第4讲：锅炉压力容器强度设计及制造要求课件

张启波青岛理工大学锅炉压力容器安全Boilerpressurecontainersafety

第四章锅炉压力容器强度设计及制造要求

第1节强度设计概述

第2节锅炉压力容器用钢材第3节筒体与封头强度设计第4节开孔补强第5节锅炉压力容器结构设计的安全问题第6节锅炉压力容器制造质量控制第7节锅炉压力容器制造管理第1节强度设计概述

锅炉压力容器受压元件的“升压”与“承压能力”是两回事，“升压”取决于介质获得能量与改变参数的方式和途径，“承压能力”则取决于元件的质量和性能。“升压、受压”的元件不一定具有“承压能力”。锅炉压力容器受压元件的承压能力，是指元件承受介质压力载荷而不破坏的能力，即元件的强度。可用元件的许用压力[p]表示。

一、强度理论一、强度理论

（一）锅炉压力容器的失效

构件失效：失去预定工作能力；

强度失效：因强度不足引起的失效。如：构件破坏、破裂、断裂；

因刚度不足或稳定性不足：-过量的弹形变形或失稳坍塌；

稳定性：细杆被压缩后弯曲，薄壁圆筒受内压变为椭圆。锅炉压力容器失效主要是强度失效，包括：静载强度失效及交变载荷长期反复作用引起的疲劳强度失效。承受外压的锅炉压力容器部件及元件，即包括：强度失效，也包括失稳失效。一、强度理论

（二）强度设计的任务设计任务:强度设计---强度计算---设计计算—根据材料、尺寸、T、P，计算壁厚；核算计算—核算元件所能承受的压力载荷[p]

。一、强度理论

（三）强度理论及强度条件强度理论—失效判据—研究构件在不同应力状态下产生强度失效的共同原因的理论。根据出现的先后次序，分为第一、第二、三、四理论。锅炉压力容器强度设计常涉及的是：第一、三、四理论。这些理论的统一表达式为：Si≤[σ]；[σ]—材料的许用应力；Si—依据一定强度理论得出的当量理论或应力强度。一、强度理论

（三）强度理论及强度条件

第一强度理论：--最大拉应力强度理论。--无论材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同原因是由于构件的最大拉应力σ1达到了极限。S1=σ1≤[σ]；

第二强度理论：是根据变形极限确定的。

一、强度理论

（三）强度理论及强度条件

第三强度理论：--最大剪应力理论，--无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因是由于构件的最大剪应力τmax达到了极限。

对于任意应力状态其：τmax=（σ1-σ3）/2；在单向拉伸时，当拉应力达到极限σs时，与轴向成45度的斜截面上的相应的最大剪应力为τmax=σs/2，发生屈服。则准则应为：（σ1-σ3）/2=σs/2；---（σ1-σ3）=σs；S3=σ1-σ3≤[σ]；一、强度理论

（三）强度理论及强度条件

第四强度理论：也叫歪形能强度理论。--无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因是由于构件的歪形能（形状变形比能）达到了极限。

产生变形所做的功全部转为变形能。二、设计准则强度控制原则

（一）弹性失效准则---极限应力法构件上应力最大点的当量应力达到材料的屈服点时，整个构件丧失工作能力。一点失效即构件失效。

（二）塑性失效准则—极限载荷法一点的当量应力达到屈服点，整个结构并不失效。只有当整个截面上各点当量应力均达到屈服点，结构才失效。对于拉伸杆件或薄壁园筒，其应力沿壁厚是均匀分布的，一点失效与整个截面失效是相同的。而对于厚壁圆筒则不同。二、设计准则强度控制原则显然，采用弹性失效准则偏于安全与保守。但不论采取那种准则，都要选取安全系数。我国锅炉强度控制采用塑性失效准则，一般压力容器采用弹性失效准则。二、设计准则安全系数材料许用应力[σ]一般由：σb/nb；σs/ns；σb---常温下抗拉强度；σs---常温或工作温度下的屈服点σs；当材料在高温工作时，还需考虑材料高温性能指标---持久强度σD，蠕变极限σn。取：σb/nb；σs/ns；σD/nD；σn/nn；最小值。

容器的各种承压部件，承载的应力：1、内压引起的薄膜应力；2、边界效应引起的不连续应力；3、热膨胀受到约束而引起的热应力；4、还包括：壳体开孔接管等产生的局部应力。这些不同条件引起的、具有不同性质的各类应力，在导致容器或其他部位发生破坏所引起的作用是否完全一致？有些应力分布在整个截面上，使部件发生整体变形，随应力增大---变形也会毫无限制增加。当达到材料屈服极限—发生塑性变形—栽菏继续增大—断裂。因此是最危险的一种。

三、应力分类

有些应力只作用在局部区域，也会引起壳体变形，--大于材料屈服极限时—也会发生局部塑性变形。但这种局部的塑性流动，或者可以使原来的变形不协调得到缓解，或者受到相邻区域（应力较低，材料还处于弹性状态）的限制而不能继续发展下去。且使应力重新分布。如总体结构不连续处的弯曲应力。还有些应力集中而产生的局部应力，只局限在一个很小的区域范围内，而且迅速衰减，在他的周围附近很块就消失。因受到相邻区域的约束，这种局部应力基本上不会使部件产生任何明显的变形。如小孔或缺口所产生的应力。

三、应力分类

不同类型的应力—由于变形情况不同—在可能导致容器破坏的过程中所引起的作用是不一样的。---也就是说，不同类型的应力，在容器不同破裂模式中具有不同程度的重要性。显然，如果要求把这些不同类型的应力都控制在一个水平上，是不合理的。为了保证压力容器在条件复杂的情况下安全运行—充分发挥材料的潜在能力—有必要探索各种应力对容器强度的影响和作用—采用新的设计观点（应力分析设计方法），进行压力容器的设计。

三、应力分类

应力分析设计方法：根据各类应力在导致容器破坏中所起的作用，即按照应力不同性质，加以区别对待，控制在不同的范围内。长期以来，由于对各种应力的作用缺乏精确的了解，加上计算困难。设计时仅考虑内压引起的元件大面积上的平均应力进行强度设计。再采用一定安全系数。1968年美国提出了应力分析设计方法。我国目前进行锅炉压力容器的常规设计已考虑了应力分类的观点和原则，从而减少了设计盲目性，增加可靠性，如：JB4732《钢制压力容器---分析设计标准》。

三、应力分类

（一）一次应力（P）---又称基本应力1）这类应力必须满足外载与内力的平衡关系，所以可由静力平衡条件确定；2）非自限性，随外载菏增加而增大。包括以下几种：

1）一次总体薄膜应力（Pm）。--内压—环向应力和经向应力。厚壁圆筒承压时引起的轴向应力等。

2）一次弯曲应力（Pb）--除Pm外，载器壁厚度方向成线性分布的应力。如容器平板封头中央部分所产生的弯曲应力。---应用极限设计的概念进行分析。

三、应力分类

（一）一次应力（P）---又称基本应力

3）局部薄膜应力（PL）。由压力或其他机械载荷引起、并沿器壁厚度均匀分布、只产生载局部范围的薄膜应力。如：支座或接管与壳体的连接部位沿壳体壁厚平均的周向及经向应力。另外，筒体与封头连接处由于边界效应—自由膨胀或收缩受到限制而引起的周向应力---在沿器壁厚度方向上的分布状态与总体薄膜应力是相同的—只存在局部区域—应当属二次应力—出于保守考虑—仍按一次应力考虑。

三、应力分类

（二）二次应力（Q）—间接应力是在外栽作用下，相邻部件的约束或构件自身约束而产生的正应力或剪应力。1）是满足构件的变形协调，而不是满足外载与内力平衡引起的；是自限性的。2）它在局部产生屈服或小量的塑性变形之后，由于相邻部分的相互约束得到缓解—-使变形趋于协调而不是继续发展，应力就自动限制在一定范围内，不再增大。

