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
与焊透是采用超声波探伤的先决条件。

此外，对奥氏体不锈钢焊缝，目前一般不能采用超声波探伤，按射线探伤考虑即可。

从缺陷扫查、缺陷定量定位以及探伤的可靠性出发，超声波探伤往往要求尽量进行双向探测，而且应有探头移动区。

这是因为有些缺陷从某个方向进行显示，要比从另一个方向显示容易。

因此，对于板厚不等和管壁与底座的对接接头，应该选择适当的板（壁）厚过渡区。

图7－5所示压力容器不等厚对接接头和图7－6所示接头焊缝超声波探伤的探头移动区最小尺寸la，可分别参照表7－1和表7－2确定。

图7－5 不同厚度对接接头超声波探伤的探头移动区l
图7－6 几种压力容器壳体焊接接头超声波探伤的探头移动区L
表7－1 不同厚度对接接头焊缝超声波探伤移动区最小尺寸l
板厚（mm）10≤t≤20 20≤t<40 t≥40
探头折射角70o60 o45 o,60 o
探头移动区（mm）L外面 5.5t+30 3.5t+30 3.5t+50 L里面0.7l外面0.7l外面0.7l外面
表7－2 压力容器壳体焊缝超声波探伤探头移动区最小尺寸l
板厚t(mm) R+L L L a
≤40 1.5t 1.0t 3t
>40 1.0t 0.7t 2t
④提高焊接接头的抗腐蚀性
首先要对所设计的结构在给定工况条件下可能产生的腐蚀类型有个确切了解，在此基础上有针对性地正确选择相应的耐腐蚀结构材料和焊接材料。

在结构上要避免在应力集中和高应力区布置焊缝，尽量降低对腐蚀特别敏感部位的刚度和避免可能引起过大残余应力的结合
点或区域，避免图7－7所示妨碍液体流动和排放的不合理结构死区。

焊接时尽可能采用对接接头和连续焊，而不采用搭接接头和间断焊，以免形成缝隙加剧腐蚀。

图7—7 防腐焊接结构比较
7－2 压力容器焊接接头设计
7.2.1 压力容器焊接接头的分类
锅炉锅筒、管道和各种压力容器均为受压壳体，其焊接接头的结构和要求具有同类性。

其壳体上的焊接接头按受力状态及所处的部位可分为A、B、C、D、E、F六类，如图7－8所示。

其中A、B、C、D四类均为受压壳体上直接承受压力载荷的接头；E类是非受压元件与受压壳体间的接头，不承受压力载荷；F类是受压元件表面上的堆焊接头，起耐磨或防腐蚀作用，一般不计入承压厚度。

图7－8 压力容器壳体焊接接头分类
A 类接头包括圆柱形壳体筒节（包括接管）的纵向接头，球形容器和凸形封头瓜片之间的对接接头，球形容器的环向对接接头及球形封头与筒体相接的环向对接接头，镶嵌式锻制接管与筒体或封头的对接接头，大直径焊接三通支管与母管相接的对接接头。

