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摘要：通过对压力容器D类焊接接头结构形式、组织形态、受力条件和缺陷检测等的分析，说明D类焊接接头质量是压力容器质量控制的一个重要环节，必须予以足够的重视，同时对其在生产中易出现的问题，提出了解决方案和建议。
关键词：压力容器焊接接头 质量控制
压力容器因其质量关系到国家财产及人身安全，是一种需要实行强制许可制的特种设备之一。因为组织状态、内应力和化学成分分布的不均匀性，导致焊接接头是压力容器结构中的薄弱环节。据调查，压力容器出现失效破坏最多的部位是在接管与筒体的焊缝上。在GB150—1998《钢制压力容器》标准中，将压力容器的主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D类，如图一所示。其中D类焊接接头由于以下5个制约因素，使其所面临的工作状况最为恶劣。
（1） 目前还没有较理想的无损检测方法，可以对其内部质量进行准确检测，因而在制造过程中不能得到应有的重视，造成一些本可以避免的认为缺陷。
（2） 因施焊空间的限制，导致施焊过程中存在一定的难度，从而容易形成内部焊接缺陷。
（3） 由于自身结构特点，使接头的组织状态、化学成分以及焊接应力的不均匀性更加突出。
（4） 焊接工艺评定和焊接操作技能培训考试，对实际产品中的D类焊接接头施焊的指导性、支持性尚不够完善。
（5） 在使用中，因结构变形的不协调，产生数倍于基本薄膜应力的应力集中，使缺陷极易扩展而产生破坏失效。
所以说，提高D类焊接接头的质量，对确保压力容器整体的安全性是十分重要的。
图一
1、 问题的分析
强度问题是压力容器设计、制造和检验工作中确保安全性的一个首要问题。与母材相比，A、B类焊接接头因其焊缝组织晶粒粗大，组织、化学成分以及内应力分布的不均匀性等原因，使焊接接头的塑性、韧性较差，在这里需要特别指出的是，通常所说的焊缝和母材的等强匹配，实际上是通过焊缝的偏高硬度与偏低塑性、偏低韧性的组合，来达到与母材在抗拉强度上的等强。在压力容器的设计中也考虑这一因素，只是假设焊缝与母材等强（当计算公式中的焊接接头系数φ﹦1），所以A、B类焊接接头在设计阶段其综合力学性能就已打了折扣。
D类焊接接头与A、B类焊接接头相比，还存在着以下不利因素。
（1） 在制造过程中不能引起足够的重视，容易产生人为缺陷。对于D类焊接接头焊缝的内部缺陷，目前还没有较为理想的无损检测方法可以进行准确的检测，所以在图样中没有相关的技术要求。这样不但使内部质量成为一个未知数，更严重的是因此在制造过程中得不到施焊者和检验人员的足够重视，带来一些由于主观因素而引起的人为的质量问题。比如间隙过大时塞焊条头，反面清根不透甚至不清根等情况。
（2） 焊缝的装配尺寸较难保证，焊缝坡口主要是手工割制，且为鞍型曲面，形状较为复杂，导致坡口的间隙、钝边、角度尺寸不容易保证，特别是单面焊双面成形的坡口更难加工。给后序的施焊带来困难，也给缺陷的产生埋下了隐患。
（3） 施焊难度较大。坡口角度小，形状不规则，施焊空间有限，给打底焊和中间焊道的焊条摆动带来不便，给两边母材的熔合、脱渣和清渣带来困难，容易造成夹渣、气孔、未熔合以及未焊透等缺陷。
（4） 自身承载能力较差。接头冷却速度较快，约是A、类焊接接头的1.4倍，使焊缝一次结晶生长速度加快，晶粒粗大，热影响区组织的淬硬程度增加，加之坡口角度小，低熔点共晶物易在焊缝中心集中，加剧了化学成分分布的不均匀性；同时结构拘束度打，使焊接应力增加。这些不利因素不但给冷、热裂纹提供了应力、淬硬组织及低熔点共晶物偏析的形成条件，而且使焊接接头的塑性、韧性进一步降低，严重的影响了结构的变形能力和抗裂纹扩展能力。
