压力容器焊接缺陷分析.doc

摘要:对电站压力容器常见缺陷进行了分类和描述,并分析了各种缺陷产生的原因,及其对安全生产的危害性。列举了一些实际生产中遇到的实例,并提出了控制缺陷出现的原则性建议。关键词:压力容器;缺陷;分析随着电站装机容量的增大,压力容器作为电站特种设备,其运行参数也随之提高,容器的健康状况对企业的安全生产影响越来越大。因此,加强压力容器的检验、消除缺陷隐患,对保证其安全运行,防止出现意外事故,具有非常重要的意义。压力容器作为机械制造产品,又在高温、高压的条件下工作,不可能不出现缺陷。压力容器在设计、制造、安装、运行和维护等各个环节中都会产生缺陷,但不管来源于那个环节,都将影响其安全使用。近几年来,我们在压力容器的检验中,对其常见缺陷有了一个比较清晰的认识,也积累了一定的消缺经验。在此对电站压力容器的常见缺陷进行归纳总结,以利于今后更好地开展工作。1压力容器常见缺陷种类虽然压力容器从设计到投入使用的各个环节中都会出现缺陷,但我们在实际检验中发现,有些缺陷在各个电站普遍存在,下面就一些主要的常见缺陷进行归类,见表1所示。序号缺陷问题种类原因1见证资料不齐全未严格执行国家、行业标准，手续不全，用户与供货商协议不明确2设计和结构不合理封头形式不合理，比如直边高度不够或无直边，连接方式不好，开孔不合理，排水（气）管布置不合理。3几何尺寸偏差等缺陷对口错边量超标，焊缝余高过大或未填满，焊角尺寸不合格，焊角圆度过大等。4焊缝缺陷出现裂纹、未融合、未焊透、咬边、线性凹坑、气孔、夹渣和非线性凹坑、各类凸起、焊瘤。5原材料质量缺陷钢板夹层、重皮、褶皱、冶金质量问题等。6运行中出现的问题冲刷、腐蚀、过热变形、膨胀受阻造成应力过大，表面开裂，相连接的部位出现问题导致容器本体出现问题。2常见缺陷和问题的产生原因及其危害2.1技术资料国家、行业等标准对压力容器生产使用过程中的文字记载做了详细的规定,它记录了压力容器设计、制造、安装、使用、检修的全过程中的具体情况。完整的技术资料档案是合理使用压力容器的重要依据,它可以指导技术人员更合理地分析和处理压力容器出现的各种问题,以保证其安全运行。正是由于技术资料在压力容器管理中的重要性,它参与着压力容器安全状况等级的评定,直接影响其安全健康状况。但就目前情况而言,技术资料短缺是压力容器管理中最大的问题之一。在实际工作中经常出现,当压力容器出现缺陷后,技术人员因缺乏必要的技术资料,而难以决定处理方案,由于举棋不定,而错过消缺时机,使压力容器带缺陷投入使用,给安全生产带来隐患。这种局面主要是由于过去对压力容器造成的危害认识不足,过去的国家或行业的标准对技术资料的要求不够,用户与供货方的技术协议中有关提供技术资料的条款不明确等历史原因造成的。2.2设计和结构缺陷2.2.1封头形式不合理电站压力容器的封头一般为半球形、椭圆形、碟形、锥形和平盖形。不同形式的封头钢板的曲率半径不同,其受力情况也不同,其顺序是半球形、椭圆形、碟形、锥形封头依次变差,且以平盖形封头为最差。一般,因封头与筒体连接处存在较大的应力,因而在封头处需要有一段约2540mm的直边,直边的作用是使封头到筒体呈圆滑过渡,缓解和释放由于曲率变化而造成的突变应力。因此,直边不够或无直边都会造成局部应力过大,而在封头焊缝处开裂。2.2.2焊缝布置不合理焊接是压力容器设计、制造过程中不可避免的连接方式。压力容器筒体的周向应力是轴向应力的2倍,因此,在制造过程中,对纵向焊缝的质量要求要比环向焊缝要高。对于容器,焊缝是一个薄弱区域。因此,对焊缝的布置从设计上有一定的要求。焊缝的交叉、重叠或距离太近都将增加焊接应力,恶化焊缝区域的组织和性能,从而容易形成裂纹等缺陷。所以,在容器组焊时,应尽量避免十字焊缝;相邻两筒节纵缝、封头拼缝与相邻筒节的纵缝应错开,其焊缝中心间距应大于筒壁厚度的3倍,且不小于100mm;封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距至少应为钢板厚度的3倍,且不小于100mm;封头由成形瓣片和顶圆板拼成时,焊缝方向只允许是径向和环向的。