1、4 焊接結構的變形與斷裂4.1 焊接結構的變形4.1.1 過程設備常見焊接變形與規律 (1)(1)縱向縱向收縮引起的構件縱向彎曲變形收縮引起的構件縱向彎曲變形 (2) (2)橫縱向收縮引起的構件縱向彎曲變形橫縱向收縮引起的構件縱向彎曲變形 在細長構件上，若沿長度方向一在細長構件上，若沿長度方向一側的焊縫側的焊縫較多較多,往往使整個構件產生明顯的縱向彎曲變形往往使整個構件產生明顯的縱向彎曲變形. 一般情況下，焊縫橫向收縮引起的彎曲變形一般情況下，焊縫橫向收縮引起的彎曲變形率約為同樣長度的焊縫縱向收縮所引起的彎曲變率約為同樣長度的焊縫縱向收縮所引起的彎曲變形率的形率的1 13 3倍倍。 可見可見焊

2、縫的橫向收縮危害更大焊縫的橫向收縮危害更大 (3) (3)橫向橫向收縮引起的角變形或撓曲變形收縮引起的角變形或撓曲變形 當當焊縫的橫向收縮變形量沿厚度方向不均焊縫的橫向收縮變形量沿厚度方向不均,接接頭就會產生角變形頭就會產生角變形 變形角總是在焊縫金屬多的一面變形角總是在焊縫金屬多的一面 一般坡口一般坡口角變形角變形 在板厚和坡口形式相同時，多層焊較單層焊在板厚和坡口形式相同時，多層焊較單層焊角變形大角變形大 多道焊較多層焊角變形大多道焊較多層焊角變形大 材料或焊接方法不同，角變形也不同材料或焊接方法不同，角變形也不同 過程設備殼體上的對接縱焊縫，隨其坡口形過程設備殼體上的對接縱焊縫，隨其坡口

3、形式不同，會產生外凸或外凹的角變形。式不同，會產生外凸或外凹的角變形。 接管接管與殼體連接的角焊縫也會產生不同程度與殼體連接的角焊縫也會產生不同程度的角變形。的角變形。4.1.2 焊接變形的危害與控制 危害危害: 變形變形局部附加彎曲應力局部附加彎曲應力,導致斷裂導致斷裂;外壓容器降低其臨界壓力，易導致失穩破壞外壓容器降低其臨界壓力，易導致失穩破壞. 控制控制: 防止防止 減小減小 消除消除 (1)(1)合理設計合理設計焊接結構焊接結構 盡量采用小焊縫尺寸盡量采用小焊縫尺寸 采用對稱原則配置焊接附件和焊縫采用對稱原則配置焊接附件和焊縫 (2)(2)工藝措施工藝措施 采用采用線能量線能量的焊接方

4、法的焊接方法,手工電弧焊手工電弧焊比氣焊變形小比氣焊變形小,各種氣體保護焊均有利于減小焊各種氣體保護焊均有利于減小焊接變形接變形 采用采用反變形法反變形法 采用采用剛性固定法剛性固定法 僅限塑性好的材料僅限塑性好的材料 合理地確定裝配焊接次序合理地確定裝配焊接次序 (3) (3)焊接變形的矯正焊接變形的矯正 機械壓力矯正機械壓力矯正 火焰加熱矯正法火焰加熱矯正法4.2 焊接壓力容器的斷裂破壞4.2.1 焊接結構的特點與斷裂破壞類型 (1)(1)焊接結構特點焊接結構特點 節省材料，施工簡便省時和成本低節省材料，施工簡便省時和成本低 接頭成分、組織和性能不均勻接頭成分、組織和性能不均勻 存在焊接缺

