焊接接头系数在压力容器设计中的选取

焊接接头系数在压力容器设计中的选取

摘要：文章针对压力容器设计计算过程中的焊接接头系数，分析了焊接接头系数的实质，探讨了各种常见结构焊接接头系数的选取。

关键词：压力容器；焊接接头系数；选取

焊接接头是焊接压力容器结构中最重要的连接部位，它是由焊缝区、熔合面、热影响区和基本母材四部分组成。一般情况下，压力容器的焊接接头采用要求焊接接头的最低抗拉强度应不小于母材的标准抗拉强度的等强度设计原则，但焊接接头在由液态到固态凝固过程中，总是存在着各种裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等焊接缺陷，局部的不均匀冶金过程导致焊接接头内部组织不均匀，这些因素都会影响到焊接接头的强度。由此可见，焊接接头是压力容器结构中比较薄弱的环节，它的性能将直接影响压力容器的质量和安全。因此，在压力容器设计计算过程中，引入焊接接头系数φ的概念，定义为焊接接头的强度与母材强度之比，用以反映由于焊接原因使焊接接头强度被削弱的程度。在压力容器设计过程中，正确地选择焊接接头系数φ，不仅涉及到容器安全性和可靠性，还涉及到容器设计制造过程中的经济性。文章依据《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB150和相关规范标准，以焊制压力容器为讨论对象，探讨压力容器设计过程中如何正确选取焊接接头系数φ。

1焊接接头的分类和焊接接头系数的选取分析

我国在国家标准GB150中对压力容器焊接接头的分类有明确的规定，根据接头的位置和形式，分为A、B、C、D四种类型（如图1所示）。其中A类主要指圆筒部分的纵向接头，凸形封头的拼焊接头等；B类主要指壳体部分的环向接头；C类包括平盖、管板、法兰与圆筒的非对接接头；D类包括接管、人孔、凸缘、补强圈与圆筒的连接接头。

从JB/T4730《承压设备无损检测》与之对应的无损检测方法来看，对A、B 类接头规定采用射线或超声检测，C、D类接头采用磁粉或渗透检测可知，A、B 类接头应为对接接头，C、D类接头应为角接接头。而根据规则设计的强度计算一般考虑受压元件承受一次的最大薄膜应力，即起控制作用的一次应力进行设计计算的。由此可见，用于压力容器受压元件设计计算的焊接接头系数φ选取，是指该容器元件上承受最大应力作用的对接接头，即所谓起控制作用的A、B类焊接接头。C、D类角接接头仅考虑结构尺寸，以满足焊接接头的强度要求，不使用焊接接头系数。

2焊接接头系数的规定

GB150规定根据压力容器受压元件的对接接头的焊缝型式及无损检测的长度比例确定焊接接头系数φ。

双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头（如氩弧焊打底的单面焊对接接头）：

100%无损检测φ=1.0；

局部无损检测φ=0.85；

单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）：

100%无损检测φ=0.9；

局部无损检测φ=0.8。

3焊接接头系数φ在设计过程中选取

基于上述原则，下面就不同的受压元件强度计算公式中焊接接头系数φ的选取做一一说明。

①内压圆筒体。

= （1）

此公式是根据圆筒体所承受最大薄膜应力-周向应力导出的，因此φ要根据圆筒A类焊接接头选取，取值根据上述GB150焊接接头系数φ的规定。如果圆筒体为无缝钢管时，则A类焊接接头不存在，φ=1.0。

②内压球壳（或球形封头）。

= （2）

由于球壳的周向和经向应力相等，因此φ要根据球壳的A类拼接焊缝选取，取值则根据封头成形方式分为两种情况：第一种为先分瓣成形再拼焊的封头，取值根据GB150焊接接头系数φ的规定；第二种为先拼焊再成形的封头，根据GB/T25198《压力容器封头》的规定，需要成形后100%的RT或UT无损检测，目的是为了检验封头成形时拼焊接头较大的塑性变形时有无超标缺陷出现，因此焊接接头系数φ的取值和其他主要受压元件如筒体要求一致，以满足容器整体设计“等强度原则”。

③内压椭圆形封头。

= （3）

椭圆形封头的最大应力在顶点或过渡区，因此φ要根据椭圆形封头的A类

拼接焊缝选取，取值同球形封头。

④内压碟形封头。

= （4）

碟形封头的最大应力在过渡区，因此φ的选取同球形封头。

⑤内压无折边球冠形封头。

= （5）

φ的选取同球形封头。

⑥内压锥形封头。

=•（6）

φ要根据锥形封头的A类焊接接头即环向对接接头选取，取值根据GB150焊接接头系数φ的规定。

由于锥形封头又分为无折边锥形封头和折边锥形封头，下面分别论述。无折边锥形封头需要加强时有如下设计计算公式：

第一，锥形封头大端。

= （7）

此公式是根据锥形封头与圆筒体连接处最大应力-轴向弯曲应力导出的，此时主要承力焊接接头为锥形封头与圆筒体的环向对接接头，因此焊接接头系数φ要根据锥形封头与圆筒体的环向对接接头选取，取值根据GB150焊接接头系数φ的规定。

第二，锥形封头小端。

= （8）

此公式是根据锥形封头与接管连接处最大应力-径向弯曲应力导出的，径向弯曲应力影响到锥形封头的纵向接头、接管的纵向接头、锥形封头与圆筒体的环向对接接头，因此焊接接头系数φ要选取三者各自的焊接接头系数的最小值，取值根据GB150焊接接头系数φ的规定。

折边锥形封头分为两部分：大端过渡区焊接接头系数φ类似于碟形封头的取值；与过渡区连接的锥体焊接接头系数φ按内压锥形封头的取值。

⑦平封头。

=DC• （9）

由于平封头的最大应力根据平封头与筒体连接结构不同在平封头的周边或中心，因此φ要根据平封头的拼接焊缝选取，取值根据GB150焊接接头系数φ的规定。

在这里，所强调的焊接接头系数φ选取仅用于设计计算过程中，这并不意味着我们忽视其他类焊接接头。对于此方面的内容，相关规范、标准和资料中有大量的规定和论述，就不再赘述。

4结语

综上所述，焊接接头系数φ是为了适应压力容器按规则设计需要而提出的理论系数，它实质代表着对压力容器焊接质量的不信任程度。因此，就要求我们在压力容器设计过程中，正确理解焊接接头系数φ含义和相关规定，正确取值，这样才能做到既保证容器的安全性，又实现压力容器制造的经济性，实现节能降耗的目的。

参考文献：

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[2] 王非.化工压力容器设计:方法、问题和要点[M].北京:化学工业出版社,2009,(2).

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