压力容器焊接接头疲劳强度分析
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摘要 疲劳断裂是压力容器破坏的典型的断裂形式之一，影响疲劳强度的因素有：焊接缺陷、材料成分、焊接残余拉压力、焊接接头型式、金像组织等。生产单位应从焊接接头设计、焊缝及接头型式、合理的加工工艺等处入手，来降低焊接结构残余拉应力、减小应力集中系数及增加缺陷源处的残余压应力是提高压力容器疲劳强度。
关键词 疲劳强度；应力集中；具体措施
中图分类号TG457 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）84-0063-02
1 概述
疲劳断裂是焊接结构主要、典型的断裂形式之一，据相关统计因疲劳断裂引起的结构失效断裂占总断裂事故的70%～80%，对压力容器而言，疲劳断裂就意味着爆炸事故的发生。
通常我们把金属材料及其结构因交变载荷作用而发生失效损坏或断裂的现象称为疲劳断裂；金属受交变载荷作用时，即使最大工作应力低于材料的屈服强度，也会使处于发生滑移方向上的晶粒产生塑性变形，随着塑性变形的进行，金属冷作硬化达到一定程度后，经过一定次数的应力循环即产生疲劳裂纹，在产生裂纹前，粗大分布的滑移逐渐地完成向深沟状的裂纹形式转变，最终导致疲劳断裂；断裂的过程一般由以下三个阶段组成：
1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹（裂纹源形成阶段）；
2）裂纹扩展（扩展阶段）；
3）断裂（断裂阶段）。
在焊接接头中产生疲劳裂纹更容易；换句话说，在焊接接头中产生疲劳裂纹一般要比其它联接接头型式的交变循环次数要少，这是因为，焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝焊趾处），且焊接接头中的工艺缺陷（包括裂纹、夹渣、气孔、咬边、未焊透、未熔合、烧穿、未填满等缺陷）的存在，使得焊接接头中的疲劳裂纹产生更为容易、时间更短；压力容器是典型的焊接结构产品，在使用过程中承受温度、压力、介质的影响，一旦发生疲劳断裂就会产生严重的爆炸事故，故对压力容器疲劳断裂的了解显得尤为重要。
2 影响压力容器产品疲劳强度的因素
在压力容器的制造过程中，需要采取不同的焊接工艺及不同的焊接接头型式，焊接接头中的工艺缺陷，包括裂纹、夹渣、气孔、咬边、未焊透、未熔合、烧穿、未填满等缺陷均能在产品中引起相当程度的压力集中，当裂纹、夹渣、气孔、咬边、未焊透、未熔合等缺陷尺寸较小时，对焊接接头的屈服强度、抗拉强度影响不大，但对疲劳强度的影响很大，因在交变载荷作用下，这些缺陷往往引发疲劳裂纹，压力容器所用的钢材绝大部分为低碳钢、低合金钢，使用过程常常受到交变载荷的作用，故了解焊接接头缺陷对承压设备产品疲劳断裂的影响具有重大意义。
2.1 焊接缺陷的影响
气孔、夹渣、未焊透引起焊接接头的疲劳强度降低幅度大体相同，裂纹引起的疲劳强度下降幅度较大，咬边也会显著降低疲劳强度，当咬边深度小于2mm时，咬边对疲劳强度几乎无影响，缺陷在厚度方向上位置与间隔对疲劳强度也有明显的影响。在同样缺陷尺寸条件下，表面及近表面缺陷对疲劳强度的影响要比内部缺陷要低。如对接接头受拉伸，若板厚度相同，错边量大的疲劳强度较低；若错边量相同，则板材越厚疲劳强度降低越小；在角焊缝十字接头中，根部有少量间隙的疲劳强度由于焊透良好比无根部间隙的要高。
焊接缺陷对疲劳强度的影响，还应从几何空间来区别对待；二维缺陷（如裂纹、未焊透、未熔合、咬边、片状夹渣等）对疲劳强度的影响较大，带裂纹的焊接接头比占同样面积缺陷带有气孔的疲劳强度下降要多。压力容器实际生产中，未焊透往往难以完全避免，应尽量减少其对疲劳强度的影响，咬边出现在焊趾处及接头表面，咬边对疲劳强度的影响要比气孔和夹渣等三维缺陷大得多，焊趾处的小夹渣是降低疲劳强度的主要因素；三维缺陷对疲劳强度影响较小，当此类缺陷靠近表面时，疲劳强度降低就大，若三维缺陷中夹渣形成尖锐缺口时，影响则增大，实质上造成各种缺陷对疲劳强度影响的大小，主要是由此种缺陷引起的应力集中所决定的。焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应力值比平均应力值高，这种情况称之为应力集中；应力集中的大小，常以应力集中系数KT表示，（KT=最大应力值/平均应力值）应力集中系数越大，则疲劳强度降幅越大，反之亦然；产生应力集中的原因如下：