三、应力分类

（二）二次应力（Q）—间接应力包括：1）总体结构不连续处的弯曲应力，如圆筒和封头、法兰连接处由弯矩引起的轴向或周向应力；2）总体温度应力。如：轴向温度梯度在圆筒产生的轴向应力，接管和容器本体存在温差而引起的应力等。

三、应力分类

（三）峰值应力是由于局部结构不连续（小孔、小的转角半径、焊缝咬边等）引起的应力集中，使构件在原有应力（一次或二次）的基础上再增高的那部分应力。1）分布区域很小，区域范围与容器的壁厚同一个数量级；2）不会引起整个结构的任何明显的变形，而只有可能成为容器产生疲劳破坏或脆性破坏的根源。---因此在强度设计中不考虑，只在疲劳设计时加以限制。

三、应力分类

（三）峰值应力包括：1）局部结构不连续处的总应力中除去一、二次应力后的剩余部分，如中间有一小孔；2）两种钢（如碳钢与奥氏体钢）的复合制造的容器部件，由于线膨胀系数不同而产生的热应力；3）局部热应力。如器壁上存在一小热点引起的应力。只产生在一个范围很小的某一温度突变点（如：器壁与一高温小管的连接处）附近。

三、应力分类

极限设计法：以塑性失效为准则的强度设计。

安定性概念：是指局部应力过高的区域，在反复载荷的作用下，除在第一次加载时产生一定量的塑性变形外，以后不再出现新的塑性变形，应力与变形保持弹性循环状态。各类应力的限制（ASME锅炉及压力容器规范中关于应力分类限制的规定）。1）一次总体薄膜应力（Pm、Sm），Pm≤[σ]；2）一次局部薄膜应力（PL），PL≤1.5[σ]；3）一次总体薄膜应力（Pm）或局部薄膜应力（PL）和弯曲应力（Pb）之和的应力强度小于1.5[σ]；

四、设计中各类应力的限制

4）一次总体薄膜应力（Pm）或局部薄膜应力（PL）和弯曲应力（Pb）与二次应力Q之和的应力强度应小于3[σ]；5）一次应力（包括总体薄膜应力或局部薄膜应力与弯曲应力）与二次应力Q及峰值应力F之和的应力强度不能超过疲劳曲线所确定的许用应力幅Sa。

四、设计中各类应力的限制

四、设计中各类应力的限制

第2节锅炉压力容器用钢材

（二）许用压力的主要影响因素

1.钢材

不同的钢材在相同的使用条件下体现不同的强度、塑性、韧性及其他性能特点。材料强度是元件强度的基础，用不同强度的材料制成相同形状与尺寸的元件，其许用压力也不相同。

材料的抗拉强度及屈服点越高，材料的许用应力越高，制成元件的许用压力也越高，反之亦然。由于锅炉压力容器使用条件恶劣，对钢材有特殊要求，在锅炉压力容器的修理、改造中不得用普通钢材取代锅炉压力容器钢材。

（二）许用压力的主要影响因素

2.使用温度

钢材的抗拉强度和屈服点随温度的升高而下降，相应地，钢材的许用应力也随温度的升高而下降，同样制成元件的强度及承压能力随温度的升高而下降。因而不能将常温容器改作锅炉部件，也应防止缺水、结垢及其他非正常工况使部件温度升高。

3.结构形状和尺寸

不同形状的结构承受同样压力后，其壁面内应力的大小和分布不同。在其他条件相同时，球壳受压后应力最小，分布最均匀。因而球壳强度最好，圆筒壳、椭球壳较好，而平封头较差。

（二）许用压力的主要影响因素

对回转壳体，直径越小，壁厚越大，则承压能力及强度越好，反之越差。在使用中需要关注壁厚因腐蚀、磨损造成的减薄。

4.制造和安装质量

制造和安装质量不仅影响结构的形状、尺寸，而且影响结构的组织和性能。特别是焊接质量，在很大程度上影响焊接接头的结构、组织、性能、应力水平与完好程度，从而影响元件及部件强度。对锅炉压力容器结构的焊接，必须严格控制、严格检验，防范和避免缺陷。

（二）许用压力的主要影响因素

5.开孔

由于开孔破坏了结构的连续，减少了结构的承载面积，因而会降低部件结构强度，其降低程度取决于开孔孔径、孔距及开孔数量。对锅炉压力容器上开孔必须慎重处理。孔径不应过大，开孔分布应尽量均匀，不应在焊缝及结构形状变化部位开孔。

在修理、改造设备时不应随意在设备上添加开孔。一、金属材料的常温力学性能钢材在使用温度下的强度性能（一）温度对钢材机械性能得影响钢材的机械性能：（常温短时试验）σb(Rm)：抗拉强度；σs(ReL)：屈服点(屈服强度)；δ5(A)：伸长率；ψ(Z)：断面收缩率；Akv：常温冲击吸收功，冲击韧性—是金属材料抵抗冲击负荷的能力，采用用摆锤冲击试验机上测定。二、温度对材料力学性能的影响一、金属材料的常温力学性能钢材在使用温度下的强度性能温度对钢材性能有很大影响。σb在50-100度有所下降，在200-300度间出现峰值（250），继续增加温度，则σb大大下降。与此相应碳钢的塑性在250前后的趋势是先下降而后明显上升

蓝脆性：碳钢在200-250时抗拉强度增加、而塑性下降的现象。温度升高，σs（屈服点）降低，当升高到一定温度时，拉伸时的明显屈服现象消失，此时常用相当于残余变形为0.2%时的应力作为钢材的屈服点，称为条件屈服点（σ0.2）。一、金属材料的常温力学性能

（二）蠕变及高温强度

蠕变—在高温和一定应力作用下，材料的塑性变形随时间逐渐增加的现象；蠕变在一定温度时才出现，和材料熔点有关，蠕变温度约为熔点的25-35%。碳钢—350度，合金钢—400度。塑料—常温也会。蠕变寿命—材料开始蠕变至蠕变破坏所持续的时间。对于锅炉压力容器材料，常称：高温—材料开始出现明显蠕变现象；中温—未引起明显蠕变的100-350度；

热强度（高温强度）—钢材抵抗蠕变破坏能力。

蠕变的快慢取决于材质、载荷、温度。一、金属材料的常温力学性能

（二）蠕变及高温强度σD：持久强度—在一定温度下，经过规定工作期限（我国为1*105h）引起蠕变破坏的应力；σn：蠕变极限—在一定温度下，经过规定工作期限（我国为1*105h）引起蠕变变形（1%）的应力；松弛—特定情况下的蠕变现象，如螺栓；弹形变形转变为塑性变形，本来拉紧的螺栓或弹簧产生了松弛。一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化碳钢是指--含碳量在0.02---2.06%的铁碳合金。纯铁--含碳量小于0.02%；铸铁--含碳量大于2.06%。含碳量不同的碳钢，在不同温度下，形成不同的组织，其基本组织包括：1、铁素体：碳溶于α铁中形成的固容体，纯铁在910度以下呈体心立方晶格。碳在α铁中溶解度极小（在室温下小于0.006%），因而铁素体的组织和性能与纯铁相似；一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化2、奥氏体：碳溶于γ铁中形成的固容体（纯铁在910-1390度呈面心立方晶格）。碳在γ铁中溶解度较大，在723度时为0.8%，到1147度为2.06%），因γ铁为高温组织，合金小于723度，奥氏体不存在。3、渗碳体：指铁和碳形成Fe3C。碳钢中的碳除极少数溶解于铁素体中以外，绝大多数与铁形成Fe3C，所以含碳量越多，渗碳体越多。4、珠光体：指铁素体和渗碳体所形成的机械混合物。在珠光体中，指铁素体与渗碳体呈片状分布，紧密结合，平均含碳量约为0.8%。当超过0.8%时，其组织全部是珠光体。一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化

