浅谈压力容器角焊缝质量控制问题

【摘 要】 本文分析了压力容器角焊缝质量差的原因，并从设计、焊接操作和检验角度探讨了提高角焊缝质量问题。

【关键词】 压力容器 角焊缝 焊缝质量

在压力容器中，质量最薄弱的环节是焊缝，通过压力容器制造资格审查和质量技术监督部门对产品安全质量进行监督检验后，焊缝质量，尤其是对接焊缝质量有了明显的改观，但是角焊缝质量仍未得到有效的提高（本文指的角焊缝是指T型接头和角接接头处的组合焊缝）。

虽然《在用压力容器检验规程》已将角焊缝检验列入了重点检验项目，但是在压力容器的设计和制造中，这个问题仍未引起足够的重视。角焊缝仍是产品质量最差的部位之一。某检验所检查发现了多台1995-1998年出厂的石油液化气槽罐车的接管与筒体角焊缝处表面粘渣，清除后，发现凹坑、大气孔，用X射线探伤，发现整圈未焊透。又如某化肥厂一台2000年出厂的尿素汽提塔，在压力容器定期检验中发现，在人孔与筒体的角焊缝及附近有40多条贯穿和非贯穿型裂纹。国内事故中，相当多的事故与角焊缝质量有关，不得不引起我们的高度重视。压力容器的角焊缝质量不提高，压力容器的总体安全质量就不能得到有效的保障，将严重危及压力容器的安全使用。

压力容器的角焊缝质量差，事故率高，与多方面的因素有关，本文拟就压力容器角焊缝质量的有关问题谈一点看法，以期有助于提高角焊缝的质量。

1 压力容器角焊缝质量较难控制和质量差的主要原因

（1）角焊缝一般都位于结构不连续部位，如人孔接管与筒体和封头的连接处，平封头，夹套与筒体的连接处的角焊缝，应力集中较大，受力复杂，不仅受拉伸应力，而且还要受到较大的弯曲和剪切应力，而焊缝承受弯曲，剪切应力的能力较弱，加上角焊缝的几何形状有急剧的变化，力线的传递比对接焊缝复杂，在焊缝根部和焊趾处存在较高的应力集中。应力集中较大，焊缝强度较差，给压力容器的角焊缝带来先天不足。

（2）角焊缝由于结构原因，不能像对接焊缝那样容易进行射线和超声波探伤，焊缝内部缺陷不容易检查出来，使其焊缝内部质量不易保证，亦减弱了焊缝强度。

（3）角焊缝受力复杂，不像对接焊缝那样都进行了有关的强度计算，目前国内压力容器的有关规范均无角焊缝的强度计算公式及要求。使角焊缝的强度可靠性在设计和制造中都是未知数，容易使人们忽略对它的质量和强度要求。

（4）角焊缝一般未进行无损探伤检验，一些工厂对角焊缝质量放松，没有像对接焊缝那样进行严格的质量控制，某些工厂在人孔与筒体的角焊缝处，由于坡口尺寸及间隙不符合要求，就塞焊条进行施焊，角焊缝的质量无法保障。

（5）压力容器中的角焊缝实际上是一种组合焊缝，是由对接焊缝和角焊缝二部分组成。其焊接要求与对接焊缝和角焊缝都不完全一致，可目前有关规范都未对这种焊缝的焊接提出具体的焊接工艺评定要求，使角焊缝的焊接质量难以保证。

（6）角焊缝与对接焊缝不同，由于结构原因，不容易进行焊缝的清根，打底焊和定位焊都保留在焊缝中，即使采用双面焊接，其质量亦比对接焊缝差。

（7）压力容器的对接焊缝，一般都要采用全焊透的结构，但角焊缝的焊透未作明确的规定。如GB150-89《钢制压力容器》中的表（5-6〉中序号3，是平封头与筒体连接的角焊缝，即为单面焊，一般是不能焊透的，未作任何特殊要求，这种结构的角焊缝事故率较高。

（8）角焊缝质量与坡口质量有较大的关系，它不像对接焊缝那样，坡口进行了机械加工，一般都采用氧-乙炔焰进行坡口加工；有时开孔为异形尺寸，更难达到规定的形状尺寸和间隙要求，使焊件装配质量差，焊工施焊困难，焊接质量难以保证。

