压力容器焊接接头设计

7 承压设备焊接接头设计

焊接接头由焊缝金属、热影响区及相邻母材三部分组成。在压力容器、锅炉和管道等过程设备中，焊接接头不仅是重要的连接元件，而且与所连接部件一起承受工作压力、其它载荷、温度和化学腐蚀介质的作用。焊接接头作为整个受压部件或承压设备不可分割的组成部分，对运行可靠性和工作寿命起着决定性的影响。因此，焊接接头的正确设计对于保证产品的质量具有十分重要的意义。

7．1 焊接接头设计基础

7.1.1 焊接接头的基本类型与特点

焊接接头主要起两个作用：一是连接作用，即把被焊件连成一个整体；二是承力作用，即承受被焊工件所受的载荷。焊接与被焊工件并联的接头，焊缝仅承担很小的载荷，即使焊缝断裂，结构也不会立即失效，这种接头中的焊缝称为联系焊缝，如图7－1a所示。焊缝与被焊工件串联的接头，焊缝承受全部载荷，一旦焊缝断裂，结构会立即失效，这种焊缝称为承载焊缝，如图7－1b所示。设计时联系焊缝不一定要求焊透或全长焊接，也不必计算焊缝强度，而承载焊缝必须计算强度，且必须采用全熔透焊接。过程设备中常用的典型焊接接头类型有对接接头、T形或十字接头、搭接接头和角接接头等，如图7－2所示。

(a) (b)

图7－1 联系和承载焊缝

a）联系焊缝b）承载焊缝

对接接头较其它接头受力状况好，应力集中程度小，焊接时易保证质量，是优先广泛应用的接头。对于不同厚度的焊件，为了保证焊透，大多都要把焊件的对接边缘加工成各种形式的坡口。对接接头焊前对工件的边缘加工和装配要求较高。通常设备壳体上的纵、环焊缝均为对接接头。

T形及十字形接头能承受各种方向的力和力矩，其接头亦有不同类型，有不焊透和焊透的，有不开坡口和开坡口的。不开坡口者通常均为不焊透的，其应力集中很大，不适用于重载或动载荷。开坡口焊透的T形或十字形接头其应力集中显著减小，适用于承受动载荷及

重载荷。接管、人孔等与设备壳体或封头相连的多为T形或角接接头。

搭接接头的应力分布很不均，受力状况不好，疲劳强度较低，不宜承受动载荷。压力容器上的补强圈或支座与壳体和封头的连接一般为搭接接头。

搭接接头T形和十字形接头角接接头

图7－2 焊接接头基本类型

角接接头是两被焊件端部间构成大于30o，但小于135o夹角的接头。其承载能力与其连接形式和坡口类型有关。法兰、平封头、管板等与筒身和封头的连接一般为角接接头。

7.1.2 焊接接头设计的内容与准则

焊接接头与其它连接形式，如铆接、胀接和螺栓连接相比具有令人注目的优点，如减轻结构重量，受力均衡，制造成本低、生产周期短等，但也不可忽视其各区组织不均一性、性能不均一性和存在各种焊接缺陷等缺点。

焊接结构设计师尤其应重视上述缺点，从设计上采取有效的措施，尽量克服或减小其不利的影响，以确保设备的可靠性。

焊接接头设计的基本内容为：

①确定接头型式和位置；

②设计坡口形式和尺寸；

③制定对接头质量的具体要求，如探伤要求等。

接头设计的基本准则是：

①焊接接头与母材的等强性等强性的含意应包括常温、高温短时强度，高温持久强度，静载和交变载荷下的强度。

②焊接接头与母材的等塑性接头的塑性与母材的塑性不同。接头塑性主要是指接头在结构中的整体变形能力，能经受受压部件在制造过程中和运行过程中复杂的受力条件。

③焊接接头的工艺性焊接接头应布置在便于施工，焊接和检查（包括无损探伤）的部位，焊接坡口形状和尺寸应适应所采用的焊接工艺，具有较高的抗裂性并能防止焊接变形，应易于形成全焊透的焊缝并能避免形成其他焊接缺陷。

