數及增加缺陷源處的殘余壓應力是提高壓力容器疲勞強度。關鍵詞 疲勞強度；應力集中；具體措施1 概述疲勞斷裂是焊接結構主要、典型的斷裂形式之一，據相關統計因疲勞斷裂引起的結構失效斷裂占總斷裂事故的70%80%，對壓力容器而言，疲勞斷裂就意味著爆炸事故的發生。通常我們把金屬材料及其結構因交

2、變載荷作用而發生失效損壞或斷裂的現象稱為疲勞斷裂；金屬受交變載荷作用時，即使最大工作應力低于材料的屈服強度，也會使處于發生滑移方向上的晶粒產生塑性變形，隨著塑性變形的進行，金屬冷作硬化達到一定程度后，經過一定次數的應力循環即產生疲勞裂紋，在產生裂紋前，粗大分布的滑移逐漸地完成向深溝狀的裂紋形式轉變，最終導致疲勞斷裂；斷裂的過程一般由以下三個階段組成：1）在應力集中處產生初始疲勞裂紋（裂紋源形成階段）；2）裂紋擴展（擴展階段）；3）斷裂（斷裂階段）。在焊接接頭中產生疲勞裂紋更容易；換句話說，在焊接接頭中產生疲勞裂紋一般要比其它聯接接頭型式的交變循環次數要少，這是因為，焊接接頭中不僅有應力集中（如

3、角焊縫焊趾處），且焊接接頭中的工藝缺陷（包括裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合、燒穿、未填滿等缺陷）的存在，使得焊接接頭中的疲勞裂紋產生更為容易、時間更短；壓力容器是典型的焊接結構產品，在使用過程中承受溫度、壓力、介質的影響，一旦發生疲勞斷裂就會產生嚴重的爆炸事故，故對壓力容器疲勞斷裂的了解顯得尤為重要。2 影響壓力容器產品疲勞強度的因素在壓力容器的制造過程中，需要采取不同的焊接工藝及不同的焊接接頭型式，焊接接頭中的工藝缺陷，包括裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合、燒穿、未填滿等缺陷均能在產品中引起相當程度的壓力集中，當裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合等缺陷尺寸較小時，對焊接接頭

4、的屈服強度、抗拉強度影響不大，但對疲勞強度的影響很大，因在交變載荷作用下，這些缺陷往往引發疲勞裂紋，壓力容器所用的鋼材絕大部分為低碳鋼、低合金鋼，使用過程常常受到交變載荷的作用，故了解焊接接頭缺陷對承壓設備產品疲勞斷裂的影響具有重大意義。2.1 焊接缺陷的影響氣孔、夾渣、未焊透引起焊接接頭的疲勞強度降低幅度大體相同，裂紋引起的疲勞強度下降幅度較大，咬邊也會顯著降低疲勞強度，當咬邊深度小于2mm時，咬邊對疲勞強度幾乎無影響，缺陷在厚度方向上位置與間隔對疲勞強度也有明顯的影響。在同樣缺陷尺寸條件下，表面及近表面缺陷對疲勞強度的影響要比內部缺陷要低。如對接接頭受拉伸，若板厚度相同，錯邊量大的疲勞強度

5、較低；若錯邊量相同，則板材越厚疲勞強度降低越??；在角焊縫十字接頭中，根部有少量間隙的疲勞強度由于焊透良好比無根部間隙的要高。焊接缺陷對疲勞強度的影響，還應從幾何空間來區別對待；二維缺陷（如裂紋、未焊透、未熔合、咬邊、片狀夾渣等）對疲勞強度的影響較大，帶裂紋的焊接接頭比占同樣面積缺陷帶有氣孔的疲勞強度下降要多。壓力容器實際生產中，未焊透往往難以完全避免，應盡量減少其對疲勞強度的影響，咬邊出現在焊趾處及接頭表面，咬邊對疲勞強度的影響要比氣孔和夾渣等三維缺陷大得多，焊趾處的小夾渣是降低疲勞強度的主要因素；三維缺陷對疲勞強度影響較小，當此類缺陷靠近表面時，疲勞強度降低就大，若三維缺陷中夾渣形成尖銳缺口