2 提高压力容器角焊缝质量的几个办法

从上面的分析可以看出，角焊缝的质量比对接焊缝更难控制，为提高角焊缝的质量，应注意以下几个方面的问题。

（1）角焊缝的结构设计。压力容器的设计应尽可能保证焊缝受力好，结构简单，易于焊透，焊接时的热输入小，使之结构合理（如图1）。

在平封头与筒体连接时，角焊缝可采用图（a）和（b）所示的两种结构设计，不同之处在于图（a）在平封头（厚板）上开坡口，而图（b）在筒体（薄板）上开坡口，前者的坡口尺寸大，焊缝的熔敷金属多，焊接时热输入大，焊缝连接处的刚性大。从而使焊缝处的受力比后者大得多，且主要受弯曲和剪切应力，其许用应力亦较低，在同样的载荷条件下，图（a）所示的结构比图（b）差。在设计中，一些设计人员往往在厚的平封头上开坡口，以为可以用较多的焊缝熔敷金属来增加焊缝的强度，但实际上并不合理，美ΞASMEⅧ-1的平封头与筒体连接焊缝几乎都采用薄板处开坡口。但是，在接管与筒体连接时，不能套用上述原则进行角焊缝设计，一般来说，接管的厚度比筒体的厚度小，但如采用薄管壁开坡口，只能单面焊，根部不能焊透，一般应采用在筒体上开双面坡口中，使之能双面焊接，易于焊透。

角焊缝结构设计时，很重要的一点是如何保证角焊缝的根部焊透，《固定式压力容器安全技术监察规程》规定了不允许的角焊缝结构型式，还明确了部分压力容器必须采用全焊透的角焊缝。为保证角焊缝焊透，应采用双面坡口。但在一些场合，由于结构原因，不能采用双面焊，只能用单面焊，此时，应采取特殊的措施保证根部焊透。1）可采用单面焊，背部加垫板。2）采取特殊的焊接方法，如氩弧焊打底，使之在焊缝内外表面获得相同的熔敷金属质量。《蒸汽锅炉安全技术监察规程》74条规定，在大于等于9.8MPa的锅炉，锅筒和集箱上的管接头的角焊缝应尽量采用氩弧焊打底。

角焊缝设计时，一定要按照规程的要求进行，尤其对平封头与筒体连接这类重要的角焊缝，一定要保证焊缝根部焊透。

（2）筒体封头上接管设计。压力容器设计时，一般只考虑了本体的载荷。实际上，筒体上的接管要与外管线连接，还要受到一定的外载荷，这些载荷的支点就在接管与筒体连接处的角焊缝上，容易造成角焊缝破裂。为减少角焊缝受力，对于有外载荷的接管，应加以支撑。接管直径较小、壁厚较薄、刚性差时，应加以支撑与固定，以减少角焊缝的受力。

另一方面，由于工艺及结构的原因，压力容器的接管与筒体采用非径向开孔，如采用斜接管式切向接管，使筒体上的开孔不是圆形，而是椭圆形，引起更大的局部应力集中，对焊缝的疲劳强度有较大的影响。由于开孔不再是圆形，使之开孔困难，坡口加工更难以达到规定的要求。在工厂监检中发现，这些角焊缝质量最差。在接管与筒体之间的夹角较小的地方，焊工运条困难，只能勉强焊接，焊接质量更难保证。接管设计时应考虑到实际制造时的这些困难，尽可能不采用斜接管和切向接管，减少夹角，以保证角焊缝的焊接质量。

（3）加强角焊缝的强度计算。《固定式压力容器安全技术监察规程》提出了角接接头的强度计算问题，但目前国内规范尚无此方面的强度设计公式。建议应加强这方面的工作。国外的类似规范已对此作了要求，国内的锅炉规范亦作了要求，对于重要的角焊缝，应参照有关的国内外规范作强度计算，并将允许的载荷写入设计技术文件中。

（4）角焊缝的焊缝内部质量对安全性能影响较大，对于重要接头的角焊缝，应提出无损探伤检验要求，《蒸汽锅炉安拿技术监察规程》已对此作了规定，角焊缝两边的焊件厚度不一样，当焊件的厚度或角焊缝的厚度超过规定值后，应进行焊后热处理，减小角焊缝处的残余应力。