B 类接头系指圆柱形、锥形筒节间的环向接头，接管筒节间及其高颈法兰相接的环向对接接头，除球形封头以外的各种凸形封头与筒身相接的环向接头。

属于C 类接头的有法兰、平封头、端盖、管板与筒身、封头和接管相连的角接接头，内凹封头与筒身间的搭接接头以及多层包扎容器层板间的纵向接头等。

D 类接头是指接管、人孔、手孔、补强圈、凸绿与筒身及封头相接的T 形或角接接头。

E 类接头包括吊耳、支撑、支座及各种内件与筒身或封头相接的角接接头。

F 类接头是在筒身、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接头。

7.2.2 压力容器焊接接头的特点与设计要求
上述压力容器各类焊接接头，由于其结构型式和受力状态不同，其焊接和检验等要求也有所差异。

现作如下重点分析
（1）A 、B 类接头
压力容器上的A 、B 类焊接接头，主要是壳体上的纵、环向对接接头，是受压壳体上的主承力焊接接头。

这类接头要求采用全焊透结构，且如图7－9a 所示，应尽量采用双面焊的全焊透对接接头。

如因结构尺寸限制，只能从单面焊接时，也可采用单面坡口的接头，但必须保证能形成相当于双面焊的全焊透对接接头。

为此，采用氩弧焊之类的焊接工艺完成全熔透的打底焊道，或在焊缝背面加衬板来保焊缝根部完全熔透或成型良好，如图7－9b 、c
所示。

当对接接头二侧壁厚不等且厚度
差大于较薄壳壁厚度的1/4或3mm
时，则应将较厚壳壁接头边缘削薄。

其
斜度至少为1:3。

为避免相邻焊接接头焊接残余应
力的叠加和热影响区的重叠，压力容器
壳体上的A 类或B 类接头之间的距离
至少应为壁厚的3倍，且不小于
100mm 。

同时不应采用十字焊缝，且A 、B 类接头及其附近不得开设管孔。

若因管子密集必须开在A 、B 类接头上
图7—9 压力容器焊接接头的坡口类型
a ） 双面对接焊接接头
b ）氩弧焊封底的单面对接焊接接头
c ）加衬垫的单面焊焊接接头
时，则要对开孔部位焊缝作100％射线或超声波探伤，对超标缺陷妥善处理后再焊接接管。

容器筒身和封头上的A、B类接头均应布置在不直接受局部弯曲应力作用的部位，（见表4－3中序号4、8）。

若受压部件在载荷作用下发生弯曲而使焊缝根部受到弯曲应力作用，则不应采用单面对接接头或直角填角焊缝，如压力容器筒体与凸形封头间的连接不允许采用图7－10所示的角焊缝，而应采用对接接头或全熔透的角接接头。

图7-10 筒体与凸形封头不允许采用的连接型式
图7—11 法兰与筒壳或接管连接形式
A、B类对接接头均应按GB150的有关规定进行局部或全部射线或超声波探伤检查。

其中A类接头中的圆筒纵焊缝还应按GB150的要求作焊接试板，作为焊接质量的实际见证，而B类接头则一般不要求作焊接试板。

（2）C类接头
C类接头以用于法兰与筒身或接管的连接为最多。

法兰的厚度是按所加弯矩进行刚度和强度计算确定的，因此比壳体或接管的壁厚大得多。

对于这类接头不必要求采用全焊透接头型式，而允许采用如图7－11所示的局部焊透的T形接头，低压容器中的小直径法兰甚至可采用不开坡口的角焊缝连接，但必须在法兰内外二面进行封焊，这样既可防止法兰的焊接变形，又可保证法兰所要求的刚度。

对于平封头，管板与筒身相接的C类接头，因工作应力较高，应力状态较复杂，应采用图7－12a所示的全焊透角接接头或对接接头，并提出探伤要求，而图7－12b所示接头不允许采用。

为减小角焊缝焊趾部位的应力集中，角焊缝表面可按要求加工成圆角，圆角半径r最小为0.25倍筒壳或接管壁厚，且不小于4.5mm。

图7－12平封头或管板与筒壳间的连接示例
（3）D类接头
在压力容器和锅炉等过程设备中，D类接头主要是接管与壳体和补强图与壳体间的连接焊缝，其受力状况差，且较A、B类接头复杂，在载荷作用下会产生较大的应力集中。