（5） 焊接工艺评定和焊工技能培训考试，对D类焊接接头实际施焊的指导性、支持性较差，存在着以易代难的情况。
JB4708-2000标准《钢制压力容器焊接工艺评定》中的管板组合的形式试验件和《锅炉压力容器焊工考试规则》中管板骑座式培训考试项目，是分别用来指导和支持D类焊接接头施焊时的焊接参数和焊工操作技能的，但试样结构形式与实际产品的结构相差较远，如图1所示。工艺评定和技能培训考试的试样是在接管上用机加工的方法加工坡口，板是平板，坡口的装配尺寸容易保证，且坡口的深度也很浅，与接管的壁厚相同；而产品重的坡口是在弧板（筒体或封头）上用手工割鞍形的复杂曲面坡口，不但裝配尺寸难以保证，而且坡口深，施焊难度也大得多。
2、改进措施
（1）为了确保焊缝的强度，在设计和制造过程中，首先应选择易于保证全焊透结构的焊接坡口形式。X形坡口的定位焊以及打底焊道很难清除，所以对对能进行清根的结构，应优先选择单V形或U形坡口，且尽量拉开坡口的间隙，减小钝边量，并适当增加坡口角度，使反面清根能在比较浅的地方就能保证清理干净；当拉开坡口得间隙，采用在背面预设金属垫板的结构形式，如图2所示。用2---3mm的垫板与筒体和接管帖服紧密后，先将垫板与筒体和接管接触的缝隙用小规范的焊接工艺点固封焊后，再焊其余焊道。薄金属垫板的接管孔尺寸既易于用机加工的方法来保证与接管的紧密配合，又易于变形与弧板与弧形筒体开孔处的曲面贴服。这样不但降低了手工割制坡口的尺寸精度要求，还能保证D类焊接接头的全焊透要求。同时由于坡口截面面积的增加，使施焊的难度得以降低，有利于缺陷的减少。
（2）对焊材规格的选择，应尽量使焊缝为多道焊。小规范的多层多道焊可以有效的降低焊接接头整体的热输入量，减少焊接应力，得到较细小的晶粒，改善组织和化学成分分布的不均匀性。同时利用每后层焊道对前层焊道的回火作用，改善二次结晶，进一步改善焊缝组织，提高焊接接头整体的塑性和韧性。
（3）保证根据产品中D类焊接接头的具体结构形式，制定有关D类焊接接头的焊接工艺评定和焊工技能培训的企业标准，并纳入企业压力容器质量保证体系文件，配合JB4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》标准和《锅炉压力容器焊工考试规则》的有关规定及项目，确保焊接工艺评定和焊工操作技能对D类焊接接头实际施焊的指导和支持作用。
(4)细化检验环节，明确责任人员上岗职责。通过加强制造过程中的检验工作，来提高焊工极检验人员对D类焊接接头内部质量的责任心。在对相关人员加强质量教育的同时，在产品焊接检验工艺卡中，针对D类焊接接头容易产生的问题，设立相应的停检项目和停检点，并让有关责任人员上岗签字确认。例如焊前设坡口装配尺寸停检点、焊中设打底焊缝和清根情况停检点，同时加强焊接参数在施焊过程中执行情况的巡查。
(5)改善焊缝的尺寸类型。必要时对焊缝较高部位进行打磨，使其与接管和筒体的连接成圆滑过渡，减少表面裂纹的产生。
3.结语
压力容器D类焊接接头可以通过以下五个方面来得以改善。
（1）合理选择坡口形式，确保全熔透的焊接结构。焊接时宜采用小规范的多层多道焊法，以改善接头的塑性和韧性，提高综合力学性能。
（2） 制定相应企业标准，加强焊业工艺评定和焊工技能培训对产品中D类焊接接头施焊的指导和支持作用。
（3）细化检验环节，明确岗位职责，提高责任心。
