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压力容器圆筒环向对接焊缝棱角的控制

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压力容器圆筒环向对接焊缝棱角的控制
【摘要】分析了在压力容器制造中，圆筒环向对接焊缝变形形成棱角的产生原因和影响，并提出了相应的技术控制措施，为提高压力容器焊的接质量、使之符合制造的标准、满足设备使用的性能及安全性能的要求提供了有效的保障
【关键词】压力容器；圆筒环；向对接焊；缝棱角；控制一、前言
当物体受到外力(或外部环境因素作用而发生变形时，在其内部就会出现一种抵抗变形的抗力，这种力就为内力。内力的大小与外力相等，方向则与外力相反，但和外力保持平衡。物体由于受到外力的作用，在单位截面积上出现的内力则称为应力。由于焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，焊接时热源以一定的速度移动，焊件上任一点受热的作用都具有瞬时性，即随时间而变。在集中热源作用下加热速度很快，在很短时问内，热量从热源传递到焊件上，随着热源向前移动，曾被加热达到高温的金属迅速导出热量而冷却降温，使接头区域发生不同程度的热弹塑性变化，焊后将产生不均匀的应力状态和各种变形。二、在焊接过程
由于焊接热源和焊接热循环的特点，焊接金属受热膨胀及冷却收缩的程度也不同，这样，在工件内部就会产生焊接应力，而在外则表现为焊接变形。对于圆筒环向焊缝焊后产生的轴向棱角变形，其本质就是焊缝的角变形，这是因为圆筒上环形焊缝所引起的纵向(即圆筒的切向残余应力二分布规律与平板纵缝略有不同。试验证明，当圆筒直径与厚度之比较大时，二的分布和平板上的情况相似(见图1）。其数值取决于圆筒直径、厚度和以及焊接后压缩塑性变形区的宽度，环缝上的二随圆筒直径的增大而增加，随塑性变形区的扩大而降低。直径增大，其应力分布状态逐渐与平板对接的接近；当直径较小，或压缩塑性变形宽度增大时，残余应力二有所降低。所以，当压缩塑性变形宽度区增大时，残余应力民降低，而产生棱角变形的可能性就增大。
产生圆筒轴向棱角变形，一般多数表现为外观呈内凹形式(焊缝角变形，究其原因有:圆筒对接环向焊缝，在实际制造中多采用内坡口形式，先进行筒体内施焊，然后在筒体外侧进行焊缝清根和施焊，或在筒体外侧开单面坡口，用氟弧打底进行的单面焊形式。不论采用那种方法，最后施焊面都是在筒体的外侧。这样，圆筒环向对接焊缝就易产生轴向棱角变形(内凹。这是由于最后面的焊接都在筒体的外侧(多层焊，因为焊接加热时，筒体一部分因受热而膨胀，由于它的膨胀而对未受热部分产生拉伸应力，同时受热膨胀伸长的部分由于受到筒体未完全受热部分(温差的阻碍以及筒体本身的拘束，而承受压缩应力，结果使得加热侧突起，而未完全加热侧则凹进(暂时内应力和暂时变形。在焊接条件卜，加热侧将被压缩到塑性状态，而冷却后又会产生收缩，其收缩值正是本身塑性压缩值。当焊接后，冷却收缩时，使原来外凸出部分变成向里凹进。这样，当一侧加热时的暂时应力与暂时变形，和冷却之后的残余应力与残余变形凹凸方向正好相反。即当暂时应力为拉应力时，残余应力为压应力;反之，暂时应力为压应力时，残余应力则为拉应力，变形即也同样。
造成焊接应力与变形的有效区段不仅仅是焊缝，还有近缝区因受高温而产生的塑性压缩的基本金属，而当局部加热温度越高，加热越不均匀(温差越大，则产生压缩塑性变形的可能性越大，从而形成残余变形的可能就越大，这样圆筒体环向焊缝在外观上现出轴向棱角(内凹变形(见图2。
压力容器圆筒环向焊缝的棱角变形，首先会造成筒体的直线度不符合制造标准的要求。若是塔式容器，将直接影响塔的垂直度要求，塔内件安装亦无法达到设备的操作工艺要求。对压力容器的焊缝质量影响也很大，因为环向焊缝构成一个封闭回路，称之为封闭焊缝，封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，本身的内应力比自由状态时大，还由于棱角引起的外形突变，造成明显的局部结构不连续等，因而引起在焊接接头形成局部很高的应力集中，以及可能造成

的错边，降低了焊缝的有效截面，减弱了焊缝接头的强度，从而使焊缝的疲劳寿命明显下降，直接影响压力容器的制造质量和使用性能，并影响到安全使用。三、控制措施
以平板为例，对于厚度相同的对接接头，坡口形式对产生的角变形有很大影响。单面V型坡口的角变形，比单面U型坡口大，而以板厚两侧对称的双面V形或双面U形坡口，一般产生的角变形比单面V型坡口或单面U型坡口要小，因为双面焊接引起的角变形能相互推抵消，所以应尽量采用对称的双面坡口。不同的焊接方法，焊接线能量输入不同，所形成的焊缝截面积形状、焊缝成形均不同，因而产生的应力与变形也不同，故应避免采用大线能量输入的焊接方法，而尽量采用较小线能量的焊接工艺参数并控制层问温度，从而减小由于大的焊接线能量带来的热循环变化(温差引起的局部过大的塑性变形而产生棱角。当焊缝开双面V形或双面U形的对称坡口时，由于两面不可能同时施焊，便产生焊接先后的问题。在实际制造中，往往先焊接筒体内侧坡口的焊缝，再清根焊接筒体外侧坡口的焊缝，就容易产生明显的轴向棱角变形(向内凹进。原因是:先焊面的焊缝已成形，增加了局部加热温度的不均匀性，使后焊后冷却卜来的外侧焊缝压缩塑性变形增大，加上拘束度的影响，就易产生棱角变形。因而建议采用双面交替焊，最后一面完成的一至二层焊缝留到筒体内侧完成，将最后所产生的压缩塑性变形来抵消(反变形已可能出现的内棱角。并且控制每层的焊道数，应采用多层焊而不宜采用多道焊，以减少焊道数对变形量的形响。这样，掌握了焊接顺序对变形影响的规律，就可以灵活运用它去控制变形，从而减小和控制圆筒环向焊缝产生轴向棱角变形。必要时，可以改直通焊为分道焊。因为采用连续的直通焊，将会造成较大的变形，这除了焊接方向因素之外，焊缝受到长时问加热，也是一个主要原因。将直通焊改为分段焊，并适当地改变焊接方向，使局部焊缝造成的棱角变形减小或相互抵消，以达到减少总体棱角变形的目的，对制造过程中，可能产生的圆筒轴向棱角变形得到有效控制，满足压力容器制造标准的要求，并提高设备的制造质量和使用性能。结束语
本文对在压力容器制造中，圆筒环向焊缝产生轴向棱角度的原因作了分析;对焊接过中造成的筒体环向焊缝产生应力的过程，以及焊后产生残余应力和变形作了分析;并对焊后残余变形与产生棱角度之问的联系作了阐述;分析了圆筒由于产生环向棱角后，对压力容器焊缝质量及设备使用性能的影响;最后提出在压力容器制造过程中，对产生圆筒环向焊缝轴向棱角变形的具体控制措施;使在压力容器制造过程中，对可能产生的圆筒轴向棱角得到有效控制，避免在制造过程中，因未采取控制措施而产生的轴向棱角变形，从而增加生产成本并影响制造质量和设备的整体使用性能。参考文献：
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