6、時，影響則增大，實質上造成各種缺陷對疲勞強度影響的大小，主要是由此種缺陷引起的應力集中所決定的。焊接接頭工作應力的分布是不均勻的，其最大應力值比平均應力值高，這種情況稱之為應力集中；應力集中的大小，常以應力集中系數KT表示，（KT=最大應力值/平均應力值）應力集中系數越大，則疲勞強度降幅越大，反之亦然；產生應力集中的原因如下：1）焊縫中的工藝缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等，其中裂紋和未焊透引起的應力集中更嚴重；        2）不合理的焊縫外形，如對接焊縫余高過大，可引起較大的應力集中；3）焊接接頭設計不合理

7、，如接頭截面突變會造成嚴重的應力集中；4）焊縫不置不合理，如單側焊縫的丁字接頭會產生應力集中。2.2 母材和焊絲成分通常強度級別較高的鋼具有較高的應力集中敏感性，故高強鋼焊接接頭的疲勞強度并不是隨著強度級別的提高而提高，甚至還可能下降，因而用高強鋼承受疲勞載荷的綜合效果并不一定好，可以考慮采用應力集中敏感性較低的高強鋼來制造壓力容器，并盡量采取措施降低焊接接頭的應力集中，這樣仍可得到較高的疲勞強度。焊接材料成分同樣也會影響焊接接頭的疲勞強度；如H08Mn焊絲所焊的焊接接頭疲勞強度比H08焊絲所焊的焊接接頭疲勞強度提高20%，而1Cr18Ni9焊絲的焊接接頭疲勞強度提高達30%，同時還應指出，這

8、種變化還與母材成分有關。2.3 焊接拉殘余應力焊接殘余拉應力是一個不均勻分布的自平衡內應力，當殘余拉應力與工作應力疊加達到屈服強度后會產生強化作用，降低塑性和韌性，同時也會降低殘余應力的數值，若材料的塑性儲備不足，特別是焊接接頭中常常有應力集中與殘余拉應力的相互影響，會產生相當高的應變循環，從而降低疲勞強度；若存在殘余拉應力時會大大降低其塑性變形能力，從而有可能在低循環次數下就會產生裂紋，同時由于焊縫區域組織性能的變化，可能提高裂紋擴展速率，因而導致疲勞強度的降低；當靠近表面區域存在殘余壓縮應力時，疲勞強度提高。2.4 焊接接頭型式在各種型式焊接接頭中，對接接頭的疲勞強度最高；改變搭接接頭的焊

9、腳尺寸，同時對焊趾區域進行加工以圓滑過渡，也可提高疲勞強度；十字接頭的疲勞強度一般很低，若提高焊透率，且加工焊趾區域以圓滑過渡減小應力集中系數，可提高疲勞強度，焊縫余高不利于疲勞強度的提高，圓滑凹陷的角焊縫，可大大提高疲勞強度。2.5 其它影響因素金相顯微組織：金相顯微組織的不同影響著材料的塑性儲備，從而影響疲勞強度；另外，結構尺寸、載荷特點、工作溫度等因素均對焊接接頭的疲勞強度產生影響?？傊鞣N因素對疲勞強度的影響主要是通過改變材料的塑性儲備及材料的應力集中系數來影響疲勞強度的。1）材料塑性對壓力容器焊接結構的影響：當材料塑性增加時，疲勞強度增大，當材料塑性減小時，疲勞強度減小；2）應力集

10、中系數對壓力容器焊接結構的影響：焊趾處、焊縫根部、焊接錯邊、根部間隙、氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未融合等缺陷形成焊接接頭的固有應力集中源而引起的應力集中系數增大，焊接結構上的不連續所引起的應力集中系數增大，從而導致疲勞強度降低較大。3 在生產中提高壓力容器疲勞強度的具體措施3.1 壓力容器的主要焊接接頭型式要符合要求保證焊接質量是壓力容器制造的關鍵，焊接的特點表現為焊接接頭形成過程的特點和結構型式的特點；結構型式的特點主要是指板厚、破口型式、接頭型式等；由于這些因素變化不同，導致產生加熱效率和冷卻速度變化，從而產生不同殘余拉應力和不同變形程度；一般情況下，板厚越厚越嚴重，另外厚板需多層焊，產生