在壁厚较大时，D类接头的拘束度相当大，故焊接残余应力亦较大，易产生裂纹之类的缺陷。

对于承受交变载的压力容器、低温压力容器、厚壁压力容器和高强度钢制压力容器的不利影响更为显著。

一般情况下，开孔直径越大，对容器安全性的不利影响也越大，而且接管与壳体的连接结构不同，其不利影响程度也不同。

压力容器中常见的D类接头型式有插入式接管T形接头，安放式接管和凸缘的角接接头等。

其中插入式接管T形接头又分为带补强圈和不带补强圈T形接头等型式。

此处我们仅以插入式接管T形接头为例，对其结构和焊接要求、工作可靠性及适用条件等作简要说明。

①接管壁厚的区别当接管壁厚大于壳壁厚时称为厚壁式接头，反之为薄壁式接头。

厚壁式接头其接管区的应力集中系数显著低于薄壁式，有利于抗裂性的提高，工作可靠性大为改善，适用于较高工作压力和高强度钢壳体。

经验表明，当接管壁厚与壳体壁厚之比大于
2.3时，全焊透接管区的应力集中系数一般均在2.5以下。

②接管插入壳内程度的区别当接管插入内端部与壳内壁齐平时，称为平头式接管，而接管插入端部超过壳内壁一定长度时则称为伸出式接管（见图4－12）。

在接管壁厚相同时，伸出式较平头式接管的应力集中要缓和一些，抗裂性有一定程度的改善。

③带补强圈与不带补强圈的区别补强圈主要用于对壳体开孔削弱的补强作用，但同时也使T形接头的焊缝厚度约增加了一倍。

这不仅加大了焊接工作量，且还提高了接头的拘束度，使焊接缺陷的形成机率明显增高。

这类接头也无法进行射线或超声波探伤检查，焊
接质量较难控制。

同时，补强圈与壳体间很难做到紧密贴合，在温度较高时二者间存在较大的热膨胀差，使补强区产生较大的热应力，抗疲劳性差。

故这种带补强圈的结构限用于补强圈厚度≤1.5倍壳壁厚度或壳体名义厚度≤38mm和抗拉强度下限бb≤540MPa的钢制压力容器。

超出此限可采用厚壁管代替补强圈。

图7－13 插入式接管T型接头
a)带补强圈局部焊透伸入式T型接头；b)不带补强圈局部焊透伸入式T型接头；
c)不带补强圈全焊透平头式角型接头。

带和不带补强圈的T形接头，均具有开坡口与不开坡口、单面焊与双面焊、全焊透与局部焊透和接管端部为平头式与伸出式等不同结构，设计时应仔细考虑这些区别。

图7－13仅为个别结构示例，详情可参见GB150附录J。

④局部焊透与全焊透的区别不论何种型式的接头，均有局部焊透与全焊透两种情况。

其中局部焊透的接头在其未焊透处的焊缝根部会产生较大的应力集中，也易于形成裂纹等焊接缺陷，其工作可靠性不如全焊透结构好。

故这种结构一般仅适用于中、低压和无急剧温度梯度的碳钢与16MnR之类强度较低的普通低合金钢制压力容器。

长期的使用经验证明，在各种型式的接管接头中，全焊透的插入式接管T形接头工作可靠性最好，使用寿命最长。

这种结构便于进行超声波探伤，可以对接头的焊接质量进行有效控制。

设计时若恰当地采用厚壁接管，使接头在满足强度要求的同时具有一定的柔性，减小拘束度，则接头的应力集中系数会进一步降低，从而使其工作可靠性更好。

高温高压容器、低温压力容器和承受交变载荷与具有急剧温度梯度的压力容器，以及低合金高强度钢制容器上直径大于100mm的接管均应采用这种全焊透T形接头。

对于承受疲劳载荷、低温和抗拉强度бb>540MPa的钢制压力容器，还应将接管端部内棱角和外表面角焊缝加工成圆角，以便进一步降低应力集中系数。

据国外现行压力容器规程规定，插入式接管的壁厚当超过壳体厚度的一半时，应采用全焊透的T形接头，但超过壳体表面的角焊缝厚度仅取壳体厚度的20％或接管壁厚的10％，且不小于6mm即可满足强度要求。

因此若仅从强度角度来看，没有必要加大此角焊缝的尺寸。

相反，角焊缝尺寸加大不仅使焊接工作量增加，多耗焊材，且还会加剧接头残余应力和热影响区性能的恶化，最终导致接头可靠性降低。

对于各种D类接头，设计时应注意按GB150中的有关规定提出磁粉或其它方式的表面探伤要求。

（4）E类接头
支座和各种内件等非受压元件与受压壳体间相连的E类接头，一般是采用搭接或角接接头。

支座等元件不承受介质的压力载荷，但要承受重量或其它机械载荷，其接头的焊接与检验要求可视元件具体受力情况区别对待。

例如立式容器裙座与封头间的搭接接头（图7－14a、b）、对接接头（图7-14c、d）和球罐与其支柱间的搭接接头，除承受设备和物料的总重外，还要受到风与地震等载荷的作用。