常温下，钢材的金相组织是稳定的，除非荷腐蚀介质接触；高温下，钢材中原子的扩散能力增加，这种内部原子扩散作用—可能导致钢材组织的各种变化。长期—对锅炉压力容器通常指数万小时，即和其工作期限可以比较的期限。钢材的较为危险的组织变化是珠光体球化和石墨化。

一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化

（一）珠光体球化在高温原子扩散能力强的条件下，片状渗碳体会逐渐转化为球体，同时由于大球体比小球体有更小的表面能，随着高温作用时间的加长，小球体又聚拢成大球体，这种现象称珠光体球化。珠光体球化---降低钢材的常温强度，明显加快--蠕变速度，降低持久强度—约降低40-50%。对钢材作正火加回火的热处理，即使回火温度高于钢材工作温度100度以上，可以得到比较稳定的珠光体组织，在使用期限中不至于发生严重的的球化。一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化

（二）石墨化—钢材中的渗碳体在高温作用下自行分解成石墨和铁的现象。Fe3C-----Fe+C（石墨）；

分解出的石墨呈点状分布在晶界上，石墨的强度、塑性和韧性都很差，点状的石墨相当于点穴在铁素体中。根据钢中石墨化的发展程度，分为四级：（P106）

一级—轻度石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量的20%左右；

二级—明显石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量的40%左右；

三级—严重石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量的60%左右；

四级—很严重（危险的）石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量大于60%。一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化

（二）石墨化—钢材中的渗碳体在高温作用下自行分解成石墨和铁的现象。铬（Cr）能有效阻止石墨化现象发生，因Cr和C能生成稳定的化合物；硅、铝能加快石墨化的速度，冶炼中应严格控制脱氧铝的加入。添加元素就是为了改善钢材的性能。加入较多的铬（Cr）、钼或再加上少量的钨、钒、钛、硼--提高钢材的热强性（足够高的持久强度合良好的抗氧化性能）；

一、金属材料的常温力学性能长期高温时的钢材组织变化

（二）石墨化—钢材中的渗碳体在高温作用下自行分解成石墨和铁的现象。加入较多的铬（Cr）、镍—大大增强钢材的耐蚀性---不锈钢。锰、镍、铬—可以改善钢在低温下的韧性，降低他的韧—脆性转变温度或无塑性温度，所以在低温容器用钢中，加入这些元素。中强度钢--锰、钼和少量的钒、硼；高强度钢—较多的铬、锰、钼或镍。三、钢材的脆性与脆化

脆性：是指在因工作条件（特别是工作温度）的变化而造成的钢材韧性的降低，是外部原因造成的钢材性能变化，金相组织通常不发生变化。一旦导致脆性产生的外部原因消失，钢材的脆性也消失，恢复原来的韧性。

脆化：是指钢材组织变化而造成的韧性降低，是一种更危险的脆性。往往是钢材组织在外部条件长期作用下形成的，即使外部条件消失，也很难恢复原有的组织、原有的韧性。

三、钢材的脆性与脆化脆性和脆化是难以严格区别的。通常将冷脆、蓝脆及应变时效、红脆、热脆、回火脆性等看作钢材的脆性。而将石墨化、苛性脆化、氢脆、热疲劳等归于钢材的脆化。

（一）冷脆性低碳钢和低碳低合金钢（α体组织），当温度低到一定温度下，韧性明显下降，材料突然变脆的现象。防范、避免冷脆破坏—通过实验找到“韧脆转变温度”—不是一个具体的温度值，一个小的温度区间。韧脆转变温度的影响因素：同一材料，热处理状态、晶粒度、内部缺陷尖锐程度及板厚都有影响。可进行温度冲击试验三、钢材的脆性与脆化（二）篮脆性和应变时效

蓝脆性：碳钢在200-250时抗拉强度增加、而塑性下降的现象。应变时效：锅炉压力容器制造或修理中出现的一种现象。钢材承受冷加工产生的塑性变形后，如果在室温长期放置，或在较室温高的温度下短期放置，其强度上升，塑性下降，冲击韧性显著下降的现象。钢材的蓝脆性和应变时效是一致的，某种钢材蓝脆性程度严重，则冷加工后的应变时效也严重。钢材的蓝脆性和应变时效依靠冶炼过程进行控制。锅炉钢材标准中常对应变时效后冲击值作出规定三、钢材的脆性与脆化（三）苛性脆性

苛性脆性—一种特殊的电化学腐蚀，属于应力腐蚀。蒸汽锅炉的损坏常由于碱的脆化作用所致（往往在应力集中处）--晶间腐蚀。对于碳钢，碱液浓度在10%-75%之间容易发生裂纹（在1%也会发生裂纹）。碱引起的应力腐蚀裂纹在330以上高温，裂纹生长速度加快。但在降到30度以下时，裂纹不会生长。

三、钢材的脆性与脆化（三）苛性脆性

苛性脆化应具备两个条件：1、局部应力达到或超过材料的屈服点；--在接管边缘、焊缝等。2、一定的游离碱。GB1576《低压锅炉水质》规定了：锅水的相对碱度小于20%[NaOH/锅水中溶解固形物（或含盐量）<0.2]。锅水中加入硝酸钠可防止苛性脆性的产生。三、钢材的脆性与脆化（四）氢脆

氢脆：氢在钢中富集导致钢材脆化的现象。氢扩散到金属内部，使金属材料发生脆化的现象

根据氢脆的程度分：可逆氢脆和不可逆氢脆。高温高压—H2—钢表面分解为H原子---经化学吸附透过金属表面固溶体（降温后呈饱和状态）---残留在钢材内部（位错处）--对位错起钉孔作用—使滑移难以进行—呈现脆性。或H原子—在钢材内部空隙处结合H2—随着聚集增多—形成很高的内应力—形成脆性。三、钢材的脆性与脆化（四）氢脆氢脆具有可逆性：在未脆断前在100-150度间适当进行热处理，保温24小时可消除脆性。氢脆不同于应力腐蚀，无须腐蚀环境，常温下也能发生氢脆。

不可逆氢脆或氢腐蚀：4H+FeC----CH4+3Fe

CH4比H2更难扩散，和H2一起产生更大的内部应力，破坏内部组织，产生永久变形。不可逆氢脆或氢腐蚀。合金钢碳含量组织状况对氢脆有很大影响：氢脆开列程度：三、钢材的脆性与脆化（四）氢脆

奥氏体＞500度奥氏体＞粗层珠光体＞细层珠光体＞球状珠光体。

合金强度级别越高，氢脆敏感性越大。内部氢脆：钢在冶炼、锻造、焊接、热处理、电镀和酸洗等过程中溶解或吸收的氢脆。外部氢脆：在使用中接触含氢介质并在一定条件下吸收氢而导致的氢脆。焊接—附近金属表面的油污等—高温下分解H2—溶于焊缝金属中。---因此焊接时需清除油污。锅炉中：2H2O+3Fe-----（＞400度）---Fe3O4+8H。蒸汽腐蚀产生的氢原子如不能及时带走--。锅水中O2、CO2。四、钢材的腐蚀

化学腐蚀：钢材和介质发生化学反应；

电化学腐蚀：如果化学腐蚀伴随局部电流现象。

（一）氧腐蚀（吸氧腐蚀）阳极：2Fe-4e----2Fe2+；阴极： O2+2H2O+4e----4OH-；

（二）析氢腐蚀CO2+2H2O----H2CO3---H++HCO3-阳极：Fe-2e----Fe2+；阴极： 2H++2e----2H2；四、钢材的腐蚀（三）锅炉烟气侧的低温硫腐蚀燃料中的硫—燃烧后形成大部分SO2，少量的SO3；SO3尽管少，但可显著提高烟气的露点温度---硫酸露。常发生在省煤器、空气预热器及除尘器中。措施：燃料脱硫，改善燃烧，减少SO3的生成。