④焊接接头的经济性焊接是一种消耗能量和优质焊材的工艺过程，故应尽量减小焊接接头的数量，在保证接头强度的前提下减薄焊缝的厚度。在设计焊接坡口形状时，应在保证工艺性的前提下，尽量减小坡口的倾角和截面。对于壁厚较薄的受压部件应尽可能采用不开坡口的先进焊接工艺。

7.1.3 焊接接头设计注意要点

在设计焊接接头时，设计人员一般除了依据上述基本设计准则，注意正确合理地选择焊接接头类型，坡口形状和尺寸外，还必须注意接头的可焊到性、可探伤性以及为防止或减小腐蚀等问题。

①接头的可焊到性

熔焊接头焊接时，为保证获得理想的接头质量，必须保证焊条、焊丝或电极能方便地到达欲焊部位，这就是熔焊接头设计时要考虑的可焊到性问题。如图7－3所示，左边箭头所指不便于焊接，质量难以保证；中间便于焊接，但为角焊缝，受载时焊缝根部会产生较大的应力集中；右边改为对接焊缝，不但便于焊接，受力状况好，而且也便于无损探伤检验。另外，有的结构只能在一侧进行焊接，另一侧由于空间狭小无法进入。例如各类管道和直径小于500mm的压力容器，均存在不能由内侧施焊的问题；大直径容器最后组装的封头与筒体连接环焊缝，若无人孔也无法进入内部焊接。这种情况设计时应注意将坡口开在外侧，便于在外面进行单面焊双面成型工艺。

图7－3 可焊到性接头比较

②尽可能改善施焊环境

在注意可焊到性的同时，还应重视尽可能地改善焊接施工的环境。对于能在内外两侧进行焊接的设备，应注意在壳内进行焊接时大多会有烟尘等有害气氛的影响，其焊接环境较外面差。特别是在内部空间狭小，排气不良和预热条件下，其施焊环境就更差，不但有害焊工健康，而且对确保焊接质量也会产生相当的不利影响。为此，可采用内小外大的双面坡口或开在外侧的单面坡口，使大部焊接工作量在外面完成。同时也要注意尽可能选择施焊环境

好的焊接方法，如埋弧焊放出的有害气体较手工电弧焊少，又没有明弧的有害作用，劳动强度也小。

③接头的可探伤性

主要是指无损探伤的可能性与方便性。焊接

质量要求越高的接头越要重视接头的可探伤性，

特别是射线和超声波的可探伤性。对于射线探

伤，探伤前要根据工件形状和接头形式来选择照

射方向和底片的安放位置。一般来说，对接接头

最适于射线探伤，通常一次照射即可；而T形

接头和角接头的角焊缝有时需从不同方向多次

照射才不至于漏检。图7－4左面所示接头均不

适于X射线探伤，而改为右面所示接头就可以

了。其中图a是压力容器上的插入式接管角焊

缝接头，其焊缝的下方即不能平放也不能弯曲放

置胶片。图b是平封头与筒体之间的连接接头，

图b1不宜射线探伤，图b2虽有改善，也不合

适，只有图b3才适宜射线探伤。图c为T型接

头，图c1不宜射线探伤，图c2才能进行射线

探伤。从构件截面过渡考虑，图d1过渡陡峭，

使射线探伤变得困难，图d2过滤平缓，但局部

的壁厚差别仍会影响探伤，图d3将接头移到过

渡段以外，虽然加工复杂，但最宜于射线探伤。

图e1是未熔透的对接接头，由于存在未熔合间

隙，不可能进行探伤，只有图e2那样的熔透接

头，才可进行射线探伤。图f为三通式管接头，

只有如图f2那样设计，才能便于进行射线探伤。

插入式接管接头图g1，由于厚度差别加上空间

曲率，也不宜进行射线探伤，改成图g2的形式，

射线探伤就方便了。

超声波探伤对接头检测面要求具有可接近性和可移动性。但是，所有存在间隙的T型接头和未熔透的对接接头，都不能或者只能有条件地进行超声波检测。所以接头的根部处理