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1、4 焊接结构的变形与断裂 4.1 焊接结构的变形 4.1.1 过程设备常见焊接变形与规律 (1)纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形 (2)横纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形 在细长构件上，若沿长度方向一侧的焊缝 较多,往往使整个构件产生明显的纵向弯曲变形.,一般情况下，焊缝横向收缩引起的弯曲变形 率约为同样长度的焊缝纵向收缩所引起的弯曲变 形率的13倍。 可见焊缝的横向收缩危害更大 (3)横向收缩引起的角变形或挠曲变形 当焊缝的横向收缩变形量沿厚度方向不均,接 头就会产生角变形 变形角总是在焊缝金属多的一面 一般坡口角变形 在板厚和坡口形式相同时，多层焊较单层焊 角变形大,多道焊较多层焊角变形大 材
2、料或焊接方法不同，角变形也不同 过程设备壳体上的对接纵焊缝，随其坡口形 式不同，会产生外凸或外凹的角变形。 接管与壳体连接的角焊缝也会产生不同程度 的角变形。,4.1.2 焊接变形的危害与控制 危害: 变形局部附加弯曲应力,导致断裂; 外压容器降低其临界压力，易导致失稳破坏. 控制: 防止 减小 消除 (1)合理设计焊接结构 尽量采用小焊缝尺寸, 采用对称原则配置焊接附件和焊缝 (2)工艺措施 采用线能量的焊接方法,手工电弧焊 比气焊变形小,各种气体保护焊均有利于减小焊 接变形 采用反变形法 采用刚性固定法 仅限塑性好的材料 合理地确定装配焊接次序 (3)焊接变形的矫正 机械压力矫正 火焰加热
3、矫正法,4.2 焊接压力容器的断裂破坏 4.2.1 焊接结构的特点与断裂破坏类型 (1)焊接结构特点 节省材料，施工简便省时和成本低 接头成分、组织和性能不均匀 存在焊接缺陷和残余应力与应力集中 具有整体性，其防裂止裂性不如铆接 (2)焊接结构断裂破坏类型 a.延性断裂(塑性断裂) 断裂前具有明显的塑性变形,破裂后一般无 碎片，其断裂多系超压引起。 b.脆性断裂(低应力脆性断裂),未达材料屈服极限时发生的断裂，断裂前不发 生塑性变形，无征兆，故不易察觉和预防. (3)疲劳断裂 在循环波动载荷作用下产生疲劳裂纹并逐渐 扩展，最后导致断裂. 压力容器波动载荷频率不高,其断裂属低周疲 劳破坏，断裂可
4、以是脆性断裂也可以是塑性断裂. (4)应力腐蚀断裂 在腐蚀介质环境和拉应力共同作用下产生裂 纹而断裂. 其断裂应力往往远低于材料的屈服极限，具 有脆性断裂的特征.,4.2.2 焊接压力容器断裂破坏的影响因素 根据统计调查压力容器破裂事故大多是因焊 接裂纹引起的。 承压设备可靠性的关键是确保焊接质量，防 止裂纹发生 (1)焊接接头的脆化 焊接接头区的脆化是诱发裂纹的基础 脆化是焊接区的快速加热、冷却和熔化、凝 固的热作用所致 对碳钢与低合金钢,脆化主要表现在焊接接头 区的脆性转变温度(NDT)，硬度，韧性，尤其 熔合线附近最为严重,脆性转变温度NDT，反映低温下材料抗脆性断 裂的能力 金属材料随
5、着温度,韧性而脆化，这种 现象称为低温脆化 这种脆化仅产生于低碳钢，低合金结构钢等 (2)材料对抗裂的影响 强度硬度 ，淬硬和脆化倾向,抗裂 C、合金元素,强度脆化倾向,抗裂 P、S是促脆化元素,使P、S,有利抗裂 (3)应力集中和结构的影响 焊接残余应力和应力集中，使接头局部处的 拉应力峰值而加剧开裂,不同结构的影响 薄壁平头式接管,应力集中系数k6 厚壁平头式接管,应力集中系数k2.5,对抗 裂显然是有利的,不同形状的影响 球形容器塑变能力，刚性抗裂能力,较 圆筒形容器差 厚板较薄板刚性,残余应力,抗裂能力 (4)焊缝返修对抗裂性的影响 返修次数,对抗低温脆断不利 (5)操作环境对抗裂性的
