压力容器制造缺陷对壳体安全的影响

摘要:本文将压力容器壳体制造过程中所产生的主要缺陷归结为缺口、几何形状不连续及残余应力三类,并介绍了这些主要缺陷的特性和对壳体安全的影响。

关键词:缺陷;壳体安全

压力容器壳体制造过程中所产生的缺陷种类有很多,但从本人多年从事压力容器生产制造的经验来看,可主要归结为缺口、几何形状不连续及残余应力三类。以下分别介绍这三类主要缺陷的特性和对壳体安全的影响。

1 缺口的影响

大部分焊接缺陷,如咬边、未焊透、气孔、夹渣和焊缝凹陷等,都是在焊缝或焊缝附近形成缺口,它们通常从两个方面影响壳体的安全。一方面是由于缺陷的存在,减少了焊缝的承载截面积,削弱了焊缝的静力拉伸强度,严重时也会导致壳体的延性破坏。这种影响的严重程度主要取决于缺陷截面积的大小,可以直接计算,比较容易估计和评价。另一方面,也是主要的方面,是由于陷口的存在改变了缺口周围的受力条件,不利于材料的塑性变形,使之趋于和处于脆性状态,同时还引起缺口根部的应力集中,易于产生裂纹和使裂纹扩展,导致壳体的脆性破裂、疲劳破裂或应力腐蚀破裂。

构件由于存在缺口而引起应力的不均匀分布,其严重程度常用应力集中系数来表示,它等于截面上最大应力与平均应力之比。实验证明,应力集中系数的大小取决于缺口的尖锐程度。缺口越尖锐,即缺口根部的曲率半径越小,应力分布越不均匀,应力集中系数越大,越容易引起脆性的破坏。

估计和评价谋一类缺口对壳体安全可以产生的影响,除要考虑缺陷的大小及尖锐程度外,也要考虑壳体的制造材料和使用条件可能导致的破坏形式。就缺陷本身而言,上述带有缺口的各类焊接缺陷对壳体安全可能产生的影响并不相同。

焊缝凹陷。严重时会削弱焊缝的静载强度,但作为一种缺口,通常是平缓过度,即根部的曲率半径较大,不会引起严重的应力集中。

气孔和夹渣。一般属于体积型缺陷,可以减弱焊缝的承载截面积。但一些实验资料表明,气孔率不大于7%可以忽略其对焊缝静力强度的影响。而由于气体和夹渣引起的应力集中,对焊缝的疲劳强度有较明显的影响,气孔率超过3%,疲劳强度将下降50%左右。

对接焊缝的未焊透。在焊缝中形成明显的缺口,产生较为严重的应力集中。有试验数据表明,未焊透厚度不超过焊件全厚度20%时,应力集中系数保持为一常数,其值约为4~5;未焊透厚度超过焊件全厚度20%较多时,应力集中系数随未焊透厚度的增加而增大,一者成线性关系。所以,未焊透往往是脆性破裂和疲劳破裂的根源。

咬边,咬边是一种比较尖锐的缺口,根部应力集中比较严重,应力集中系数常可以大于3,是仅次于裂纹的一种脆裂的根源。

焊接裂纹。可以视作最尖锐的一种缺口,它的根部曲率半径接近于零。壳体的脆性破裂事故有很多是由于焊接裂纹引起的。裂纹还会加剧疲劳破坏和应力腐蚀破坏,所以裂纹是焊接缺陷中最为严重的一种缺陷,也是锅炉和压力容器中最危险的一种缺陷。

2 几何形状不连续的影响

壳体几何形状的不连续,如表面凹凸不平,截面不圆和接缝角变形等,当壳体承受压力时会在壳体内形成附加弯曲应力和剪应力,导致局部应力过高。

几何形状的不连续引起的附加应力的大小,取决于不连续处的过渡情况。尺寸和形状的突然变化可以引起很大的附加应力,如果变化十分缓和,则附加应力相应较小。

截面不圆是筒节与筒节、筒节与封头接缝形成错边的原因之一。除此之外,不圆的筒体承受内压时,由于它的“趋圆”变形,在筒体内要产生周向附加弯曲应力。最大的周向弯曲应力产生在长径部位,其值可以按下式近似计算:

σb=(3/4)P×(D/δ)2×(Dmax-Dmin)/D

式中:σb-由于筒体截面不圆产生的最大周向弯曲应力,MPa;

P -筒体承受的内压,MPa;

D -筒体平均直径,mm;

Dmax -不圆截面上的最大值径,mm;

Dmin -不圆截面上的最小值径,mm;

δ -壁厚,mm。

可以看出,如果截面不圆度过大,承受内压圆筒内的附加弯曲应力是不容忽视的。对于受外压的圆筒,截面不圆会降低其临界压力,严重时会由此失去稳定性而被压瘪。

表面局部凹陷和凸出所产生的影响,其严重程度决定于凹陷(或凸出)的大小和深度。一般说来,直径越大深度越小,几何形状的变化就越平缓,对安全的影响也越小。在加工成形中所产生的凹凸不平,一般都是比较缓和的。

焊缝过份加强(凸起)也会造成局部结构的不连续,引起局部附加应力。这种缺陷往往不被人们注意。它虽不会影响焊缝的静力强度,但却显著降低构件的疲劳强度。

接缝错边一般都在焊接时用熔注金属填补过渡(如果未焊补过渡则应视作缺口),但其形状的变化仍然是比较明显的,这种缺陷和接缝角变形都是在几何形状不连续中影响最大的缺陷。对于频繁启动和反复变载的壳体,错边和角变形主要降低它的疲劳强度,缩短疲劳寿命。严重的错边和角变形也可以直接造成壳体断裂事故。

3 残余应力的影响

在壳体经受焊接和冷加工(压制、弯卷)之后,常常在壳体内残留有一部份内应力。即制造中或制成后的壳体在没有承受压力的情况下,一部分壳壁即处于有应力的状态中。这种残余应力有时可能很大,特别是焊接残余应力,在个别情况下,甚至可以接近或达到材料的屈服点。残余应力不是壳体上的机械缺陷,但它常是导致缺陷的基本因素,它的存在同机械缺陷一样,对壳体安全有十分不利的影响。

焊接残余应力的产生,是因为金属熔焊时,焊缝的熔注金属是在熔融的状态下填充在焊件的接缝中的,当焊缝及其周围的母材冷却时,这些熔注的金属就要收缩,但它以受到刚性焊件的限制,因而焊缝金属沿长度方向即受到拉力,这就是残余应力。焊接残余应力的大小取决于焊件对焊缝收缩变形的约束程度。焊件越厚,刚性越大,焊后残余应力越大,应力状态也越复杂。冷加工产生的残余应力则与加工变形的程度有关,冷加工变形越大,残余应力也越越大。

残余应力有时可以大到使壳体产生裂纹或使裂纹扩展的程度。如果所使用材料的韧性较差,就会在没有外力的作用下使壳体自行破裂,或者使壳体产生裂纹,然后在承受压力时产生破裂。留存在壳体内的残余应力即使不至于产生裂纹,也会在壳体承压后增大壳壁内的应力水平,加剧壳体的疲劳破坏和应力腐蚀破坏。

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