（四）泄漏潮湿部位的大气腐蚀空气中O2、CO2。

（五）压力容器在特定介质作用下的腐蚀五、对锅炉压力容器用钢的要求（一）冶金质量《钢制压力容器》(GB150-1998)规定，压力容器受压元件用钢应为平炉、电炉或氧化炉，钢材含碳量不大于0.25%；为了减少热脆和冷脆倾向，钢材中硫、磷的含量应予控制；具有良好的低倍组织和表面质量，分层、疏松、非金属夹杂物、气孔等缺陷应尽可能少，不允许有裂纹和白点。五、对锅炉压力容器用钢的要求（二）力学性能

应具有适当的强度（主要是指屈服强度和抗拉强度），以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。对于锅炉和中、高温压力容器，还应考虑材料的抗蠕变性能，测定材料的高温性能指标，即蠕变极限和持久强度。具有良好的塑性和韧性，塑性变形能缓和应力集中，其次良好的塑形也是加工工艺的需要。操作温度或环境温度较低的压力容器，更应考虑材料的冲击韧性值，并对材料进行操作温度下的冲击试验，以防止容器在运行中发生脆性破裂。五、对锅炉压力容器用钢的要求（三）具有良好的工艺性能。锅炉、压力容器的承压部件，大都是用钢板滚卷或冲压成形的。

要求材料有良好的冷塑性变形能力，在加工时容易成形且不会产生裂纹等缺陷。制造锅炉、压力容器的材料应具有较好的可焊性，以保证材料在规定的焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头。可焊性与钢材中碳含量有关。

Cd＜0.4%,可焊性好，焊接时可不预热，0.4%≤Cd≤0.6%，淬硬倾向增大，焊接时需预热，当Cd＞0.6%,可焊差，需预热和严格工艺措施。要求材料具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产生的残余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。五、对锅炉压力容器用钢的要求（四）具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能。

设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适当的耐腐蚀钢材。腐蚀速率＜0.1mm/a，为耐蚀；在0.1~1mm/a，为耐蚀可用；＞1mm/a，为不耐蚀钢（不可用）。常见腐蚀现象：点腐蚀、深坑腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀（危险性最大）

腐蚀不但和介质有关还和温度、压力等因素有关。氢在常温、低压下无腐蚀，在高温高压下则产生氢腐蚀。干燥的氯气对钢不腐蚀，含水则腐蚀大。因此应综合考虑。六、锅炉压力容器常用钢材应根据压力、温度、介质特性选择钢材。1、碳素钢，含碳量小于1.35%。如20号钢，30，40，45，等是含碳量的0.2%,0.3%,0.4%,0.45%等相近值，常用的20，30，45，60等，号越小钢硬度越小，强度越小，韧性越好。反之脆性大，强度高，硬度高。2、低合金钢3、高合金钢4、热强钢5、低温用钢第3节筒体与封头强度设计

一、主要设计参数⒈工作压力：也称操作压力，是指容器顶部在正常工作过程中可能产生的表压力；2.最高工作压力：工作过程中可能出现的最大表压力（不包含液柱压力）3.设计压力：是指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计算壁厚及其元件尺寸的压力，不得小于最高工作压力。对于工作压力小于0.1MPa，设计压力取0.1MPa4.计算压力：指在相应设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力（小于5%设计压力，忽略不计）。设计压力是确定壳体厚度的压力（考虑一定的安全裕量或考虑安全泄压因素，只有一个）。计算压力是具体受压元件的计算参考，一台设备的多个元件可能有各自的计算压力。压力容器计算压力为最大工作压力的1.0-1,1。锅炉计算压力取p=ps+Δpps-工作压力，Δp见表4-1。一、主要设计参数5.工作温度：在正常工作情况下，其部件达到的最高温度。6.设计温度：用于确定壳体厚度的温度（计算壁温）。在正常操作时，在相应的设计压力下，壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。当壳壁或元件金属的温度低于-20，按最低温度确定设计温度，除此以外，按最高温度确定设计温度。锅炉各元件计算壁温见p110，表4-24-34-4.（二）安全系数与许用应力材料许用应力是指在进行强度计算时实际材料所允许采用的最高应力，是以材料的极限应力为依据，除以合理的安全系数得到。

材料许用应力[σ]一般由：σb/nb；σs/ns；σb---常温下抗拉强度；σs---常温或工作温度下的屈服点σs；当材料在高温工作时，还需考虑材料高温性能指标---持久强度σD，蠕变极限σn。取：σb/nb；σs/ns；σD/nD；σn/nn；最小值。中低压容器所用材料的安全系数见表4-4.一、主要设计参数（三）减弱系数1、焊缝减弱系数φ：焊缝中可能存在的缺陷对结构原有强度消弱的程度，其大小取决于施焊质量和无损检测情况。见p113表4-5、4-6、4-72、孔桥减弱系数：一、主要设计参数一、主要设计参数1）两孔节距≥t0，两孔的附加应力互不影响，这样的孔称为单孔，按单孔补强方式补强。2）两孔节距＜t0，表明两孔周围高应力区相互重叠。这样的孔称为孔桥。包括：横向孔桥、纵向孔桥和斜向孔桥。一、主要设计参数一、主要设计参数一、主要设计参数一、主要设计参数（四）附加厚度1、钢板（管）负偏差：钢板（管）存在一定的负偏差，负偏差会带来钢板（管）的事实减薄。见表4-8.2、腐蚀裕度C2：Y由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。

C2=ksB，ks-腐蚀速率(mm/s),B-设计寿命，通常为10-15年

当ks为0.05-0.1mm/a，单面腐蚀C2=1-2mm，双目腐蚀C2=2-4mm当ks＜0.05mm/a，单面腐蚀C2=1mm，双目腐蚀C2=2mm当介质对钢材的腐蚀极轻微时可以取C2=0一、主要设计参数（四）附加厚度3、加工减薄量C3：根据部件的加工工艺条件，制造单位依据加工工艺和加工能力自行选取，见表4-9.钢制容器设计图样注明的厚度不包括加工减薄量。一、主要设计参数（五）厚度1、计算厚度(δ)：按强度理论计算公式计算得到的厚度。2、设计厚度(δd)：计算厚度与腐蚀裕量C2之和。3、名义厚度(δn)：设计厚度加上钢材厚度负偏差C1后向上圆整至钢材标准规格的厚度，标注在图样上的厚度。4、有效厚度(δe)：名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量C2的厚度。见p117图4-8二、内压筒体与封头设计（一）圆筒与球壳强度设计1、圆筒：二、内压筒体与封头设计（一）圆筒与球壳强度设计2、球壳：二、内压筒体与封头设计（一）圆筒与球壳强度设计3、椭球形封头强度设计：二、内压筒体与封头设计分无折边锥形封头和有折边锥形封头薄膜应力随着r的增大而增加，在锥底处应力最大，而在锥顶处应力为零；因此如果在锥体上开孔，应开在锥顶处；薄膜应力随着锥角的增大而增大。二、内压筒体与封头设计二、内压筒体与封头设计以无折边锥形封头为例：1）按不加强时计算封头大端的计算壁厚2）判断大端是否需要加强。见图4-10，在上面无需补强

在曲线下面则需补强，查图4-11得，增强系数Q，此时大端的增强计算厚度。二、内压筒体与封头设计3）按不加强时计算封头小端的计算壁厚4）判断小端是否需要加强。见图4-12，在上面无需补强

在曲线下面则需补强，查图4-13得，增强系数Q，此时小端的增强计算厚度。5）取最大值。第4节开孔补强

一、锅炉压力容器开孔与安全

（一）

开孔种类开孔是锅炉压力容器工作的需要，各种结构的锅炉压力容器，均有数量不等、大小不同、用处各异的开孔，通常锅炉壳体上的开孔更多一些。从结构上说，锅炉压力容器上的开孔可分为两大类：