（5）压力容器的内件与筒体连接采用角焊缝时，应慎重。一般来说，内件不承受内压，但它与筒体连接，在受内压载荷后，由于二者变形量不一致，使角焊缝要受力，有时甚至较大，如某氨分离器，隔板与筒体之间采用角焊缝，由于刚性连接，角焊缝受力较大，造成角焊缝的焊趾裂纹贯穿筒壁的事故。因此在设计时要充分考虑受内压下角焊缝的受力情况，宜采用非刚性结构，亦不宜整条焊缝采用满焊，可采取断续焊。

（6）对于受疲劳载荷较大的压力容器，角焊缝对疲劳强度影晌较大，宜将角焊缝转化为对接焊缝，如采用嵌入式接管，使之与筒体为对接焊缝。

3 强化压力容器角焊缝焊接质量的控制和检验

3.1 提高角焊缝的质量意识

角焊缝的受力状态和质量控制都比对接焊缝困难，理应在制造中受到更高的重视，但由于角焊缝一般不进行无损探伤，亦没有具体的质量考核指标，在焊接质量控制中，只突出对接焊缝的质量，一些工厂根本无角焊缝的制造、焊接工艺，甚至发生无证焊工进行接管的角焊缝焊接和采用未经烘干的焊条进行焊接的情况。要保证角焊缝的质量，必须加强有关的质量意识教育，将角焊缝质量与对接焊缝等同要求，使有关工程技术人员和工人都重视角焊缝的质量，共同把好角焊缝的质量关。

3.2 做好角焊缝的焊接工艺评定

《钢制焊接压力容器焊接工艺评定》已针对角焊缝的特点提出了焊接工艺评定的要求，弥补了过去这项工作的不足，有利于提高角焊缝的质量。标准特别针对要求焊透的角焊缝焊接工艺评定提出了较高的要求，各单位要根据标准的要求，认真做好焊接工艺评定。

3.3 做好焊接前的准备工作，重点是抓好焊缝坡口质量

焊缝坡口应尽可能采用机械加工，用氧一乙炔焰加工坡口时，应由有一定经验人员担任，坡口质量、包括坡口角度、尺寸，焊件间的间隙等一定要达到规定的要求，非圆形开孔，要做样板，精心加工。

3.4 加强打底焊的质量控制

角焊缝采用双面焊时，由于打底焊及定位焊一般不能清除，都保留在焊缝中，要特别注意定位焊和打底焊的质量。当必须采用单面焊焊接时，一定要按照图纸和焊接工艺的要求的方法进行焊接，有垫板的必须加垫板，要用氩弧焊根底的必须按规定方法焊接。单面焊的打底焊质量不易控制。许多工厂采用有焊接经验的固定人员担任打底焊工作，提高了角焊缝的根部质量，值得推广。

3.5 抓好焊缝的平滑过渡

角焊缝的外表几何尺寸对应力集中有较大的影响，焊接时应尽可能使之与母材园滑过渡，焊缝表面平滑，达到规定的要求。

3.6 选好合理的位置焊接

角焊缝焊接时，不像对接焊缝那样有固定的滚胎使之始终处于平焊的位置。许多工厂对角焊缝的焊接位置未作规定，很多场合都采用全位置焊接，使之焊接困难，仅有平焊资格的焊工要进行全位置焊接，焊接质量是无法保证的。为保证角焊缝的质量，应尽可能创造条件，采用焊接质量较好的平位焊接，由于转动困难等原因，不能采用平焊时，要采用与之相适应的焊接工艺，并由取得相应焊接资格的焊工进行焊接。

3.7 强化焊接质量检验

角焊缝主要应通过认真执行制造及焊接工艺使之达到规定的质量要求。工厂的检验人员应做好监督工作，把它作为一项重要质量检验工作来抓，重点抓好焊接装配质量、打底焊、焊接工艺的贯彻和焊缝表面质量的检查，达不到规定要求，不准施焊。根据焊接接头的重要程度，拟定一定的停止点，必须经检验人员认可后方能转入下一道制造工序。特检所的驻厂临检人员也要把角焊缝的质量作为一个重点来抓，尤其对一些焊接难度大，要求高的角焊缝，要认真作好检验工作。质量未达到规定要求的，决不允许出厂。

总之，角焊缝是目前压力容器质量比较薄弱的环节之一，应通过设计、制造、检验等各个环节共同把关，才能提高压力容器的总体质量。