其接头必须采用全焊透结构，并保证焊缝断面有足够的强度尺寸，同时还应按有关标准进行严格控制和检验。

图7－14 裙座与封头相连的搭接接头和对接接头
图7－15 承载附件与壳体的连接接头
吊耳、支架和角撑等附件与壳体的连接接头要承受相当大的支撑载荷。

这些接头应采用图7－15a所示双面坡口的全焊透角焊缝，其单侧角焊缝的厚度应为附件连接厚度的0.7倍，且不小于6mm。

而加强筋之类无强度要求的连接焊缝，则可采用图7－15b所示的不开坡口双面角焊缝，其角焊缝的厚度应等于附件连接处厚度的0.7倍且不小于6mm。

厚壁壳体上的E类接头要注意产生层状撕裂的可能，特别是当附件与超过100mm的厚壁壳体相连的焊缝，为防止焊缝底部在厚壁壳上产生层状撕裂，应按图7－15c所示，在壳体表面的连接部位加工出一定深度的凹槽，采用塑性优良的焊条预堆焊至与壳体表面齐平，再用砂轮将堆焊表面修磨平整，最后将附件与堆焊层相焊。

若壳体和附件材料为低合金钢，应注意焊后对焊缝作表面磁粉探伤，对发现的超标缺陷，予以修磨除掉或作焊补。

7.2.3 压力容器焊接接头坡口设计
压力容器和锅炉等设备中的焊接接头焊缝，当壁厚较大时均应开设坡口。

其目的是为了使焊缝全部焊透和减少或避免焊接缺陷，保证焊接质量。

图7－16所示为对接接头中常用的几种坡口形式，其主要结构参数有坡口角度α，钝边高度p和根部间隙b等。

其中α的作用是使焊条或焊丝便于伸到坡口底部并作必要的摆动或偏移，以便获得良好的熔合，便于脱渣和清渣；纯边p的作用是防止烧穿和熔化金属流失；间隙b是为了保证焊透。

坡口的形状和尺寸与焊接方法、焊接位置、焊件厚度、焊透要求、焊接变形的大小以及生产率和经济等因素有关。

设计师应全面考虑这些因素，设计或选择适宜的坡口形状和尺寸。

（1）坡口形状和尺寸的主要影响因素
①单就操作而言，坡口愈小，耗用焊接材料愈少，生产效率和经济效益愈高。

因为填充金属的多少直接取决于坡口截面，坡口愈大，填充金属愈多，焊接时间也就越长。

同时大的坡口会引起较大的焊接变形和残余应力，耗用矫正工时。

②焊接方法首先决定是否需要开坡口，例如电渣焊均不需开坡口；手工电弧焊由于其熔深较浅，厚度大于6mm的钢板就要开坡口；而埋弧自动焊其熔深大，24mm以下钢板双面焊可以不开坡口。

坡口尺寸也与焊接方法有关，手工电弧焊与气体保护焊相比，前者坡口角度应大些。

因为手工电弧焊的焊条较粗，且焊缝表面有较厚的熔渣层，较大的坡口便于焊条伸入坡口底部，也便于脱渣和清渣。

气体保护焊时焊缝表面无熔渣，焊丝直径也较小，故坡口角度可开小些。

熔化极气体保护焊的V形坡口角度一般可取45∽50o，而手工电弧焊的V形坡口角度一般要≥60o。

③在焊接方法一定时，坡口的形状和尺寸主要决定于板厚的大小。

板厚由小到大，应依次分别采用V形、X形和U形等坡口。

这样可以减少焊接材料用量，利于控制焊接变形。

④焊件的材料不同，对坡口的形状和尺寸要求也有差异。

例如低碳钢对焊接热循环不敏感，可以采用高线能量的焊接规范参数，为便于操作，坡口截面应大些；而铬镍奥氏体不锈钢，对焊接热循环敏感性大，要求采用小线能量焊接，其坡口应尽量小些，以避免焊接热的多次作用。

又如镍及镍合金焊接时其溶池液体粘度较大，流动性差，熔深浅，焊接过程中易出现夹渣和末熔合等缺陷，故其坡口角度应适当加大，根部钝边适当减小，其V形坡口角度一般为80∽90o。

（2）坡口形状与尺寸的设计
焊接接头坡口的设计或选择，主要考虑的原则是：保证焊透；坡口易于加工；尽可能地节省填充金属，提高焊接生产率；焊件产生的变形和残余应力尽可能地小。

对于低碳钢和低合金钢制压力容器等过程设备的各种焊接接头，其手工电弧焊，气体保护焊和埋弧自动焊的。