（4）改善焊缝处外形尺寸，减少表面裂纹的产生。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：压力容器焊接接头 质量控制
压力容器因其质量关系到国家财产及人身安全，是一种需要实行强制许可制的特种设备之一。因为组织状态、内应力和化学成分分布的不均匀性，导致焊接接头是压力容器结构中的薄弱环节。据调查，压力容器出现失效破坏最多的部位是在接管与筒体的焊缝上。在GB150—1998《钢制压力容器》标准中，将压力容器的主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D类，如图一所示。其中D类焊接接头由于以下5个制约因素，使其所面临的工作状况最为恶劣。
（1） 目前还没有较理想的无损检测方法，可以对其内部质量进行准确检测，因而在制造过程中不能得到应有的重视，造成一些本可以避免的认为缺陷。
（2） 因施焊空间的限制，导致施焊过程中存在一定的难度，从而容易形成内部焊接缺陷。
（3） 由于自身结构特点，使接头的组织状态、化学成分以及焊接应力的不均匀性更加突出。
（4） 焊接工艺评定和焊接操作技能培训考试，对实际产品中的D类焊接接头施焊的指导性、支持性尚不够完善。
（5） 在使用中，因结构变形的不协调，产生数倍于基本薄膜应力的应力集中，使缺陷极易扩展而产生破坏失效。
所以说，提高D类焊接接头的质量，对确保压力容器整体的安全性是十分重要的。
图一
1、 问题的分析
强度问题是压力容器设计、制造和检验工作中确保安全性的一个首要问题。与母材相比，A、B类焊接接头因其焊缝组织晶粒粗大，组织、化学成分以及内应力分布的不均匀性等原因，使焊接接头的塑性、韧性较差，在这里需要特别指出的是，通常所说的焊缝和母材的等强匹配，实际上是通过焊缝的偏高硬度与偏低塑性、偏低韧性的组合，来达到与母材在抗拉强度上的等强。在压力容器的设计中也考虑这一因素，只是假设焊缝与母材等强（当计算公式中的焊接接头系数φ﹦1），所以A、B类焊接接头在设计阶段其综合力学性能就已打了折扣。
D类焊接接头与A、B类焊接接头相比，还存在着以下不利因素。
（1） 在制造过程中不能引起足够的重视，容易产生人为缺陷。对于D类焊接接头焊缝的内部缺陷，目前还没有较为理想的无损检测方法可以进行准确的检测，所以在图样中没有相关的技术要求。这样不但使内部质量成为一个未知数，更严重的是因此在制造过程中得不到施焊者和检验人员的足够重视，带来一些由于主观因素而引起的人为的质量问题。比如间隙过大时塞焊条头，反面清根不透甚至不清根等情况。
（2） 焊缝的装配尺寸较难保证，焊缝坡口主要是手工割制，且为鞍型曲面，形状较为复杂，导致坡口的间隙、钝边、角度尺寸不容易保证，特别是单面焊双面成形的坡口更难加工。给后序的施焊带来困难，也给缺陷的产生埋下了隐患。
（3） 施焊难度较大。坡口角度小，形状不规则，施焊空间有限，给打底焊和中间焊道的焊条摆动带来不便，给两边母材的熔合、脱渣和清渣带来困难，容易造成夹渣、气孔、未熔合以及未焊透等缺陷。
（4） 自身承载能力较差。接头冷却速度较快，约是A、类焊接接头的1.4倍，使焊缝一次结晶生长速度加快，晶粒粗大，热影响区组织的淬硬程度增加，加之坡口角度小，低熔点共晶物易在焊缝中心集中，加剧了化学成分分布的不均匀性；同时结构拘束度打，使焊接应力增加。这些不利因素不但给冷、热裂纹提供了应力、淬硬组织及低熔点共晶物偏析的形成条件，而且使焊接接头的塑性、韧性进一步降低，严重的影响了结构的变形能力和抗裂纹扩展能力。