1）焊缝中的工艺缺陷，如气孔、夹渣、裂纹、未焊透等，其中裂纹和未焊透引起的应力集中更严重；
2）不合理的焊缝外形，如对接焊缝余高过大，可引起较大的应力集中；
3）焊接接头设计不合理，如接头截面突变会造成严重的应力集中；
4）焊缝不置不合理，如单侧焊缝的丁字接头会产生应力集中。
2.2 母材和焊丝成分
通常强度级别较高的钢具有较高的应力集中敏感性，故高强钢焊接接头的疲劳强度并不是随着强度级别的提高而提高，甚至还可能下降，因而用高强钢承受疲劳载荷的综合效果并不一定好，可以考虑采用应力集中敏感性较低的高强钢来制造压力容器，并尽量采取措施降低焊接接头的应力集中，这样仍可得到较高的疲劳强度。
焊接材料成分同样也会影响焊接接头的疲劳强度；如H08Mn焊丝所焊的焊接接头疲劳强度比H08焊丝所焊的焊接接头疲劳强度提高20%，而Ｈ1Cr18Ni9焊丝的焊接接头疲劳强度提高达30%，同时还应指出，这种变化还与母材成分有关。
2.3 焊接拉残余应力
焊接残余拉应力是一个不均匀分布的自平衡内应力，当残余拉应力与工作应力叠加达到屈服强度后会产生强化作用，降低塑性和韧性，同时也会降低残余应力的数值，若材料的塑性储备不足，特别是焊接接头中常常有应力集中与残余拉应力的相互影响，会产生相当高的应变循环，从而降低疲劳强度；若存在残余拉应力时会大大降低其塑性变形能力，从而有可能在低循环次数下就会产生裂纹，同时由于焊缝区域组织性能的变化，可能提高裂纹扩展速率，因而导致疲劳强度的降低；当靠近表面区域存在残余压缩应力时，疲劳强度提高。
2.4 焊接接头型式
在各种型式焊接接头中，对接接头的疲劳强度最高；改变搭接接头的焊脚尺寸，同时对焊趾区域进行加工以圆滑过渡，也可提高疲劳强度；十字接头的疲劳强度一般很低，若提高焊透率，且加工焊趾区域以圆滑过渡减小应力集中系数，可提高疲劳强度，焊缝余高不利于疲劳强度的提高，圆滑凹陷的角焊缝，可大大提高疲劳强度。
2.5 其它影响因素
金相显微组织：金相显微组织的不同影响着材料的塑性储备，从而影响疲劳强度；另外，结构尺寸、载荷特点、工作温度等因素均对焊接接头的疲劳强度产生影响。
总之，各种因素对疲劳强度的影响主要是通过改变材料的塑性储备及材料的应力集中系数来影响疲劳强度的。
1）材料塑性对压力容器焊接结构的影响：当材料塑性增加时，疲劳强度增大，当材料塑性减小时，疲劳强度减小；
2）应力集中系数对压力容器焊接结构的影响：焊趾处、焊缝根部、焊接错边、根部间隙、气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未融合等缺陷形成焊接接头的固有应力集中源而引起的应力集中系数增大，焊接结构上的不连续所引起的应力集中系数增大，从而导致疲劳强度降低较大。
3 在生产中提高压力容器疲劳强度的具体措施
3.1 压力容器的主要焊接接头型式要符合要求
保证焊接质量是压力容器制造的关键，焊接的特点表现为焊接接头形成过程的特点和结构型式的特点；结构型式的特点主要是指板厚、破口型式、接头型式等；由于这些因素变化不同，导致产生加热效率和冷却速度变化，从而产生不同残余拉应力和不同变形程度；一般情况下，板厚越厚越严重，另外厚板需多层焊，产生反复受热和再热作用易产生裂纹；板材越厚拘束度越大，残余拉应力也越大，这些都对焊接接头产生疲劳裂纹起到促进作用。
压力容器的主要焊接接头型式有：对接接头、角接接头、Ｔ型接头及搭接接头等型式；接头型式不同受力特点就不同，焊缝强度、刚度也不同，焊缝出现裂纹等缺陷程度也不同。