1、管孔

即以管子或管道连接的开孔，连接方式有焊接和胀接两种。管孔又可分为：

1）工艺管孔

供介质流动和进出设备的开孔，是锅炉压力容器上的主要开孔。

2）附件仪表讯号管孔

供显示和调整介质状态参数之用。

一、锅炉压力容器开孔与安全

2、门孔

即各种检查孔，是以盖板（孔盖）封盖的开孔，一般孔径较大，开孔数量较少。常见的有：

1）入孔：在大直径封闭壳体制造、检验、修理时，供人进入施工或检查之用。有圆形和椭圆形两种，尺寸较大，尺寸和结构均已标准化。

2）头孔：在直径较小的锅炉锅筒或锅壳上，需开设头孔，供检验检查时人员伸入头部探视。

3）手孔：在锅炉集箱、下脚圈等小尺寸受压部件及小型压力容器上，需开设手孔，供检验检查时人员伸手进入，触摸表面情况及清理污物。有圆形和椭圆形两种。

4）其他检查孔、观察孔及清洗孔

根据设备工作或维护需要酌情开设。

一、锅炉压力容器开孔与安全

（二）

开孔对强度的影响

开孔是减弱壳体强度（承压能力）的主要因素之一。开孔不仅沿整个壳体厚度挖去了面积大小不等的承载金属，减小了壳体的承载面积，而且破坏了结构的连续，从而造成开孔边缘区域的应力增大和强度降低。开孔最大或最密的部位往往是整个壳体强度最低的部位，而强度最低部位的承压能力即代表整个壳体的承压能力。

一、锅炉压力容器开孔与安全

（二）

开孔对强度的影响

开孔越大，孔边应力集中越严重，对容器强度的减弱越厉害。经常可以看到，开孔壳体的承压能力比未开孔同厚度壳体的承压能力降低一半甚至更多。

设计制造时，对开孔造成的强度降低必须进行弥补。

对大面积上的密集孔排，用增大整个壳体厚度的方式进行整体补强；

对大口径的稀疏开孔，用在开孔边缘添加金属的方式进行开孔补强。

二、不需补强的最大直径

开孔越大，孔边应力集中越严重，对容器强度的减弱越厉害。容器厚度设计有一定安全裕量，因此根据安全裕量，在一定孔径范围内，开孔减弱正好由厚度裕量补偿，则不需要补强。P127，列出无需补强的基本原则。

单孔无需补强的经验公式（最大不能超过200mm)：三、补强的有关要求（一）有效补强范围

强度消弱和应力集中都在开孔边缘的一定范围内，因此补强也应在一定范围内有效。1）有效宽度，取二者较大值2）有效高度，取较小值三、补强的有关要求（二）等面积补强原则

在过壳体轴线及开孔中心线的纵截面中，在有效补强范围内，壳体及补强结构除了自身承受内压所需的面积外，多余的富裕金属面积（Ae）应不小于筒体因开孔所减少的承受基本膜应力面积（A），即：

Ae≥A三、补强的有关要求（三）开孔所需补强面积（A）

1）圆筒和球体

2）锥壳开孔补强面积，采用上式计算时，δ取开孔中心处壳内直径确定的锥壳厚度。3）椭球开孔补强面积，采用上式计算。

三、补强的有关要求四、补强面积（Ae）Ae=A1+A2+A3A1-壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。A2-接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A3-焊缝金属截面积若Ae＜A，需要补强，补强材料已报需与壳体材料相同。A4=A-Ae五、补强形式与结构1、整体补强五、补强形式与结构2、补强圈补强遵循规定：钢材的标准抗拉强度Rm＜540MPa；补强圈厚度≤1.5δn；名义厚度δn≤38mm。

若条件许可，推荐以厚壁接管代替补强圈进行补强；补强圈的结构尺寸见JB/T4736-2002或HG21506-1992六、补强面积分布1）等面积补强是一种近似方法，计算简单，能够保证壳体开孔及接管的安全；2）根据开孔周围峰值应力衰减特征，即使在补强范围内富裕面积，对补强的贡献是不一致的；3）当δ/δe=0.5(计算厚度/有效厚度)时；按等面积补强考虑不合理。即，不论开多大孔，筒体本身多余面积足以补偿，不合理，这是因为没有考虑Ae在有效补强范围内的分布

。没考虑Ae的实际补强效果。第5节锅炉压力容器结构设计的安全问题一、结构设计应遵循的原则1、结构不连续处平滑过渡几何形状突变或其它结构不连续，都会产生较高的不连续应力。应采用平滑过渡形式，防止突变。

2、引起应力集中或消弱强度的结构相互错开

结构设计中，应力集中的部位，如开孔、转角、焊缝等，设计时应相互错开，防止应力叠加。3、避免采用刚性过大的焊接结构刚性大得焊接结构不仅会使焊接构件因施焊时的膨胀收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使壳体在操作条件波动时的变形受到约束而产生附加弯曲应力。应采取措施予以避免。一、结构设计应遵循的原则4、受热系统及部件的胀缩不要受到限制

5、合理地布置锅炉受热面，保证适当的水位和良好的水循环，使受热面得到可靠冷却。

6、对锅炉压力容器结构设计的其他要求1）各部件在运行时能按设计预定方向自由膨胀；2）受压部件应有足够的强度，刚度、稳定性及防腐蚀性。并有可靠的安全保护设施，防止超压；

二、对封头及法兰结构的要求

结构形状和尺寸

不同形状的结构承受同样压力后，其壁面内应力的大小和分布不同。在其他条件相同时，球壳受压后应力最小，分布最均匀。因而球壳强度最好，圆筒壳、椭球壳较好，而平封头较差。1）椭球封头：由于椭球环向应力为压应力，为了使这部分壳体不至于失稳，对于标准椭圆封头，规定其有效厚度≥封头内直径的0.15%，其它椭圆封头有效厚度≥封头内直径的0.30%。2）球形封头：受力情况最好，但成型困难，焊缝较多，一般较少采用。二、对封头及法兰结构的要求

3）蝶形封头：其球面部分与过渡区、过渡区与直边段得曲率半径不同，造成结构不连续，会引起连接处得局部高应力，因此规定：蝶形封头球面部分直径小于筒体内径，取0.9倍筒体内径，转角内半径应≥筒体内径的10%。4）锥形封头：分无折边锥形封头和有折边锥形封头

对锥体大端：当α≤30。时，可以采用无折边结构，否则应采用带过渡段折边结构。对锥体小端：当α≤45。时，可以采用无折边结构，否则应采用带过渡段折边结构。对α＞60。时，其厚度可按平盖计算，也可用应力分析确定。二、对封头及法兰结构的要求

5）平盖：结构最简单，受力情况最差，在相同受压条件下，平盖的厚度比其它结构厚的多。在压力不高、直径小得容器，采用平板封头比较经济简便；高压容器中，平板封头使用很普遍，这是因为圆筒形高压容器，内径小，厚度大，使用凸形封头制造困难。低压容器中，人孔、手孔等采用平板结构。6）凸形封头的拼接：用多块扇形板组拼的凸形封头需采用中心圆板，中心圆板的直径应不小于封头直径的1/2.二、对封头及法兰结构的要求

2、对法兰的要求

是一种可拆卸结构，实际应用中，由于法兰密封不良而造成泄漏现象较为常见。常见密封结构：平面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等；

平面性，适用p≤2.5MPa,密封性差、结构简单、加工方便。

凹凸面，适用中压及温度较高的场合，密封性好，垫片易于对中，压紧时能防止垫片被挤出。榫槽面,适用易燃、易爆和有毒介质的密封，密封性能可靠，但更换垫片较困难。梯形槽，压紧面通常和椭球垫和八角垫配合，形成较好的密封效果，此种结构常在压力p≥6.4MPa、温度≥350℃时采用。

（三）开孔布置原则

开孔布置基本原则是避开焊缝转角，尽量使之在壳体上分布均匀。

1.设备壳体（包括圆筒体和封头）上所开的孔一般应为圆形、椭圆形或长圆形。在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2。