在实际中,可见到容器上存在十字缝,或在修复处理中增加焊缝等现象,这在规程中虽未被不允许,但考虑到其应力问题,应对此部位加强检验。2.2.3开孔和接管问题在容器上开孔如人孔、手孔、视孔和各种仪表孔是不可避免的。由于开孔本身中断了钢板的连续性,使筒体整体强度被削弱,而且在开孔边缘及周围的应力集中部位形成局部高应力。设计时,应根据强度是否满足要求,对开孔进行补强。如以上第21212节所述,圆筒壳体的周向应力是轴向应力的2倍,在开设椭圆孔时,必须使短轴在纵向、长轴在环向,以尽量减少开孔对壳体强度的削弱程度。对于开孔2接管本身来讲,该部位是一个应力突变区域,再加上相连管子在运行中如膨胀、变形等因素造成的应力,使接管处的应力分布最为复杂。因此,接管座的焊接宜采用全焊透结构。接管座焊缝的失效就是上述两方面因素造成的。如某厂高压加热器的疏水管的管座焊缝周圈开裂,其原因就是相连的管子上方的支吊架失灵使角焊缝处应力过大造成的。2.2.4支座支座的设计,除了应满足强度要求外,还应考虑支座能滑动这一因素。因为,电站压力容器一般都在一定温度下工作,运行中会产生膨胀。如果设计不合理,会造成膨胀受阻,在支座与容器的连接处,产生过大的应力,从而出现开裂。2.3几何尺寸偏差等缺陷2.3.1对口错边量和棱角度错边是指对接接头中被焊的两钢板在厚度方向没对齐而形成的错位,是压力容器焊接中常出现的一种缺陷,在纵、环缝中均可能出现。纵缝的错边主要是由于钢板的中线未对齐或钢板的厚度存在偏差造成的;环缝产生错边除上述原因外,还有直径偏差、不圆度、装配误差、未按规定对厚板削薄和焊接顺序不当等原因。棱角度是指对接钢板的中心线不在同一直线或弧线上而在接缝处形成一定高度的棱角。钢板边缘未进行预弯或预弯尺寸不合适、装配时两钢板未对正、厚度不一致或焊接角变形大等都会使纵缝产生棱角度,而环缝除上述原因外,还与筒节端面的倾斜度有关。2.3.2焊缝余高过量或未填满余高过量是指焊缝金属成型后比母材高出过多的现象(造成焊缝与母材过渡不好),其产生原因主要是焊接规范选择不合理,电流过大或过小,焊条角度和运条速度不当,没有合理安排多层焊的层数等。未填满是指焊缝表面连续或断续的沟槽,是由于焊接规范参数太小、焊条太细、运条不当等造成的(填充金属不足)。2.3.3焊角尺寸不合格主要指接管与容器本体的角焊缝尺寸过小,产生这种缺陷的主要原因是焊接规范参数过小或操作不当(焊缝金属填充量不够)。2.3.4裂纹裂纹是指焊接接头局部区域因焊接应力和其它因素的作用,金属原子间结合力遭到破坏,形成新的晶界而产生的缝隙。焊接裂纹可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹等多种,热裂纹在不锈钢的焊缝_中出现较多,主要是由于焊接熔池凝固末期液态金属填充不足造成的;冷裂纹是在低温下产生的;再热裂纹是在焊接后热处理时产生的。后两种裂纹是由于在不同阶段金属的塑性变形能力低于实际变形量造成的。2.3.5未熔合和未焊透未熔合是指焊缝与母材之间或多层焊的焊道之间未完全熔化结合的现象,产生原因主要是焊接规范参数太小,电弧过长、速度过快、摆幅不当及层间清理不净等。未焊透是指焊缝坡口根部的母材未完全熔化并形成焊缝一部分的现象。单面焊的未焊透在焊缝的内表面,宏观检查即可发现;双面焊的未焊透存在于两面焊缝的交界处,不外露,需用无损检验的方法才能发现。产生未焊透的原因是焊接规范参数小,坡口角度小、间隙小、钝边大,清理不良,焊条偏芯,电弧过长、速度快等。2.3.6咬边咬边是存在于焊缝边缘母材上的一种缺陷,通常看到的是在沿着焊趾的母材部分形成的凹陷或沟槽,是电弧将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充而留下的缺口,产生的原因是电流过大、速度过小、焊条与工件之间的角度不合理、摆动不当、电弧过长等。