11、反復受熱和再熱作用易產生裂紋；板材越厚拘束度越大，殘余拉應力也越大，這些都對焊接接頭產生疲勞裂紋起到促進作用。壓力容器的主要焊接接頭型式有：對接接頭、角接接頭、型接頭及搭接接頭等型式；接頭型式不同受力特點就不同，焊縫強度、剛度也不同，焊縫出現裂紋等缺陷程度也不同。焊縫斷面形狀，如坡口角度、鈍邊高度、根部間隙等，這些都與制造單位的實際情況有密切關系，在生產制造過程中，坡口的型式往往采用I、V、K、X、U形等；不同接頭型式應力集中程度是不同的，對產生根部裂紋有不同的影響，在全焊透的情況下，焊接坡口的變化并不影響焊接接頭機械性能；故焊接質量控制的關鍵是要控制焊接工藝。目前各生產制造單位的焊接工藝不統

12、一，但各單位采取不同的焊接工藝均能達到規定的技術要求。3.2 合理地設計焊縫、焊接接頭及結構型式1）合理設計的出發點重點在于盡量降低各種型式的應力集中系數，盡可能采用無焊縫余高的對接接頭，對于重要結構則采用加工手段去除焊縫余高，對于承受疲勞載荷的焊接接頭，當不可避免地要采用搭接接頭型式時，應調整角焊縫的焊角尺寸，并加工焊趾過渡區以降低應力集中；盡量避免二條及二條以上焊縫交叉或匯聚于一點；在結構轉彎處也應盡量避免布置焊縫，聯接結構的剛性不應過大，盡量用斷續焊，且應嚴格控制定位焊縫的質量；所有焊縫都必須保證其設計的合理性與焊接的高質量，這樣才年保證焊接結構的疲勞強度。  

13、60;     2）降低應力集中系數（1）采用合理的結構型式，可以減少應力集中，提高疲勞強度，盡量采用應力集中系數小的焊接接頭；如對接接頭的應力集中系數小疲勞強度高，應盡量選用；在對接焊縫中，應保證母材與焊縫間的平滑過渡，機械打磨過渡是常采用的方法，但要注意打磨應順著應力線傳遞方向；（2）當采用角焊縫時需要采取綜合措施（機械加工焊縫端部，合理選擇角接板形狀，焊縫根部保證焊透等）來提高接頭的疲勞強度，采取這些可以降低應力集中、消除殘余拉應力的不利影響，采用綜合處理后，低碳鋼、低合金鋼的疲勞強度會顯著改善；（3）對低碳鋼和低合金鋼來說，在某些情況下

14、，可以通過開緩沖槽使應力線繞開焊縫的應力集中處來提高焊接接頭的疲勞強度；（4）用進行機械加工的方法消除焊縫及其附近的各種溝槽圓滑過渡，可以降低構件的應力集中程度來提高焊接接頭的疲勞強度（也可采用電弧整形的方法來代替進行加工方法）。3.3 合理的工藝措施盡量減少焊接缺陷，對用應力集中敏感的高強鋼制造壓力容器時更應注意；另外，還應從焊接工藝本身采取降低焊接殘余拉應力的措施，來提高焊接接頭的疲勞強度；在控制焊縫成型上應減少應力集中源，保證焊透、控制焊縫余高，防止咬邊及錯邊，注意起弧處、收弧處的焊接質量；焊后熱處理亦可消除或部分消除殘余拉應力，從而提高焊接接頭的疲勞強度；此外，采取預超載將會使隨后的疲

15、勞裂紋擴展速率大大降低甚至短時暫停，如壓力容器的水壓試驗檢驗就是這一方法的具體體現；表面強化處理、用錘擊或擠壓焊縫表面及過渡區、噴丸處理焊縫區加特殊保護層等都可以提高焊接接頭的疲勞強度；因材料經過處理后，不僅有利于表面應力、表面狀況，而且使材料局部加工硬化，從而提高壓力容器的疲勞強度?？傊瑧邢禂凳墙档蛪毫θ萜髌趶姸鹊闹饕?，當焊接接頭設計合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質量良好時，產生的應力集中系數較小，這樣才能保證焊接接頭具有良好的疲勞強度。3.4 在焊接接頭缺陷處產生殘余壓應力1）在焊接結構中加載預拉伸應力直至焊接接頭缺陷處產生屈服，然后卸載使缺陷處產生殘余壓應力保留在焊接接頭中，從而提高壓力容器的疲勞強度；2）錘擊焊縫處，引起殘余壓應力并造成加工硬化，從而提高壓力容器產品抗變形能力，延緩了疲勞裂紋的萌生和擴展，提高了疲勞強度；3）利用局部加熱或壓縮使殘余拉應力降低，甚至產生殘余壓應力可以有效提高焊接接頭的疲勞強度。綜上所述，降低焊接結構殘余拉應