2.在圆筒体上开椭圆形或长圆形孔时，为了减小开孔对筒体强度的削弱，孔的短径一般应设在筒体的轴向。

3.壳体上的所有开孔宜避开焊缝。因为焊缝也是壳体上的薄弱环节，再在其上开孔将造成壳体强度的双重减弱。三、对开孔的要求

（三）开孔布置原则

4.壳体上的开孔不允许布置在转角处或不同形状结构的交接处。

5.壳体上的最大开孔孔径应不超过壳体内径的1／2（球形壳体、凸形封头、内径≤1500毫米的圆筒）或1／3（锥形封头、内径＞1500毫米的圆筒）。三、对开孔的要求

（四）门孔盖板

锅炉和工作介质为高温或有毒气体的容器，为了避免介质喷出伤人，承压壳体的人孔盖、头孔盖、手孔盖均应采用“内闭式”，即由壳体内封盖在内伸的孔圈上。孔盖是受压元件之一，盖的结构应保证密封垫圈不会被气体吹出。

三、对开孔的要求

（五）使用中的注意事项

1.开孔部位是设备使用中检查维护的重点，要防止开孔部位渗漏、腐蚀、开裂及产生其他缺陷。

2.锅炉和受热的压力容器，在冷态旋紧的孔盖螺栓，受热后需带压继续紧固时，应按操作规程进行并采用有效的防护措施。作业人员应经培训持证操作，并经单位技术负责人批准。

3.锅炉压力容器停炉及停用后，需等内部介质压力降低为0、温度降低到70℃以下将介质排放后，方可松动孔盖螺栓开启孔盖。

4.在修理、改造锅炉压力容器时，不得随便在受压壳体上添加开孔。三、对开孔的要求

（六）快开门式压力容器

快开门式压力容器是装置活动端盖且活动端盖可快速启闭的压力容器，压力锅就是快开门式压力容器最简单的实例。这类容器的端盖可以快速启闭，器内物料可以快速装卸，有利于提高生产效率。快开门一般较大，容器上可以不开人孔等检查孔。

三、对开孔的要求

（六）快开门式压力容器

但快开门盖是在容器外部封盖并锁紧在容器端部的，对锁紧和密封的要求很高。如设计、制造或使用不当，快开门盖在承压时飞脱，会造成非常严重的事故；由于频繁启闭门盖，如果在器未完全卸压时开盖，或在门盖未完全闭合及锁紧时给容器加压，都可能导致爆炸事故。

快开门式压力容器应设置能控制门盖启闭动作的安全联锁装置，使之在门盖未完全闭合之前，容器内不能增压；在容器内压力未完全泄放时，门盖锁紧装置不能松开。

三、对开孔的要求四、对焊接结构的要求1、焊接接头形式，包括对接接头、搭接接头、角接接头。对接焊缝是常用的接缝形式，接头处母材受力较均匀，筒体纵焊缝、筒体与封头的环向接头，封头和管板的拼接，须采用全焊透的对接形式。四、对焊接结构的要求1、焊接接头形式，包括对接接头、搭接接头、角接接头。角焊缝：焊缝所连接的两部分钢板不在同一平面或曲面上。受力时应力集中较严重，除拉伸、压缩应力外，还有剪切应力和弯曲应力。角焊缝是不可避免的。有些平管板、平封头与筒体及炉胆的连接，管接头与筒体等。四、对焊接结构的要求2、等厚度钢板的对接焊缝采用等厚度对接焊缝，有较小的残余应力。当厚度δ≤6mm时，可不开坡口1）单面开坡口形式，内侧无法施焊时，采用单面。当δ≤20mm时，当δ＞20mm时四、对焊接结构的要求2）双面开坡口形式，钢板较厚时。20-40mm，采用V形坡口，30-60mm，采用U形坡口3）衬垫板的对接焊缝，为保证根部焊透，可采用此结构。应注意垫板和焊接材料的密合。焊后衬垫板应设法除去。四、对焊接结构的要求3、不等厚度钢板的对接焊缝不等厚度钢板对接焊缝，应根据两板间的厚度差异加工成不同形式的坡口结构。第6节锅炉压力容器制造质量控制一、锅炉压力容器制造的主要工序

（一）封头成形和筒身卷制

1、备料1）放样2）下料剪切下料冲压落料：大多批量生产时。火焰切割。一、锅炉压力容器制造的主要工序

2、成形1）冲压成形封头整体冲压成形，压制封头最好采用整块钢板。需要拼接时，焊缝布置应符合有关标准。瓦片冲压，低合金钢制筒节，采用普通卷制成形困难，通常采用瓦片冲压成形。瓣片冲压，对大型封头。2）卷制成形冷卷成形：为防止冷卷脆性破坏，可进行预热，高强度合金钢，可预热到50-100℃。热卷成形：对超过冷卷能力的厚板，到加热锻造温度。热卷减薄量和伸长量较大，氧化皮危害严重，使筒体3）旋压成形，旋压不受模具限制，可制作不同尺寸的封头和筒体，冲压大直径封头的起皱及翻边，采用旋压法均可解决。生产率低、误差较大。一、锅炉压力容器制造的主要工序

（二）总装1、坡口制备刨边机加工坡口，用于不锈钢、有色金属、复合板的纵环焊缝以及允许冷卷成形的纵环焊缝坡口加工。加工厚度60-120mm。立式车床加工坡口，加工精度高。切割坡口，广泛使用的经济的手段，割出的坡口需进一步打磨。2、装配1）筒节纵缝装配2）壳体环缝的组装：环焊缝的组装比纵焊缝困难，这是因为制造误差造成周长不一致，圆度误差。纵焊、环焊是制造过程中最关键的环节。常用：埋弧自动焊、电渣焊（电流通过熔渣产生的电阻热）。3）人孔、接管、支座等部件与壳体的组装。一、锅炉压力容器制造的主要工序

3、焊接1）焊工资格，两种资格，一种持证焊工：般锅炉压力容器施焊工，须按照《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》进行考试，合格后在规定范围内进行焊接作业。另一种是“焊工技能判定”，对特殊用途或类别的压力容器，应根据实际考核测试其操作项目的技能。对后一种，焊工考核合格后，需按规定的工艺规程进行焊接，在自己所焊的承压部件上打钢印，对焊接质量负责。2）焊接工艺评定，指为所拟定的焊件工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价。主要程序：①拟定焊接工艺书，需列出所有需评定的重要因素及补加因素。②评定试板的焊接接头检验和测试。按拟定焊接工艺书施焊，进行无损探伤后进行力学性能、冷弯及冲击实验。结果全部合格后，编写《焊接工艺评定报告》③根据《焊接工艺评定报告》，制定《焊接工艺规程》。3）焊接工艺规程，全部焊接工艺参数说明，除直接影响力学性能的重要参数外，还应规定影响焊缝质量和外形的次要参数。包括：焊接方法，母材金属类别及钢号，厚度范围，焊接材料种类、牌号、规格、预热和后热处理，热处理方法和制度，焊接工艺电参数，接头形式及坡口形式，操作技术和检查方法及要求一、锅炉压力容器制造的主要工序

（三）无损检测1、原材料无损检测，外部缺陷有重皮、折叠、裂缝等。内部缺陷有分层、夹层、层状非金属夹杂物等，用超声波探头在轧制面上探测。2、焊缝无损检测。是在不损坏被检查构件的基础上，用各种方法探测构件的内部或表面缺陷。主要焊接形式有：电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊。