2.3.7气孔与夹渣焊接时熔池中的气体未能在金属凝固前逸出,残存在焊缝中所形成的孔穴叫做气孔,母材、焊材所带入的油污、铁锈、结晶水等是气体的主要来源,产生气孔的主要原因是焊接规范参数小,速度快,熔池冷却快。焊缝金属中含有非金属夹杂物或熔渣的现象叫做夹渣。坡口角度太小,污物清理不净,焊接规范参数小,速度快,多层焊层间清理不彻底等是产生夹渣的原因。上述焊接缺陷的存在,减少了焊缝的有效截面,降低焊缝和结构的承载能力,形成一定的应力集中,甚至形成宏观裂纹,对结构的安全十分不利。2.4原材料质量缺陷用于制造压力容器的金属材料,一般包括钢板、钢管和焊材等。设计时,必须依据有关标准严格选用。选用压力容器的金属材料时,必须考虑到环境因素的影响。对于电站压力容器,其介质大都为汽水,我们在检验中,很少发现由介质造成的腐蚀失效现象。因此,电站压力容器常用材料一般选用Q235A、20g、16Mn、15MnV等系列钢种。另外,选用钢材时,必须考虑到钢的耐低温性能。我国有些地区的月平均气温低于-20,在低温下使用,钢材的性能发生了很大的变化,因此,气温低的地区必须考虑选用低温用钢。对于原材料的缺陷,一般分为分层、凸泡、氧化铁皮、网纹、麻点、皮下气泡、翘皮、偏析、裂纹、发纹、金属夹杂物、非金属夹杂物、白点等。这些原始材料的缺陷,在钢材冶金生产过程中,通过严格的生产工艺会得到有效的消除和控制。如果在某一工序出现问题,则不允许进入下一工序。因此,用于制造压力容器的成品钢材,在正常情况下不应存在上述缺陷。但我们在对电站压力容器进行定期检验时常发现压力容器所用的钢板存在夹层。这是由于钢板在生产过程中,钢坯内部存在残余缩孔、气泡或非金属夹杂物,或钢材上的氧化皮未消除,在轧制过程中被破碎而压入钢板表面,造成金属的不连续性。钢板存在夹层对压力容器的使用是非常危险的。首先,夹层降低了钢板的强度指标,影响其安全性;其次,在夹层处易引发裂纹。我们在定检时曾发现除氧器水箱的钢板存在大面积夹层,也发现过加热器筒体的夹层引发裂纹并向筒体母材扩展的情况。2.5运行中出现的问题或缺陷2.5.1氢罐的鼓包与变形氢罐在运行一段时间后,会在上下封头的拼接焊缝两侧出现鼓包现象,这种现象的产生主要是由于在应力作用下氢的溶解和腐蚀使该处的金属强度降低,从而产生局部失稳变形。这类缺陷在几个厂的氢罐检验中都曾发现过。2.5.2局部过热变形有的容器由于超使用参数运行,使得某些部位温度过高,超过材料允许的使用温度,运行一段时间后即产生了局部变形,如某电厂的高压加热器进汽口附近的母材局部鼓包,另一电厂的除氧头进汽口周围母材局部鼓包等均是这种原因造成的。2.5.3局部冲刷减薄与变形这是一种由设计原因造成的运行缺陷,主要出现在切向进汽的进汽管对侧的容器筒体上,由于汽流或水流对筒体的冲刷,使得局部筒体壁厚减薄,当壁厚低于其最小壁厚时,还会出现局部鼓包的情况。在几个厂的扩容器上都曾发生过这种情况。2.5.4表面开裂这种现象在容器内外表面都曾出现过,有的是在应力作用下从外表面开裂,有的是由于内部装置与容器筒体之间的焊缝开裂并由此发展甚至形成穿透性裂纹,同时伴随着筒体的变形及内部装置的变形或脱落,如某电厂的扩容器就曾有这样的缺陷,其筒体变形严重,内部装置几乎全部脱落。2.5.5支吊架变形支吊架变形也是一种常见缺陷,有的是由于活动支架卡塞或位移受阻造成的,有的是因为吊架变形、弹簧失效造成的。这种缺陷可以导致支撑失稳,管系吊架的失效还会使管子的受力状况改变而诱发其它缺陷,如某电厂的高压加热器给水管管座角焊缝开裂就是由于吊架失效造成的。3结束语压力容器所采用的设计一般分为二类。一类是按照规则进行设计,通常称为常规设计,一般按照GB150钢制压力容器进行;另一类是按照分析进行设计,通常称为分析设计,一般按照JB4732钢制压力容器分析设计标准进行。常规设计以弹性失效为准则;分析设计以塑性失效和弹塑性失效为准则。电站压力容器的设计一般遵循的是常规设计。即压力容器一旦产生塑性变形,就认为该压力容器失效。因此,从电站压力容器的设计出发,为使压