浅谈压力容器的焊接缺陷和预防措施

摘要：焊接质量对压力容器的寿命和安全运行起着关键作用，对其焊接中产生缺陷的原因进行分析和预防是保证压力容器致密性和强度的关键，本文详细介绍压力容器焊接中常见的原因并提出预防措施。

关键词：压力容器 焊接缺陷 产生原因 预防 措施

压力容器，一般泛指在工业生产中用于完成反应、传质、传热、分离和存储等生产工艺过程，并能承受压力的密封容器。他被广泛用于石油、化工、能源、冶金、机械、轻纺、医药、国防以至民用等工业领域，在国民经济中的发展占有重要地位。压力容器制造、检验技术不断地进步，为全面提高压力容器质量获得良好经济效果做出可靠保证，在制造过程中，不可避免出现焊接，如何保证焊接质量是关键问题。如果焊接存在缺陷，就有可能造成渗漏、泄露、甚至引起压力容器爆炸，造成人员伤亡和财产的重大损失。

压力容器焊接缺陷种类很多，按其位置不同可分为外部缺陷和内部缺陷，依据JB/T4730-2005中对焊接接头中的缺陷按性质可分为裂纹、未融合、未焊透、条形缺陷和圆形缺陷共五类，下面介绍焊接缺陷产生的原因和预防措施。如下图所示焊接缺陷：

外部缺陷：存在于焊缝表面，用肉眼或借助于低倍放大镜可直接观察，如焊缝尺寸超标、咬边、焊瘤、表面气孔、表面裂纹、弧坑等。

内部缺陷：存在于焊缝内部，如气孔、夹渣、未溶合、未焊透、裂纹、层状撕裂等。

一、裂纹

裂纹是在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。

裂纹可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹多种型式，多发生在焊缝上和热影响区，被认为是最危险的缺陷，是不允许存在的缺陷。

a 冷裂纹的产生原因主要是扩散氢的作用，氢使金属脆化。主要分布在焊缝金属和热影响区，氢主要来源于焊条药皮中的水分，因此焊接时采用低氢型焊条对预防冷裂纹的产生是由好处的。冷裂纹一般在焊接低合金高强度钢、中碳钢、合金钢等易淬火钢时容易发生，而焊接碳钢，奥氏体不锈钢是遇到较少。

预防冷裂纹措施：1、焊接预热，焊后缓慢冷，却焊接时要保持焊缝金属有足够的温度，以使扩散氢逸出，可采用焊前预热和焊后消氢处理（焊后立即对焊缝均加热到250-300度）；2、降低焊接应力和应力集中，焊接时采用合理的焊接顺序，尽量减少焊接应力；3、焊条按要求烘干，低合金钢焊接时采用低氢型焊条，并充分烘干，去掉药皮中的水分；4、清楚焊缝坡口表面上的油垢，锈迹及水分。

b热裂纹产生的原因是焊接时，熔池的冷却速度很快，焊缝结晶是造成严重的晶内和晶间偏析，且偏析物多为低熔点共晶物和杂质，它们的熔点比焊缝金属低，在结晶过程中，以液态间层的形式存在，焊缝在结晶冷却过程中受到拉伸应力的作用，当应力达到一定值时，液态层间处被拉开又没被液态金属及时充满其间而形成热裂纹。

预防热裂纹的措施：1、限制钢材和焊接材料中硫、磷等低熔点有还元素的含量；2、细化焊缝晶粒，提高焊缝塑性和韧性，减少偏析；3、适当降低焊缝形状系数，采用多层多道焊，避免中心线偏析；4、尽量降低焊缝应力；5、对奥氏体钢选用双相焊材。

c再热裂纹的产生机理有多种解释，其中模形开裂理论的解释如下：近缝区金属在高温热循环作用下，强化相碳化物（如碳化铁、碳化饥、碳化镜、碳化错等）沉积在晶内的位错区上，使晶内强化强度大大高于晶界强化，尤其是当强化相弥散分布在晶粒内时， 阻碍晶粒内部的局部调整，又会阻碍晶粒的整体变形，这样，由于应力松弛而带来的塑性变形就主要由晶界金属来承担，于是，晶界应力集中，就会产生裂纹，即所谓的模形开裂。

预防再裂纹措施：1、注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响；2、合理预热或采用后热，控制冷却速度；3、降低残余应力避免应力集中；4、回火处理时尽量避开再热裂纹的敏温度区或缩短在此温度区内的停间。