常见缺陷：气孔、夹渣、裂纹、未焊透。

一、锅炉压力容器制造的主要工序

（三）无损检测无损检测方法：射线检测：是检查焊接接头内部缺陷的一种准确而可靠的方法。有：X射线（0.31-0.0006nm之间的电磁波）γ射线（0.113-0.0003nm，适用厚壁）超声波检测：振动频率超过20kHz，不能为人耳听到。通过发射—界面反射的方法。具有较高的灵敏度，尤其对裂纹。具有周期低、成本低、安全等优点，但直观性差、缺陷尺寸判断不够准确，要求人员技术水平高。磁粉检测：将工件磁化，在工件内部及周围产生磁场，若存在缺陷，则该处空气的磁阻大，缺陷处的磁力线就会弯曲绕行。渗透检测：利用某些具有较强渗透性的渗透液，涂在工件被检查表面，使之渗入工件表面的微小缺陷中，然后除去渗透液，再涂上吸附剂（显示剂），一定时间后，渗入表层的渗透液被吸附出来，显示出缺陷。、渗透液：煤油、变压器油、松节油等，再加入红色染料。吸附剂：MgO、ZnO等白色粉末。一、锅炉压力容器制造的主要工序

（四）热处理：热处理的目的：消除焊接残余应力、冷变形应力和组装的拘束应力，软化淬硬区，改善组织。就是靠金属内部蠕变把应力释放出来。热处理通常是以回火（或低温回火）的方式进行的，即将构件加热到某宜确定的稳定，保温一段时间，然后再炉内冷却。加热温度、保温时间、升温速度等，应根据壳体材质、壁厚决定。1、炉内整体热处理2、炉内分段热处理，较长得构件，采用分段热处理，外部应用绝热材料包裹，以控制纵向温度梯度。也可各段整体热处理后，再组装，对局部环焊缝进行局部热处理。3、焊缝局部热处理，其保温环带宽度从环缝的最大宽度边缘计算，每侧应不小于两倍筒体壁厚，加热带以外的壳体延伸段应采用保温材料包裹。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（一）锅炉压力容器焊接结构特点承压部件的焊接接头分为：A、B、C、D四类。不是按照重要性和受力大小排列的，只是类别符号。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（一）锅炉压力容器焊接结构特点1、A类焊接接头：圆筒部分的纵向接头。凸形封头的拼焊接头、嵌入式接管与壳体的对接连接的接头。应采用双面对接焊接接头。

2、B类焊接接头：圆筒部分的环向接头。锥形封头小端与接管连接接头、长径法兰与接管连接。采用双面对接焊接接头。

3、C类焊接接头：平盖、管板与圆筒非对接连接接头，法兰与壳体、接管连接、内封头与圆筒搭接等。允许局部采用T形接头。平封头与圆筒等相连，由于工作应力较高，应采用全焊透T形接头。

4、D类焊接接头：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体的接头。其受力条件要比A、B类接头复杂。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（二）焊接缺陷的种类

焊接过程—热源产生高温—将母材和填充金属加热--在局部发生熔化形成熔池—热源移开—熔池温度下降凝固结晶—形成焊缝—附近的母材也冷却下来。由于焊接过程的热力、物理、冶金等因素的作用，焊缝及邻近母材的组织和性能发生一系列复杂变化。

焊接热影响区：和焊缝坡口、焊接规范有关。从自动焊到电渣焊，这个宽度由2-3mm增大到25—30mm。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（二）焊接缺陷的种类不均匀加热和冷却、结构本身及外加刚性约束作用，使焊接接头区域存在组织和性能的不均匀性。性能的降低、附加应力的残留和缺陷的存在，是焊接区域结构薄弱环节的三大因素。

焊接缺陷种类：裂纹、未焊缝和未熔合、孔穴、夹渣、形状缺陷以及其他缺陷。见p143表4-11。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（三）焊接缺陷产生原因及预防措施1、形状缺陷：

焊缝尺寸不符合要求：焊缝长度或宽度不够，焊波宽窄不齐，表面高低不平，焊脚两边不均，焊缝加强高度过低或过高等。主要原因：焊接坡口角度不当或装配间隙不均匀，焊接规范选择不当（如电流过大、过小，速度过快、过慢），操作不当等（运条手法、焊条与工件夹角）。咬边：焊缝边缘母材上受电弧烧熔形成的凹槽。咬边主要是焊接电流太大和移动焊条不当形成的。危害：母材金属的工作截面减小，咬边处应力集中。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（三）焊接缺陷产生原因及预防措施1、形状缺陷：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。原因：焊接参数选择不当；坡口清理不干净，电弧热损失在氧化皮上，使母材未熔化。危害：表面是焊瘤下面往往是未熔合，未焊透；焊缝几何尺寸变化，应力集中，管内焊瘤减小管中介质的流通界面计。弧坑：焊缝收尾处产生的下陷，产生的原因是熄弧时间过短或薄板焊接时使用电流过大。对埋弧自动焊，主要没分两步停止焊接，即先停送焊丝后切断电源。危害：1）减少焊缝的截面积；2）弧坑处反应不充分容易产生偏析或杂质集聚，因此在弧坑处往往有气孔、灰渣、裂纹等。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

2、未熔合和未焊透；未熔合：焊缝金属与母材之间及各层焊缝金属之间彼此没有完全熔合在一起。原因：⒈电流小、速度快、热量不足；⒉坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，一部分热量损失在熔化杂物上，剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属。⒊焊条或焊丝的摆动角度偏离正常位置，熔化金属流动而覆盖到电弧作用较弱的未熔化部分，容易产生未熔合。危害：因为间隙很小，可视为片状缺陷，类似于裂纹。易造成应力集中，是危险性较大的缺陷。未焊透：待焊两部分母材之间未被电弧热熔化而留下的空隙。发生在单面焊根部和双面焊中部。原因：接头坡口角度小，间隙过大或钝边过大，双面焊时背面清根不彻底，焊接功率过小或焊速过快等。危害：工作面积减小，尖角易产生应力集中，引起裂纹

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

3、气孔和夹渣；气孔：焊接熔池结晶时，在焊缝中形成的孔洞。

原因：⒈电弧保护不好，弧太长。⒉焊条或焊剂受潮，气体保护介质不纯。⒊坡口清理不干净。危害：从表面上看是减少了焊缝的工作截面；更危险的是和其他缺陷叠加造成贯穿性缺陷，破坏焊缝的致密性。连续气孔则是结构破坏的原因之一。夹渣：焊接熔渣残留在焊缝中。易产生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过渡的部位，焊道形状突变，存在深沟的部位也易产生夹渣。原因：⒈熔池温度低（电流小），液态金属黏度大，焊接速度大，凝固时熔渣来不及浮出；⒉运条不当，熔渣和铁水分不清；⒊坡口形状不规则，坡口太窄，不利于熔渣上浮；⒋多层焊时熔渣清理不干净。危害：较气孔严重，因其几何形状不规则尖角、棱角对机体有割裂作用，应力集中是裂纹的起源。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（三）焊接缺陷产生原因及预防措施4、裂纹：焊接中或焊接后在焊接接头部位出现的局部破裂现象。

按产生部位：纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹、热影响裂纹等。根部裂纹（焊缝底部和母材连接处），弧坑裂纹焊缝收尾时的下凹处。按产生的温度和时间：热裂纹、冷裂纹（延迟裂纹）、再热裂纹。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

1）冷裂纹，在A3以下温度冷却过程中或冷却至室温后产生的裂纹。通常是在300度以下温度产生的裂纹。可能在数小时、数天、数周后甚至更长时间出现—也称延迟裂纹，更具危险。在焊缝和热影响区都可能出现。一般无分枝，为穿晶型裂纹。一般在低合金高强度钢、中碳钢、合金钢等易淬火钢时易产生。低碳钢、奥氏体不锈钢较少遇到。

