壓力容器制造缺陷對殼體安全的影響

和麗鋒

（七冶壓力容器廠，貴州 貴陽 550014）

壓力容器殼體制造過程中所產生的缺陷種類有很多，但從本人多年從事壓力容器生產制造的經驗來看，可主要歸結為缺口、幾何形狀不連續及殘余應力三類。以下分別介紹這三類主要缺陷的特性和對殼體安全的影響。

1 缺口的影響

大部分焊接缺陷，如咬邊、未焊透、氣孔、夾渣和焊縫凹陷等，都是在焊縫或焊縫附近形成缺口，它們通常從兩個方面影響殼體的安全。一方面是由于缺陷的存在，減少了焊縫的承載截面積，削弱了焊縫的靜力拉伸強度，嚴重時也會導致殼體的延性破壞。這種影響的嚴重程度主要取決于缺陷截面積的大小，可以直接計算，比較容易估計和評價。另一方面，也是主要的方面，是由于陷口的存在改變了缺口周圍的受力條件，不利于材料的塑性變形，使之趨于和處于脆性狀態，同時還引起缺口根部的應力集中，易于產生裂紋和使裂紋擴展，導致殼體的脆性破裂、疲勞破裂或應力腐蝕破裂。

構件由于存在缺口而引起應力的不均勻分布，其嚴重程度常用應力集中系數來表示，它等于截面上最大應力與平均應力之比。實驗證明，應力集中系數的大小取決于缺口的尖銳程度。缺口越尖銳，即缺口根部的曲率半徑越小，應力分布越不均勻，應力集中系數越大，越容易引起脆性的破壞。

估計和評價謀一類缺口對殼體安全可以產生的影響，除要考慮缺陷的大小及尖銳程度外，也要考慮殼體的制造材料和使用條件可能導致的破壞形式。就缺陷本身而言，上述帶有缺口的各類焊接缺陷對殼體安全可能產生的影響并不相同。

焊縫凹陷。嚴重時會削弱焊縫的靜載強度，但作為一種缺口，通常是平緩過度，即根部的曲率半徑較大，不會引起嚴重的應力集中。

氣孔和夾渣。一般屬于體積型缺陷，可以減弱焊縫的承載截面積。但一些實驗資料表明，氣孔率不大于7%可以忽略其對焊縫靜力強度的影響。而由于氣體和夾渣引起的應力集中，對焊縫的疲勞強度有較明顯的影響，氣孔率超過3%，疲勞強度將下降50%左右。

對接焊縫的未焊透。在焊縫中形成明顯的缺口，產生較為嚴重的應力集中。有試驗數據表明，未焊透厚度不超過焊件全厚度20%時，應力集中系數保持為一常數，其值約為4～5；未焊透厚度超過焊件全厚度20%較多時，應力集中系數隨未焊透厚度的增加而增大，一者成線性關系。所以，未焊透往往是脆性破裂和疲勞破裂的根源。

咬邊，咬邊是一種比較尖銳的缺口，根部應力集中比較嚴重，應力集中系數常可以大于3，是僅次于裂紋的一種脆裂的根源。

焊接裂紋。可以視作最尖銳的一種缺口，它的根部曲率半徑接近于零。殼體的脆性破裂事故有很多是由于焊接裂紋引起的。裂紋還會加劇疲勞破壞和應力腐蝕破壞，所以裂紋是焊接缺陷中最為嚴重的一種缺陷，也是鍋爐和壓力容器中最危險的一種缺陷。

2 幾何形狀不連續的影響

殼體幾何形狀的不連續，如表面凹凸不平，截面不圓和接縫角變形等，當殼體承受壓力時會在殼體內形成附加彎曲應力和剪應力，導致局部應力過高。

幾何形狀的不連續引起的附加應力的大小，取決于不連續處的過渡情況。尺寸和形狀的突然變化可以引起很大的附加應力，如果變化十分緩和，則附加應力相應較小。

截面不圓是筒節與筒節、筒節與封頭接縫形成錯邊的原因之一。除此之外，不圓的筒體承受內壓時，由于它的“趨圓”變形，在筒體內要產生周向附加彎曲應力。最大的周向彎曲應力產生在長徑部位，其值可以按下式近似計算：

σb=(3/4)P ×(D/δ)2 ×(Dmax-Dmin)/D

式中：σb-由于筒體截面不圓產生的最大周向彎曲應力，MPa；

P-筒體承受的內壓，MPa；

D-筒體平均直徑，mm；

Dmax-不圓截面上的最大值徑，mm；

Dmin-不圓截面上的最小值徑，mm；

δ -壁厚，mm。

可以看出，如果截面不圓度過大，承受內壓圓筒內的附加彎曲應力是不容忽視的。對于受外壓的圓筒，截面不圓會降低其臨界壓力，嚴重時會由此失去穩定性而被壓癟。

表面局部凹陷和凸出所產生的影響，其嚴重程度決定于凹陷（或凸出）的大小和深度。一般說來，直徑越大深度越小，幾何形狀的變化就越平緩，對安全的影響也越小。在加工成形中所產生的凹凸不平，一般都是比較緩和的。

焊縫過份加強（凸起）也會造成局部結構的不連續，引起局部附加應力。這種缺陷往往不被人們注意。它雖不會影響焊縫的靜力強度，但卻顯著降低構件的疲勞強度。

接縫錯邊一般都在焊接時用熔注金屬填補過渡（如果未焊補過渡則應視作缺口），但其形狀的變化仍然是比較明顯的，這種缺陷和接縫角變形都是在幾何形狀不連續中影響最大的缺陷。對于頻繁啟動和反復變載的殼體，錯邊和角變形主要降低它的疲勞強度，縮短疲勞壽命。嚴重的錯邊和角變形也可以直接造成殼體斷裂事故。

3 殘余應力的影響

在殼體經受焊接和冷加工（壓制、彎卷）之后，常常在殼體內殘留有一部份內應力。即制造中或制成后的殼體在沒有承受壓力的情況下，一部分殼壁即處于有應力的狀態中。這種殘余應力有時可能很大，特別是焊接殘余應力，在個別情況下，甚至可以接近或達到材料的屈服點。殘余應力不是殼體上的機械缺陷，但它常是導致缺陷的基本因素，它的存在同機械缺陷一樣，對殼體安全有十分不利的影響。

焊接殘余應力的產生，是因為金屬熔焊時，焊縫的熔注金屬是在熔融的狀態下填充在焊件的接縫中的，當焊縫及其周圍的母材冷卻時，這些熔注的金屬就要收縮，但它以受到剛性焊件的限制，因而焊縫金屬沿長度方向即受到拉力，這就是殘余應力。焊接殘余應力的大小取決于焊件對焊縫收縮變形的約束程度。焊件越厚，剛性越大，焊后殘余應力越大，應力狀態也越復雜。冷加工產生的殘余應力則與加工變形的程度有關，冷加工變形越大，殘余應力也越越大。

殘余應力有時可以大到使殼體產生裂紋或使裂紋擴展的程度。如果所使用材料的韌性較差，就會在沒有外力的作用下使殼體自行破裂，或者使殼體產生裂紋，然后在承受壓力時產生破裂。留存在殼體內的殘余應力即使不至于產生裂紋，也會在殼體承壓后增大殼壁內的應力水平，加劇殼體的疲勞破壞和應力腐蝕破壞。