二、未熔合

未熔合是指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。

产生原因：1、焊接热输入太低；2、电弧指向偏斜；3、坡口侧壁有绣垢及污物；4、层间清渣不彻底等。

预防未熔合措施：1、适当加大的焊接电流；2、正确地选择焊接工艺参数；3、注意坡口及层间部位的清洁。

三、未焊透

未焊透是焊接时接头根部未完全熔透，对于对接焊缝也指焊缝深度未达要求。指母材金属未熔化，焊缝金属没有进入接头根部的现象

产生原因1、焊接电流小，熔深浅；2、坡口和间隙尺寸不合理，钝边太大；3、磁偏吹影响；4、焊条偏芯度太大；5、层间及焊根清理不良。

预防未焊透措施：1、使用较大电流来焊接是预防未焊透的基本方法；2、焊角焊缝时，用交流代替直流以预防磁偏吹；3、合理设计坡口并加强清理；4、用短弧焊等措施。

四、条形缺陷和圆形缺陷

1、条形缺陷 长宽比大于3的气孔、夹渣和夹钨等缺陷。

2、圆形缺陷 长宽比不大于3的气孔、夹渣和夹钨等缺陷。

a气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残存于焊缝之中所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的，也可能是焊接冶金过程中反应生成的。

产生气孔的主要原因母材或填充金属表面有锈、油污等，焊条及焊剂未烘干会增加气孔量，因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体，增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小，熔池冷却速度大，不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。

预防气孔措施：1、清除焊丝，工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物；2、采用碱性焊条、焊剂，并彻底烘干；3、采用直流反接并用短电弧施焊；4、焊前要预热，减缓冷却速度；5、用偏强的规范施焊。

b夹渣是指焊后溶渣残存在焊缝中的现象。

夹渣产生的原因1、坡口尺寸不合理；2、坡口有污物；3、多层焊时，层间清渣不彻底；4、焊接线能量小；5、焊缝散热太快，液态金属凝固过快；6、焊条药皮，焊剂化学成分不合理，熔点过高；7、 钨极惰性气体保护焊时，电源极性不当，电、流密度大， 钨极熔化脱落于熔池中；8、手工焊时，焊条摆动不良，不利于熔渣上浮。

可根据以上原因分别采取对应措施以预防夹渣的产生。

五、其他缺陷

焊接中还经常看到一些咬边、焊瘤、弧坑、过热和过烧及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷

1、咬边是由于选择的焊缝参数不当、操作工艺部正确造成的。

产生原因：1、焊接参数选择不对，U、I太大，焊速太慢；2、电弧拉得太长。熔化的金属不能及时填补熔化的缺口。

2、弧坑是由于收弧和断弧不当在焊道末端形成的低洼部分。

产生原因：焊丝或者焊条停留时间短，填充金属不够。

3、焊瘤熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上所形成的局部未熔合。

产生原因：1、焊接参数选择不当；2、坡口清理不干净；3、电弧热损失在氧化皮上；4、使母材未熔化。

可根据以上原因分别采取对应措施防止咬边、弧坑、焊瘤的产生。

4、焊缝化学成分或组织成分不符合要求： 焊材与母材匹配不当，或焊接过程中元素烧损等原因，容易使焊缝金属的化学成份发生变化，或造成焊缝组织不符合要求。这可能带来焊缝的力学性能的下降，还会影响接头的耐蚀性能。因此要选用相匹配的焊材与母材进行焊接。

5、过热和过烧： 若焊接规范使用不当，热影响区长时间在高温下停留，会使晶粒变得粗大，即出现过热组织。若温度进一步升高，停留时间加长，可能使晶界发生氧化或局部熔化，出现过烧组织。

过热可通过热处理来消除，而过烧是不可逆转的缺陷。

压力容器是在一定温度和压力下进行工作且介质复杂的特种设备，其操作工艺条件向高温、高压及低温发展，工作介质种类繁多，且具有易燃、易爆、剧毒、腐蚀等特征，危险性更为显著，一旦发生爆炸事故，就会危及人身安全、造成财产损失、带来灾难性后果，因此保证压力容器的焊接质量至关重要。

参考文献：

[1]GB150-2011.《压力容器》

[2]TSG R0004-2009.《固定式压力容器安全技术监察规程》

[3]JB/T4730-2005.《承压设备无损检测》

[4]李建华，冯素霞.《压力容器检验》.中国锅炉压力容器安全杂志社

[5]周振丰，张文钺.《焊接冶金与金属焊接性》.北京：机械工业出版杜.1981