冷裂纹产生需要三个条件：①焊接接头形成淬硬组织；②扩散氢的存在和富集；③较大的焊接拉伸应力。任何一个都可能是主要因素，又离不开其他两个因素，许多情况下，氢是诱发冷裂纹的最活跃的因素。焊接过程中，焊缝中溶有较多氢—冷却时，溶解度下降，一部分逸出—速度太快，一部分留在焊缝中—呈过饱和状态—一部分结合为H2—另一部分向焊缝金属和热影响区扩散—由于在接头焊接应力作用下，在一些缺陷或缺口前沿会产生三向高应力区，在应力梯度驱使下，氢原子扩散到三向应力区而富集起来—如果此处材料因产生淬硬组织而塑性下降，则氢的富集到临界值—产生微裂纹，前沿裂纹受到限制（三向应力区外材料的断裂强度高）—前沿又产生新的三向应力—氢富集。如此循环—形成宏观裂纹。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

1）冷裂纹，在A3(亚共析钢)以下温度冷却过程中或冷却至室温后产生的裂纹。通常是在300度以下温度产生的裂纹。防止措施：①选用优质的低氢焊接材料和低氢焊接工艺；②严格控制氢的来源，焊前烘干焊条、焊剂，注意环境温度；③焊条中适当加入某些合金元素，提高焊缝金属韧性；④焊后及时进行热处理，以减小残余应力并及时扩散氢充分逸出；⑤装配时避免错边，以降低焊接接头的约束应力。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

2）热裂纹：焊缝开始结晶凝固到相变之前这段温度、时间。--高温裂纹。可能产生焊缝、热影响区。一般沿晶间开裂，又称晶间裂纹。当热裂纹贯穿表面和空气相通—表面呈氧化色彩（如蓝灰色），有的充满熔渣。

产生原因：熔池在结晶过程中存在偏析现象，偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质，结晶过程中以液态间层存在---由于熔点低往往最后结晶凝固—凝固后强度也极低---冷却凝固中，焊缝收缩变形受到周围金属限制，焊缝受到拉伸应力，当拉伸应力足够大时，会将液态间层拉开或在其凝固不久拉断—形成裂纹。在热影响区，当温度超过这些低熔点共晶和杂质的熔点时，也会形成液态间层。防止措施：①限制焊接材料中偏析元素和有害杂质（S、P、C等）的含量；②调整焊缝化学成分，改善一次结晶组织形态；③从焊接方法、热输入量、预热或环境温度、焊接顺序等方面考虑。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

3）再热裂纹，指一些含有钒、铬、钼、硼等合金元素的低合金高强度钢、耐热钢，经受一次焊接热循环后，在再次经受加热的过程中（如退火、多层多道焊接及高温下工作）产生的裂纹，也称消除应力裂纹，经常发生500度以上再加热过程中。再热裂纹产生于热影响区的粗晶区，具有晶界断裂的性质，多发生应力集中部位，一般认为和高温蠕变有关。热处理消除应力，就是靠金属内部蠕变把应力释放出来，消除应力的同时也产生一定塑性应变，再加热过程中过饱和固溶的碳化物（主要是钒、铬、钼等化合物）再次析出，造成晶内强化，当晶界的塑性应变能力不足以承受松弛应力过程中产生的应变时，就产生再热裂纹。防止措施：①控制预热温度和焊接热输入量。预热温度为200～450℃，若焊后能及时后热，可适当降低预热温度。例如，18MnMoNb钢焊后在180℃热处理2h，预热温度可降低至180℃。②应用低强度焊缝,使焊缝强度低于母材以增高其塑性变形能力。③减少焊接应力,合理地安排焊接顺序、减少余高、避免咬边及根部未焊透等缺陷以减少焊接应力。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（四）焊接缺陷对安全的影响

咬边、未焊透、气孔、夹渣和焊缝凹陷等，--都是在焊缝或焊缝附近形成缺口，从两方面影响壳体的安全。1、由于缺陷的存在，减少了焊缝的承载截面积，削弱了焊缝的静力拉伸强度，严重时也会导致壳体的延性破坏。主要取决于缺陷的截面积，可以直接计算、比较和评价。2、最主要是由于缺口的存在改变了缺口周围的受力条件，不利于材料的塑性变形，使之趋于或处于脆性状态，同时还引起了缺口根部的应力集中，易产生裂纹和使裂纹扩展，导致脆性破裂、疲劳破裂或应力腐蚀破裂。构件存在缺口而引起应力的不均匀分布，其严重程度常用应力集中系数来表示，等于截面上最大应力与平均应力之比。应力集中系数的大小取决于缺口的尖锐程度。越尖锐，即曲率半径越小，应力集中系数越大。

二、焊接缺陷对安全的影响及质量要求

（四）焊接缺陷对安全的影响1、焊缝凹陷：削弱了焊缝的静载强度。曲率半径较大、不会引起应力集中。2、气孔和夹渣：属于体积型缺陷，减弱焊缝的承载面积。资料表明：气孔率不大于7%，可以忽略其对静载强度的影响。而由于气孔、夹渣引起的应力集中，气孔率超过3%，疲劳强度将下降50%左右。3、未焊透：在焊缝中形成明显的缺口，产生较为严重的应力集中。试验表明：未焊透厚度不超过20%时，应力集中系数保持一个常数，约为4-5。超过20%较多时，应力集中系数成线性关系。

4、咬边：比较尖锐的一种缺口，应力集中系数常大于3，仅次于裂纹。5、焊接裂纹：最尖锐的一种缺口，缺口根部的曲率半径接近于零。壳体的脆性破裂事故有很多是由于焊接裂纹引起的。裂纹还会加剧疲劳破坏和应力腐蚀破坏。裂纹是锅炉压力容器最危险的一种缺陷。

三、成形与组装缺陷对安全的影响及质量要求

加工成形与组装过程的缺陷包括：凹凸不平、截面不圆、接缝错边和棱角等。当承受内压时会形成附加弯曲应力、导致局部应力过高。

1、（封头）表面凹凸不平：主要是压制成形时模具不适合或手工成形操作不当。影响取决于大小和深度。比较缓和的（直径大、深度小），影响不大。焊缝过分加强（凸起）也会造成局部结构的不连续，引起局部附加应力（往往不被重视）。虽然不会影响焊缝的静力强度，但却显著降低构件的疲劳强度。封头表面凹凸量应符合表4-12。

三、成形与组装缺陷对安全的影响及质量要求

2、截面不圆：承受内压，由于有“趋圆”变形，在圆体内要产生周向附加弯曲应力，最大周向弯曲应力产生在长径部位，近似公式：同一截面上最大与最小直径差e应满足：1）承受内压容器，e≤1%Di且e≤25mm；2）外压和真空容器，e≤0.5%Di且e≤10mm；截面不圆是筒节、筒节与封头接缝形成错边的原因之一。

3、接缝错边和棱角：

错边是指两块对接的钢板沿厚度方向没有对齐而产生的错边。棱角：指对接的板边虽已对齐但两块对接钢板的中心线不连续，形成一定角度。在几何形状缺陷中，错边和棱角是对安全影响最大的缺陷。A、B类焊接接头对口错边量b应符合表4-13规定。复合钢板的对口错边量b不大于复合层得50%，且不大于2mm。容器接头形成的棱角E≤(0.1S+2)mm,且≤4mm锅筒纵向棱角E≤4mm。

四、对制造质量的检查与控制（一）焊接

（1）焊前技术准备及施焊条件：焊前应按接头编制焊接工艺规程。当施焊环境为下列之一时，须采取有效措施，否则应停焊。气体保护焊风速大于2m/s，其它焊接方式大于10m/s；相对湿度大于90%；焊接温度低于-20℃，当焊条温度低于0℃时，应在初始焊处100mm范围内预热到15℃。

（2）焊接工艺；焊接工艺评定；焊接工艺制定；（二）焊缝表面的形状尺寸及外观要求；（1）焊缝外观质量。（2）焊缝返修。焊缝同一部位返修次数不宜超过2次；若超过两次，返修前应经厂技术总负责人批准，基本情况应记入设备质量证明书。

四、对制造质量的检查与控制（三）焊后热处理（四）焊接试验检查，为检查焊缝的力学性能而又不破坏焊缝，通常规定在焊接纵缝及环缝时，加焊专供检查使用