壓力容器焊接接頭在ASME VIII.1和 GB/T 150中的對(duì)比分析

湯潔(惠生工程(中國)有限公司北京分公司，北京 100000)

0 引言

焊接接頭是指兩個(gè)或兩個(gè)以上元件通過焊接的方法形成的不可拆卸的連接接頭，它主要包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分。壓力容器在焊接的過程或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，而這些缺陷會(huì)降低接頭的質(zhì)量，直接削弱了元件本身及元件之間的連接強(qiáng)度。為了盡可能減小焊縫缺陷帶來的影響，GB/T 150和ASME VIII.1中均在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中引入了焊接接頭系數(shù)這一概念來彌補(bǔ)焊接接頭對(duì)設(shè)備整體強(qiáng)度的削弱。本文將針對(duì)焊接接頭在GB/T 150和ASME VIII.1標(biāo)準(zhǔn)中的異同點(diǎn)做對(duì)比分析，有助于在不同標(biāo)準(zhǔn)體系下進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

1 焊接接頭的分類

焊接接頭分類的目的是根據(jù)不同類別的焊接接頭制定其適用的焊接結(jié)構(gòu)型式，探傷程度和焊縫系數(shù)。ASME VIII.1中焊接接頭分為A、B、C、D四類，分類是根據(jù)容器上接頭的位置即按照各焊接接頭受力情況進(jìn)行的。其中A、B類接頭均可按照薄膜理論獲得其應(yīng)力，C、D類接頭則分別屬于板對(duì)殼和殼對(duì)殼受力。而GB/T 150是依據(jù)我國實(shí)際情況，結(jié)合焊接接頭在容器上的位置和結(jié)構(gòu)型式，將其劃分為A、B、C、D、E五類。兩者具體對(duì)照[1-2]，如表1所示。

由表1可以看出，ASME VIII.1中A類中接頭基本都承受著最大環(huán)向主應(yīng)力。其中球殼縱環(huán)向應(yīng)力相同，縱環(huán)拼接接頭均承受最大主應(yīng)力；而平蓋等的拼接接頭最大主應(yīng)力和結(jié)構(gòu)相關(guān)，但出于安全性及操作性考慮，將所有拼接接頭均劃為A類。半球形封頭不同于其他成型封頭，不設(shè)直邊段，直接與圓筒等元件焊接，受力等同于自身的拼接接頭，故而也將此環(huán)向接頭劃分為A類中。B類中的環(huán)向接頭承受的是縱向應(yīng)力，其值小于環(huán)向應(yīng)力。所以分類嚴(yán)格程度是依次遞減的。

表1 焊接接頭分類在GB/T 150和ASME VIII.1中的對(duì)比

根據(jù)ASME VIII.1中UW-2與表UW-12，設(shè)備的設(shè)計(jì)條件越嚴(yán)格，焊接結(jié)構(gòu)要求也越高。對(duì)受壓元件而言，A類接頭型式只能是對(duì)接；B類接頭也是對(duì)接接頭(除半頂角超過30°的錐殼大端、錐殼小端與殼體相連的接頭外)，C類可以是對(duì)接、搭接或角接接頭；D類可以是對(duì)接或角接接頭。

而在GB/T 150 分類中，A、B焊接接頭為對(duì)接，C、D類則多為角接或搭接接頭，由此可以看出，與ASME按照受力來劃分接頭類型不同，GB/T 150則主要是按接頭型式來分的。GB/T150 中對(duì)AB類和CD類無損檢測方式不同，所以換而言之，也是按照無損檢測的方法來分類的，即采用射線或超聲檢測的劃分為A、B類，而采用磁粉或滲透檢測的劃分為C、D類[4]。

GB/T 150中將多層包扎容器層板層縱向接頭劃分到C類中就是因?yàn)槠錈o法進(jìn)行射線或超聲檢測，只能通過表面檢測的方法進(jìn)行探傷。而接管與殼體的對(duì)接接頭調(diào)整為A類也是因?yàn)橹谱鞅砻鏅z測無法保證其焊接質(zhì)量的原因。

2 焊接接頭系數(shù)的選擇

ASME VIII.1 中焊接接頭系數(shù)的選取原則與 GB/T 150大致相同，均是根據(jù)無損檢測比例和焊接接頭類型來選取，但兩者又有較大區(qū)別[1-2]，如表2所示。

由表2可以看出，兩個(gè)體系中對(duì)接接頭的焊縫系數(shù)取值大致相同，但在系數(shù)選取方面國標(biāo)的焊接接頭系數(shù)只針對(duì)A、B類接頭且A、B類的焊縫系數(shù)一般情況下取值相同。A、B類接頭必須進(jìn)行射線或超聲無損檢測，不允許通過降低焊接接頭系數(shù)的方法來免除無損檢測要求。但以下兩種情況除外：

表2 焊接接頭系數(shù)在GB/T 150和ASME VIII.1中的對(duì)比

(1) GB/T 150—2011中10.3.4條規(guī)定：直徑不超過800 mm的容器，其圓筒與封頭的最后一道環(huán)向封閉焊縫，若采用不帶金屬墊板的單面對(duì)接接頭，且無法進(jìn)行RT或UT檢測時(shí)，允許該環(huán)焊縫不進(jìn)行檢測，但需采用氣體保護(hù)焊打底[2]。

(2) GB/T 151—2014中4.6.4條規(guī)定：對(duì)于固定管板式換熱器中無法進(jìn)行無損檢測的殼程圓筒的環(huán)向焊接接頭，應(yīng)采取氬弧焊打底或沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板，此時(shí)焊接接頭系數(shù)取0.6[3]。