6、影响 焊接裂纹通常内表面多，外表面少，焊缝上 多,母材上少 碳钢及低合金钢在碱和H2S,及液氨等环境 奥氏体不锈钢在氯化物环境均会发生应力腐蚀，使接头的抗裂性降低,低温度环境下，更易发生脆性断裂 4.2.3 压力容器断裂破坏典型案例分析 (1)9000mm贮氧球罐水压试验开裂 材料:15MnVR，壁厚48mm 焊接:埋弧焊,焊剂 HJ431,焊丝 H08MnA 工艺:焊前预热,焊后消除应力热处理 事故现象:水压试验充水还尚未升压即于北 温带十字焊缝中心突然开裂, 气温为-3.5 调查结果与结论: 焊剂含P,不合格 源自热裂纹的典型的低应力脆性断裂 压试验水温和环境温度违规, 焊缝布局设计不合理
7、(十字焊缝) (2) 400m3石油液化汽球罐爆炸 材料:设计15MnVR，实际15MnV和15MnVR 壁厚 25mm 工艺:焊缝仅作超声波探伤,未作射线检验,未 作整体热处理 事故现象:破裂，液化汽遇明火发生燃烧爆炸 调查结果与结论: 破裂源于环焊缝的热影响区内 热影响区主裂口处存在严重的咬边及裂纹 缺陷 未裂的其他焊缝其表面及内部存在很多咬 边、错口、裂纹、熔合不良等超标缺陷, 球罐投用后未进行过任何检查,严重违规 球罐是在很低应力水平时断裂的,系低应 力脆断 事故主要是由于焊接质量太差引起的 (3)高压氨冷凝器爆炸 事故现象:使用6年后发生爆炸，球形封头沿 与管板连接环焊缝断裂飞出36
8、m。爆炸前压力为 18.5MPa，工作温度-10，日常运行压力在 1720MPa范围内波动。 调查结果与结论: 焊缝全部为手工电弧焊，焊接质量低劣 断裂是由焊缝中的未焊透引发的, 断裂面具有裂纹源、扩展区和最后断裂 区,是典型的疲劳断裂 断裂面表面粗糙，呈纤维状，故又属塑性 断裂 断裂前虽未超压，但一直在接近设计压力 的高载荷下工作 焊缝未作热处理，残余应力，根部未焊 透，应力集中,使焊缝根部在高应力应变下工,加 上一定的载荷波动导致疲劳裂纹的发生和扩展 爆炸 根本原因是设计不当,不易保证根部完全焊 透和双面成形，也难以准确检测焊接缺陷,4.2.4 焊接压力容器断裂的控制 (1)设计质量控制
9、a.合理的材料选择 母材:除应注意焊接性外,还应注意某些材料 在焊接热循环作用下可能出现的各种脆化倾向和 低温脆性 对脆性钢,设计中应提出防止或消除措施 焊接材料:进口钢材，应重视焊接材料的配套 使用; 高强钢时，选用低组配的焊接材料 b.焊接结构的合理设计 采用易保证焊透的结构,优先采用开坡口全,焊透的结构 焊缝或接头数量尽可能少，坡口尺寸尽 量小 避免焊缝密集设置，尽量减小刚性； 避免十字接头与十字焊缝； 力求改角接或搭接为对接，改尖角为圆 角，改不等厚为等厚 焊接接头应便于施工焊接与检验 c.制造、检验和验收的各项技术性能指标要 求应在设计图中提出 (2)制造中确保焊接质量 焊工及焊接探伤人员必须考试合格，持 证上岗, 焊接工艺评定是保证焊接质量的重要环节 焊件装配应精确，避免强力组焊，以减小附加应力 焊接材料应烘干，防止和减小氢的危害 最大限度地减少和消除各种焊接缺陷 应认真清除坡口两侧污物 焊接性较差的低合金钢制容器,应采取预热、焊后后热等措施,以及采用低氢型焊条等 室外焊接,环境较差时应停止施焊,