（5） 焊接工艺评定和焊工技能培训考试，对D类焊接接头实际施焊的指导性、支持性较差，存在着以易代难的情况。
JB4708-2000标准《钢制压力容器焊接工艺评定》中的管板组合的形式试验件和《锅炉压力容器焊工考试规则》中管板骑座式培训考试项目，是分别用来指导和支持D类焊接接头施焊时的焊接参数和焊工操作技能的，但试样结构形式与实际产品的结构相差较远，如图1所示。工艺评定和技能培训考试的试样是在接管上用机加工的方法加工坡口，板是平板，坡口的装配尺寸容易保证，且坡口的深度也很浅，与接管的壁厚相同；而产品重的坡口是在弧板（筒体或封头）上用手工割鞍形的复杂曲面坡口，不但裝配尺寸难以保证，而且坡口深，施焊难度也大得多。
2、改进措施
（1）为了确保焊缝的强度，在设计和制造过程中，首先应选择易于保证全焊透结构的焊接坡口形式。X形坡口的定位焊以及打底焊道很难清除，所以对对能进行清根的结构，应优先选择单V形或U形坡口，且尽量拉开坡口的间隙，减小钝边量，并适当增加坡口角度，使反面清根能在比较浅的地方就能保证清理干净；当拉开坡口得间隙，采用在背面预设金属垫板的结构形式，如图2所示。用2---3mm的垫板与筒体和接管帖服紧密后，先将垫板与筒体和接管接触的缝隙用小规范的焊接工艺点固封焊后，再焊其余焊道。薄金属垫板的接管孔尺寸既易于用机加工的方法来保证与接管的紧密配合，又易于变形与弧板与弧形筒体开孔处的曲面贴服。这样不但降低了手工割制坡口的尺寸精度要求，还能保证D类焊接接头的全焊透要求。同时由于坡口截面面积的增加，使施焊的难度得以降低，有利于缺陷的减少。
（2）对焊材规格的选择，应尽量使焊缝为多道焊。小规范的多层多道焊可以有效的降低焊接接头整体的热输入量，减少焊接应力，得到较细小的晶粒，改善组织和化学成分分布的不均匀性。同时利用每后层焊道对前层焊道的回火作用，改善二次结晶，进一步改善焊缝组织，提高焊接接头整体的塑性和韧性。
（3）保证根据产品中D类焊接接头的具体结构形式，制定有关D类焊接接头的焊接工艺评定和焊工技能培训的企业标准，并纳入企业压力容器质量保证体系文件，配合JB4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》标准和《锅炉压力容器焊工考试规则》的有关规定及项目，确保焊接工艺评定和焊工操作技能对D类焊接接头实际施焊的指导和支持作用。
(4)细化检验环节，明确责任人员上岗职责。通过加强制造过程中的检验工作，来提高焊工极检验人员对D类焊接接头内部质量的责任心。在对相关人员加强质量教育的同时，在产品焊接检验工艺卡中，针对D类焊接接头容易产生的问题，设立相应的停检项目和停检点，并让有关责任人员上岗签字确认。例如焊前设坡口装配尺寸停检点、焊中设打底焊缝和清根情况停检点，同时加强焊接参数在施焊过程中执行情况的巡查。
(5)改善焊缝的尺寸类型。必要时对焊缝较高部位进行打磨，使其与接管和筒体的连接成圆滑过渡，减少表面裂纹的产生。
3.结语
压力容器D类焊接接头可以通过以下五个方面来得以改善。
（1）合理选择坡口形式，确保全熔透的焊接结构。焊接时宜采用小规范的多层多道焊法，以改善接头的塑性和韧性，提高综合力学性能。
（2） 制定相应企业标准，加强焊业工艺评定和焊工技能培训对产品中D类焊接接头施焊的指导和支持作用。
（3）细化检验环节，明确岗位职责，提高责任心。
（4）改善焊缝处外形尺寸，减少表面裂纹的产生。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。