GB/T 150中焊接接頭系數(shù)僅由受壓元件的焊接接頭型式及無損檢測程度確定，與其他焊接接頭無損檢測程度無關(guān)。

與GB/T 150不同，ASME VIII.1 中無損檢測適用于所有類型接頭，各類焊接接頭系數(shù)除了UW-11(a)(5)規(guī)定外，其余取值均相對(duì)獨(dú)立，且可以通過降低焊接接頭系數(shù)的方法來免除無損檢測要求。各類接頭系數(shù)的取值均可依據(jù)接頭型式和無損檢測比例按照表UW-12進(jìn)行選取。另一個(gè)特點(diǎn)就是承受壓縮應(yīng)力的對(duì)接接頭，焊接接頭系數(shù)均為1[1]。

在上述提到的UW-11(a)(5)中規(guī)定，A類對(duì)接接頭的系數(shù)受與之相交的B類或C類對(duì)接接頭無損檢測情況的影響。B、C類對(duì)接接頭質(zhì)量的好壞會(huì)影響到與之相交的A類接頭的效率。所以對(duì)于下面幾種情況，A類焊接接頭系數(shù)要考慮“聯(lián)合效率”。

(1)當(dāng)采用表UW-12 (a)欄確定A類焊接接頭系數(shù)時(shí)，除須對(duì)此類接頭做100%射線檢測外(若容器的結(jié)構(gòu)使最終封閉焊縫無法按規(guī)范要求進(jìn)行射線檢測，可按UW-53以超聲波檢測代替)，還需滿足以下兩種情況：

①連接容器筒節(jié)或封頭的A類和B類為該表中的(1)或(2)型；

②與容器筒節(jié)或封頭A類對(duì)接焊縫相交的B類或C類焊縫應(yīng)符合UW-52抽樣射線檢測的要求[1]。

此時(shí)E可以按照UW-12 (a)欄取值，否則即便A類接頭做了100%檢測，E值也只能按照(b)欄選取。

(2)無縫接管或無縫封頭應(yīng)視為相當(dāng)于所有A類焊縫是(1)型、幾何尺寸相同的焊接件。對(duì)無縫筒節(jié)的環(huán)向應(yīng)力或無縫封頭的厚度計(jì)算，與容器筒節(jié)或封頭A類對(duì)接焊縫相交的B類或C類焊縫應(yīng)符合UW-52抽樣射線檢測的要求[1]，則E=1.0，不滿足此要求的E取0.85。

對(duì)ASME VIII.1中涉及的組件壁厚計(jì)算公式進(jìn)行比較可知，在無其他附加載荷的情況下，縱向接頭承受最大應(yīng)力，對(duì)壁厚的影響最大。接管的對(duì)接接頭的全部或部分承受著最大應(yīng)力的作用[4]。因此對(duì)組件(殼體或封頭等)的焊接接頭系數(shù)而言，它僅受A類及D類對(duì)接接頭影響。當(dāng)D類焊接接頭系數(shù)小于A類時(shí)，應(yīng)考慮D類對(duì)接環(huán)焊縫的影響。例如，與無縫封頭相連的環(huán)向焊縫在滿足UW-11(a)(5)中要求的前提下，若該封頭無開孔，E=1.0；若封頭上有不作檢測要求的D類對(duì)接接頭，則E=0.7。

值得一提的是，GB/T 150當(dāng)采用局部無損檢測的時(shí)候，應(yīng)對(duì)10.3.2條中規(guī)定的部位進(jìn)行100%檢測且檢測長度可計(jì)入局部檢測焊縫總長度之內(nèi)。但在ASME VIII.1中則提到了以下幾種抽樣檢測情況是不能滿足任何其他焊縫遞增量的，即此類焊縫只能按照規(guī)定單獨(dú)做抽樣檢測，不與其他焊縫長度進(jìn)行疊加來滿足15 m及不足15 m做一處檢測的要求：

(1)在UW-11(a)(5)(-b)與A類接頭相交的B類，C類的抽樣檢測[1]；

(2) UW-14(b)中，對(duì)于不需補(bǔ)強(qiáng)的小開孔，如邊緣距離A類接頭的距離小于13 mm，或開在了B類或C類對(duì)接接頭上，此時(shí)要求對(duì)A類、B類或C類對(duì)接接頭按3倍開孔直徑的長度進(jìn)行射線檢測[1]。

(3) UW-9(d)中對(duì)于由多個(gè)筒節(jié)組成容器時(shí)其相鄰縱向接頭的中心線相錯(cuò)距離未達(dá)到規(guī)定要求時(shí)(要求為較厚板厚度的5倍)，則應(yīng)對(duì)環(huán)向接頭相交的兩側(cè)縱向接頭長度為100 mm范圍進(jìn)行射線檢測[1]。(此處與ASMEVIII.1不同，GB/T 150第6.5.5條中對(duì)殼體的焊接接頭布置直接做了規(guī)定，因此不涉及縱向接頭相錯(cuò)距離不滿足要求的情況)。

3 結(jié)語

本文對(duì)焊接接頭系數(shù)在不同體系中的應(yīng)用做了對(duì)比分析，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)容器的操作條件結(jié)合規(guī)范選定最佳的焊接結(jié)構(gòu)型式，并根據(jù)無損檢測的程度來確定材料的焊縫系數(shù)。隨著國際化的需求，越來越多的企業(yè)開始接觸并承擔(dān)起國外的項(xiàng)目建設(shè)。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)人員在應(yīng)用國外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要注意不同體系之間的差異，從而確保規(guī)范使用的正確性，保證設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。