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摘要：压力容器被广泛应用于各个领域，一旦发生破坏，将对国家财产和人民生命安全带来很大的损失。D类焊接接头作为压力容器的薄弱环节，其焊接质量直接影响压力容器的整体质量。为保证压力容器的安全运行，防止事故发生，延长其使用寿命，分析压力容器D类焊缝的结构特性、检测难点、人为因素等，指出在制造过程中的质量改进措施。
关键词：焊接；压力容器；D类焊缝；质量控制
1 前言
压力容器作为一种典型的焊接结构产品，其焊接质量在压力容器的制造质量中起决定性作用。压力容器大多是全焊透结构，在焊接过程中，焊缝由于急速加热、急速冷却、且加热温度极高的热循环特点，其组织、成分存在一定的不均匀性，因此，焊缝成为压力容器结构中的薄弱环节。GB150-2011《压力容器》规定，接管、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属于D类焊接接头。其受力较差、焊接接头结构复杂、应力较为集中。且制造过程中难以引起足够的重视，焊接质量难以保证，使它的工作状况更加恶劣，直接影响压力容器的整体质量和安全运行。D类焊缝的焊接方法可选用焊条电弧焊、钨极氩弧焊和埋弧焊等，目前采用较多的仍是焊条电弧焊。
2 焊接与压力容器的综合叙述
压力容器目前大量采用焊接容器。虽然采用一些技术措施，可以改善焊缝质量，但在构件中总还程度不等地残存着焊接应力和焊接变形，不可能完全消除，焊缝中的各类缺陷也不可能完全避免，在消除焊接应力过程中，如果措施采用不当，也还会引起新的问题，因此，焊缝依然是压力容器中的薄弱环节之一。焊接过程就是焊接构件温度变化的过程，由于在焊接过程中，焊接构件的受热是局部的、不均匀的，在焊缝中心部位温度高达1500℃左右，然后随着距焊缝中心部位距离的增加而急剧降低，温差极大；而焊后的冷却过程，又往往是快速而不平衡的。因此，在焊接构件的不同部位，热胀冷缩的变形量是不同的，且由于容器本身的形状约束，变形是不自由的，各部位的变形相互制约，这就在焊缝本身及其附近区域造成了很大的焊接应力。焊接应力产生的另一个原因，是由于焊接热影响区的金属，在高温温度剧变的条件下，发生了组织变化，从而也发生了焊接应力。焊接应力的存在，对容器的强度和安全性产生十分不利的影响。焊接应力首先是造成了焊接部位的局部塑性变形，从而造成局部应力集中；其次是产生了焊接裂纹。另外，当焊缝附近有开孔、接管（即D类焊缝）或两个不同形状部件的连接处，这些部位的峰值应力和不连接应力，就会和焊缝处的焊接应力相迭加，造成更为不利的应力状态，成为导致容器失败的根源。在焊接过程中还往往会产生其它内部缺陷，如夹渣、气孔、未焊透、裂纹等等。接管设计应最大限度的降低应力集中，有效降低应力集中是设计接管与容器间焊缝时应特别重视的问题。
3 D类焊接接头的质量控制难点
3.1、设计及制造过程中得不到重视
在压力容器设计中，把强度计算作为其安全性首要问题。但目前，国内压力容器的有关规范尚无D类焊缝的强度计算公式及要求，且在图样的 “技术要求” 中很少对 D 类焊接接头内部质量的检测提出要求，大多只是对其表面要求做PT或MT检测。使D类焊缝的强度可靠性在设计和制造过程中得不到足够的重视，质量意识不强，容易产生人为缺陷。
3.2、制造难度大
难度大首先表现在坡口难以用机械方法加工，目前多采用手工切割开孔的方法，而且开孔是鞍形曲面，形状复杂，导致开孔不规则，坡口的角度、钝边及间隙很难达到图样要求，使焊件装配质量差，因而直接影响后序的焊接质量。其次，D类焊缝由于结构的局限性，与对接接头相比，其坡口角度小且形状也不规则。 焊接时运条空间小，不便焊条摆动，清根难度大，时而发生清根不彻底或不清根、间隙太大从而塞焊条的事件发生，不易保证结构全焊透，容易形成夹渣、气孔、未焊透、未熔合等缺陷。
3.3、焊接质量难以检测
不带补强圈的 D 类接头可以采用超声波探伤，但超声探伤存在一定的局限性，如对球形缺陷不敏感、探伤结构不直观、无客观性记录、对缺陷种类的判断需要有高度熟练的技术等。而且超声波检测φ<150的接管D类焊缝时，需要特殊探头，且对操作者有较高的要求。而带补强圈的 D类接头无法进行超声探伤，而且带补强圈的 D 类接头坡口结构复杂，施焊难度大，焊接缺陷的产生几率也明显提高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆所以压力容器 D 类焊接接头质量较难控制的根本原因是没有有效的无损检测手段，使焊缝内部缺陷不易准确检测出来。