5、陷和殘余應力與應力集中存在焊接缺陷和殘余應力與應力集中 具有整體性，其防裂止裂性不如鉚接具有整體性，其防裂止裂性不如鉚接 (2)(2)焊接結構斷裂破壞類型焊接結構斷裂破壞類型 a.a.延性斷裂延性斷裂( (塑性斷裂塑性斷裂) ) 斷裂前具有明顯的塑性變形斷裂前具有明顯的塑性變形,破裂后一般無破裂后一般無碎片，其斷裂多系超壓引起。碎片，其斷裂多系超壓引起。 b. b.脆性斷裂脆性斷裂( (低應力脆性斷裂低應力脆性斷裂) ) 未達材料屈服極限時發生的斷裂，斷裂前不未達材料屈服極限時發生的斷裂，斷裂前不發發生塑性變形，無征兆，故不易察覺和預防生塑性變形，無征兆，故不易察覺和預防. (3)(3)疲勞斷

6、裂疲勞斷裂 在循環波動載荷作用下產生疲勞裂紋并逐漸在循環波動載荷作用下產生疲勞裂紋并逐漸擴展，最后導致斷裂擴展，最后導致斷裂. 壓力容器波動載荷頻率不高壓力容器波動載荷頻率不高,其斷裂屬低周疲其斷裂屬低周疲勞破壞，斷裂可以是脆性斷裂也可以是塑性斷裂勞破壞，斷裂可以是脆性斷裂也可以是塑性斷裂. (4)(4)應力腐蝕斷裂應力腐蝕斷裂 在在腐蝕腐蝕介質環境和拉應力共同作用下產生裂介質環境和拉應力共同作用下產生裂紋而斷裂紋而斷裂. 其斷裂應力往往遠低于材料的屈服極限，具其斷裂應力往往遠低于材料的屈服極限，具有脆性斷裂的特征有脆性斷裂的特征.4.2.2 焊接壓力容器斷裂破壞的影響因素 根據統計調查根據統

7、計調查壓力容器破裂事故大多是因焊壓力容器破裂事故大多是因焊接裂紋引起的。接裂紋引起的。 承壓設備可靠性的關鍵是確保焊接質量，防承壓設備可靠性的關鍵是確保焊接質量，防止裂紋發生止裂紋發生 (1)(1)焊接接頭的脆化焊接接頭的脆化 焊接接頭區的脆化是誘發裂紋的基礎焊接接頭區的脆化是誘發裂紋的基礎 脆化是焊接區的快速加熱、冷卻和熔化、凝脆化是焊接區的快速加熱、冷卻和熔化、凝固的熱作用所致固的熱作用所致 對對碳鋼與低合金鋼碳鋼與低合金鋼,脆化主要表現在焊接接頭脆化主要表現在焊接接頭區的脆性轉變溫度區的脆性轉變溫度(ndt)(ndt)，硬度硬度，韌性，韌性，尤其，尤其熔合線附近最為嚴重熔合線附近最為嚴重

8、 脆性轉變溫度脆性轉變溫度ndtndt，反映低溫下材料抗脆性斷，反映低溫下材料抗脆性斷裂的能力裂的能力 金屬材料隨著溫度金屬材料隨著溫度, ,韌性韌性而脆化而脆化，這種，這種現象稱為低溫脆化現象稱為低溫脆化 這種脆化僅產生于低碳鋼，低合金結構鋼這種脆化僅產生于低碳鋼，低合金結構鋼等等 (2) (2)材料對抗裂的影響材料對抗裂的影響 強度硬度強度硬度 ，淬硬和脆化傾向，淬硬和脆化傾向, ,抗裂抗裂 c c、合金元素、合金元素, ,強度強度脆化傾向脆化傾向, ,抗裂抗裂 p p、s s是促脆化元素是促脆化元素, ,使使p p、s s, ,有利有利抗裂抗裂 (3) (3)應力集中和結構的影響應力集中

