从微观上来考虑,因其分析的受力的回转壳体微单元是小到/可以近似地认为Rt和Rz在他们所作用的面上是均匀分布的0,即纵环焊缝的每个微小单元受到轴向应力的机遇X和筒体是相同的,而不是环焊缝只受轴向应力。
环焊缝除受到与纵焊缝相同的焊接应力外,其受到的焊接引起的纵向收缩所产生的环向附加应力也不可忽视,而这个附加应力,对于纵焊缝来说,是可以忽略不计的。以100m3液化石油气贮槽(D=18mm,a=2800mm,p=1177MPa)为例,当收缩率S=0125mm/m时,环向收缩力为:N环=EFS=2114X105X01024X01024X0125X10-3=01030816(MN)=30816(N)上式,N环为环焊缝的环向收缩力;E=2114X105MPa为弹性模量;F为环焊缝的截面积,其近似地=平均焊宽X焊高。设平均焊宽24mm,焊高取每边增加3mm,即18+2X3=24mm。
环焊缝结构示意图环焊缝的平均应力为:N平=N环AF=30816A(01024X01024)=53500000(Pa)=5315(MPa)焊缝的收缩变形,主要发生在第一焊道,占总变形量的80%,第一焊道厚度一般为1012mm,即第一焊道承受的环向收缩力为N环1=N环X80%=30816X018=24653(N)由环向收缩力造成的第一道环焊缝的环向应力增加为R环=N环1/Fc=24653/01024X01012=8560000(Pa)=8516(MPa)式中,Fc=第一道焊缝的横截面面积01024X01012m2。
在产品进行热处理、试压后,其应力消除平均为85%,最好的地方在95%以上,而差的地方在70%以下,先取差的情况,取70%,那么因焊接引起第一道焊缝增加的环向应力为R环1增=R环1(1-70%)=8516X013=2517(MPa)从上面的计算可知:环焊缝的拘束应力(在这里是环向应力的增加)是很大的,若不经处理,其数值可能超过板材许用应力的一半。经热处理后仍达到1518%.而对于作用在纵焊缝上的拘束应力,因其能自由收缩而释放了大部分,剩余的拘束应力是属于轴向的。
容器投入使用前,在承压的情况下,由于焊缝的厚度和筒体不一样,其周向变形量就不一样,为了协调这种变形而使环焊缝的环向应力增加。还是以100m3液化石油气贮槽为例,其Di=2800mm,D=18mm(负偏差为018mm,D计=18-018=1712mm),材质为16MnR,工作压力为117MPa,则:189第3期彭浩斌:影响压力容器环焊缝制造质量的因素焊缝应力变形情况筒体环向应力R18=P(Di+D计)/2D计=117X(2800+1712)/2X1712=1391222(MPa)环焊缝环向应力R焊=P(Di+D焊)/2D焊=117X(2800+2312)P/2X2312=1031436(MPa)在计算环焊缝应力时,焊高取自动焊单边允许余高的3/4,即4X3/4=3mm,那么D焊=1712+3X2=2313mm.
筒体的环向伸长vL18=N(Di+D计)P/EF=R18(Di+D计)P/E=391222X281712P/2114X105=51759焊缝的环向伸长vL焊=R焊(Di+D焊)P/EF=1031436X282312P/2114X105=41287为了协调变形,环焊缝要相应增长vl增vl增=(vL18-vL焊)/2=(551759-412877)/2=01736由此引起环焊缝环向应力增加为R增=vl增E/(Di+D焊)P=01736X2114X105/282312P=17176(MPa)这个应力相当于16MnR板许用应力的1019%,或相当于工作压力的17%左右。
环焊缝的组装精度一般比纵焊缝差,以D=18mm为例:纵焊缝允许错边量为3mm,环焊缝为板厚的1/4,即415mm,相差50%.另一方面,由于筒体卷制不可能是一个理想的圆,各筒节的直径又不可能完全一样,因此在组装时为使环对接的错边量不超标,而采用使筒体局部变形的办法来解决。这种变形造成环焊缝的局部应力增加,甚至造成轴向应力大于环向应力。
从/贮运容器事故案例0的30例中,有几例提及由焊缝引起的失效,其中两例为环焊缝开裂失效,还有两例是既有环焊缝开裂也有纵焊缝开裂而造成失效。从圆筒形容器低温爆破试验中起爆点的位置来看,封头与筒体焊缝(环焊缝)占3411%,纵焊缝仅占415%,丁字缝占911%.从环焊缝比纵焊缝更易失效的事实说明,环焊缝的内在质量确比纵焊缝差,环焊缝受到的应力也比纵焊缝复杂恶劣。
上述情况表明,环焊缝的受力状况和焊缝的制造内在质量比纵焊缝差,但环焊缝两侧受到加强筒体(在协调变形时筒体受到一个压紧的预紧力)的加强,使部分恶劣受力状况得到改善,如阻碍环焊缝产生的轴向裂纹的继续扩展,使它不象纵焊缝产生的轴向裂纹那样容易扩展,但是裂纹一旦产生,应力往往集中在裂纹端部形成楔入作用,向薄弱的地方扩展,特别是应力和缺陷等各种因素叠加在一起时最为不利,裂纹就容易形成并扩展。但纵焊缝因其内在质量较好,受到的附加应力比环焊缝小,故纵焊缝发生失效比环焊缝少。