4 D类焊接接头质量控制方法
D 类焊接接头质量可以通过以下几个方面来进行控制。
4.1、设计和制造时合理选择坡口形式，确保全焊透的焊接结构；
压力容器的焊接是个系统工程，跨过设计和制造的两个独立的体系。设计者应学习了解制造、焊接方面的知识，以便根据不同材料、不同焊接工艺设计出合理的焊接坡口形式。为保证焊缝的强度，在设计和制造中，首先选择易于保证 D 类焊缝质量的坡口形式。X形坡口或双单边 U 形坡口的定位焊以及打底焊道很难清除，所以，对于能进行双面焊（背面可清根）的结构，应优先选择单 V 形或单 U 形坡口，且尽量拉大间隙，减小钝边并适当增大坡口角度，使正面焊基本都熔透，背面清根时在比较浅的地方也能保证清透。对于不易进行清根的结构（如直径较小的筒体），可适当加大坡口间隙，采用在背面预设金属垫板的结构。用 1～2 mm 厚的垫板与筒板和接管贴服紧密后，先将垫板与筒体和接管接触的缝隙用小参数的焊接工艺点固、封焊后，再焊其余焊道。薄的金属垫板孔的尺寸既易于机械加工，保证与接管的紧密配合，且又易于变形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 类焊接接头的全熔透，同时由于坡口截面积的增大，使施焊的难度得以降低，有利于减少缺陷。对于高合金钢和耐热钢，焊后对焊缝的较高部分进行打磨，使其与接管和筒体的连接成圆滑过度，减小因形状突变引起的应力集中，从而减少表面裂纹的产生。
4.2、提高质量意识，从思想上重视 D 类接头的质量；
D类焊接接头质量控制难度大，在制造过程中为未能引起单位领导、技术人员、检验人员和操作者应有的重视，所以必须加强相关人员的质量意识的教育。
加强焊工的技能培训工作、做好焊接工艺评定和焊接工艺指导工作。保证合理的焊接工艺，尽可能使焊接接头得到良好的金相组织，并且形成较小的焊接应力。例如，多层多道焊、小规范的焊接热输入方式，能够很好的改善焊接接头内部组织形态和化学成分的不均匀性，减小焊接内应力，提高整个焊接接头的综合机械性能。多层多道焊尤其在厚构件中有更大的意义，多层多道焊的线能量比单层焊要小的多，所产生的塑性变形也小的多，使焊缝晶粒细化。层数越多，每层所用的线能量也就越小，变形也越小。
4.3、加强焊接过程控制，细化检验环节，明确岗位职责，提高责任心。
通过培训、教育等方式，提高检验人员、操作人员的质量意识。从划线、开孔、打磨、装配、焊接工艺控制、清根、焊后打磨等环节加强质量检验控制，必要时在产品过程工艺卡中，针对D类焊缝容易产生的问题，设置停止点与检验点，并且让相关责任人签字确认。通过制定奖罚措施，提高焊工的技能水平和工作态度。
4.4、应用新科技、新技术、新设备，以提高D类焊缝焊接质量
首先从设计方面，对于压力大、危害性大等重要设备，可采用嵌入式结构，使D类焊缝变成A类焊缝，以便于使用射线或者放源检测焊缝的内部缺陷。普通插入式接管，应力集中比较大，但是制造比较容易，最为常见；嵌入式接管多采用锻件，加工困难，成本高，但受力好，大大降低了开孔后的应力集中，因为它的焊缝不在开孔的边缘。
其次焊接可使用新科技，新设备，比如马鞍半自动焊接、机器人焊接等，提高焊接质量的同时，大大提高焊接效率，并且降低人为焊接产生的不利因素。另外开孔可以选择机械开孔方法，比如镗孔、自动开孔机等，可使焊缝坡口更加精确，提高装配质量，从而为后续提高焊接质量打好基础。
5小结
综上可以从以下几个方面提高D类焊缝焊接质量：
设计和制造时，选择合理的焊接坡口和焊接工艺，确保全焊透的同时，尽可能提高焊接接头的综合力学性能；提高相关责任人的质量意识和技能水平，杜绝麻痹心里；细化检验环节、改进检验程序，把D类焊缝质量责任化；应用新科技、新技术、新设备，以提高D类焊缝焊接质量。
参开文献
[1]、GB150-2011《压力容器》.
[2]、王国璋，《压力容器焊接实用手册》，北京，中国石化出版社，2013.
[3]、田锡唐，《焊接结构》，北京，机械工业出版社，1981.
论文作者:赵保雄
论文发表刊物:《基层建设》2016年23期
论文发表时间:2016/12/7
标签：应力论文; 质量论文; 压力容器论文; 结构论文; 缺陷论文; 开孔论文; 过程中论文; 《基层建设》2016年23期论文;