焊缝断面形状，如坡口角度、钝边高度、根部间隙等，这些都与制造单位的实际情况有密切关系，在生产制造过程中，坡口的型式往往采用I、V、K、X、U形等；不同接头型式应力集中程度是不同的，对产生根部裂纹有不同的影响，在全焊透的情况下，焊接坡口的变化并不影响焊接接头机械性能；故焊接质量控制的关键是要控制焊接工艺。目前各生产制造单位的焊接工艺不统一，但各单位采取不同的焊接工艺均能达到规定的技术要求。
3.2 合理地设计焊缝、焊接接头及结构型式
1）合理设计的出发点重点在于尽量降低各种型式的应力集中系数，尽可能采用无焊缝余高的对接接头，对于重要结构则采用加工手段去除焊缝余高，对于承受疲劳载荷的焊接接头，当不可避免地要采用搭接接头型式时，应调整角焊缝的焊角尺寸，并加工焊趾过渡区以降低应力集中；尽量避免二条及二条以上焊缝交叉或汇聚于一点；在结构转弯处也应尽量避免布置焊缝，联接结构的刚性不应过大，尽量用断续焊，且应严格控制定位焊缝的质量；所有焊缝都必须保证其设计的合理性与焊接的高质量，这样才年保证焊接结构的疲劳强度。
2）降低应力集中系数
（1）采用合理的结构型式，可以减少应力集中，提高疲劳强度，尽量采用应力集中系数小的焊接接头；如对接接头的应力集中系数小疲劳强度高，应尽量选用；在对接焊缝中，应保证母材与焊缝间的平滑过渡，机械打磨过渡是常采用的方法，但要注意打磨应顺着应力线传递方向；
（2）当采用角焊缝时需要采取综合措施（机械加工焊缝端部，合理选择角接板形状，焊缝根部保证焊透等）来提高接头的疲劳强度，采取这些可以降低应力集中、消除残余拉应力的不利影响，采用综合处理后，低碳钢、低合金钢的疲劳强度会显著改善；
（3）对低碳钢和低合金钢来说，在某些情况下，可以通过开缓冲槽使应力线绕开焊缝的应力集中处来提高焊接接头的疲劳强度；
（4）用进行机械加工的方法消除焊缝及其附近的各种沟槽圆滑过渡，可以降低构件的应力集中程度来提高焊接接头的疲劳强度（也可采用电弧整形的方法来代替进行加工方法）。
3.3 合理的工艺措施
尽量减少焊接缺陷，对用应力集中敏感的高强钢制造压力容器时更应注意；另外，还应从焊接工艺本身采取降低焊接残余拉应力的措施，来提高焊接接头的疲劳强度；在控制焊缝成型上应减少应力集中源，保证焊透、控制焊缝余高，防止咬边及错边，注意起弧处、收弧处的焊接质量；焊后热处理亦可消除或部分消除残余拉应力，从而提高焊接接头的疲劳强度；此外，采取预超载将会使随后的疲劳裂纹扩展速率大大降低甚至短时暂停，如压力容器的水压试验检验就是这一方法的具体体现；表面强化处理、用锤击或挤压焊缝表面及过渡区、喷丸处理焊缝区加特殊保护层等都可以提高焊接接头的疲劳强度；因材料经过处理后，不仅有利于表面应力、表面状况，而且使材料局部加工硬化，从而提高压力容器的疲劳强度。
总之，应力集中系数是降低压力容器疲劳强度的主要原因，当焊接接头设计合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，产生的应力集中系数较小，这样才能保证焊接接头具有良好的疲劳强度。
3.4 在焊接接头缺陷处产生残余压应力
1）在焊接结构中加载预拉伸应力直至焊接接头缺陷处产生屈服，然后卸载使缺陷处产生残余压应力保留在焊接接头中，从而提高压力容器的疲劳强度；
2）锤击焊缝处，引起残余压应力并造成加工硬化，从而提高压力容器产品抗变形能力，延缓了疲劳裂纹的萌生和扩展，提高了疲劳强度；
3）利用局部加热或压缩使残余拉应力降低，甚至产生残余压应力可以有效提高焊接接头的疲劳强度。
综上所述，降低焊接结构残余拉应力、减小应力集中系数及增加缺陷源处的残余压应力是提高压力容器疲劳强度的有效途径，对于上述各种方法，压力容器生产单位可根据生产实际状况选择其中一种或一种以上的方法来提高压力容器产品的疲劳强度。
参考文献
[1]合肥通用机械研究所.断裂力学在压力容器上的应用.
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[4]王宽富.压力容器焊接结构工程分析.