9、和結構的影響 焊接殘余應力和應力集中，使接頭局部處的焊接殘余應力和應力集中，使接頭局部處的拉應力峰值拉應力峰值而加劇開裂而加劇開裂 不同結構的影響不同結構的影響 薄壁平頭式接管薄壁平頭式接管, ,應力集中系數應力集中系數k6k6 厚壁平頭式接管厚壁平頭式接管, ,應力集中系數應力集中系數k2.5,k2.5,對抗對抗裂顯然是有利的裂顯然是有利的 不同形狀的影響不同形狀的影響 球形容器塑變能力球形容器塑變能力，剛性，剛性抗裂能力抗裂能力,較較圓筒形容器差圓筒形容器差 厚板較薄板剛性厚板較薄板剛性,殘余應力殘余應力,抗裂能力抗裂能力 (4) (4)焊縫返修對抗裂性的影響焊縫返修對抗裂性的影響 返修次

10、數返修次數,對抗低溫脆斷不利對抗低溫脆斷不利 (5) (5)操作環境對抗裂性的影響操作環境對抗裂性的影響 焊接裂紋通常內表面多，外表面少，焊縫上焊接裂紋通常內表面多，外表面少，焊縫上多多,母材上少母材上少 碳鋼及低合金鋼在堿和碳鋼及低合金鋼在堿和h h2 2s,s,及液氨等環境及液氨等環境 奧氏體不銹鋼在氯化物環境均會發生應力腐奧氏體不銹鋼在氯化物環境均會發生應力腐蝕蝕，使接頭的抗裂性降低，使接頭的抗裂性降低 低溫度環境下，更易發生脆性斷裂低溫度環境下，更易發生脆性斷裂4.2.3 壓力容器斷裂破壞典型案例分析 (1)9000mm(1)9000mm貯貯氧球罐水壓試驗開裂氧球罐水壓試驗開裂 材料材

11、料:15mnvr:15mnvr，壁厚，壁厚48mm48mm 焊接焊接: :埋弧焊埋弧焊, ,焊劑焊劑 hj431,hj431,焊絲焊絲 h08mnah08mna 工藝工藝: :焊前預熱焊前預熱,焊后消除應力熱處理焊后消除應力熱處理 事故現象事故現象: :水壓試驗充水還尚未升壓即于北水壓試驗充水還尚未升壓即于北溫帶十字焊縫中心突然開裂溫帶十字焊縫中心突然開裂, , 氣溫為氣溫為-3.5-3.5 調查結果與結論調查結果與結論: : 焊劑含焊劑含p,p,不合格不合格 源自熱裂紋的典型的低應力脆性斷裂源自熱裂紋的典型的低應力脆性斷裂 壓試驗水溫和環境溫度違規壓試驗水溫和環境溫度違規 焊縫布局設計不合理

12、焊縫布局設計不合理( (十字焊縫十字焊縫) ) (2) (2) 400m400m3 3石油液化汽球罐爆炸石油液化汽球罐爆炸 材料材料: :設計設計15mnvr15mnvr，實際，實際15mnv15mnv和和15mnvr 15mnvr 壁厚壁厚25mm25mm 工藝工藝: :焊縫焊縫僅作超聲波探傷僅作超聲波探傷,未作射線檢驗未作射線檢驗,未未作整體熱處理作整體熱處理 事故現象事故現象: :破裂，液化破裂，液化汽汽遇明火發生燃燒爆炸遇明火發生燃燒爆炸 調查結果與結論調查結果與結論: : 破裂源于環焊縫的熱影響區內破裂源于環焊縫的熱影響區內 熱影響區主裂口處存在嚴重的咬邊及裂紋熱影響區主裂口處存在嚴

13、重的咬邊及裂紋缺陷缺陷 未裂的其他焊未裂的其他焊縫縫其表面及內部存在很多咬其表面及內部存在很多咬邊、錯口、裂紋、熔合不良等超標缺陷邊、錯口、裂紋、熔合不良等超標缺陷 球罐投用后未進行過任何檢查球罐投用后未進行過任何檢查,嚴重違規嚴重違規 球罐是在很低應力水平時斷裂的球罐是在很低應力水平時斷裂的,系低應系低應力脆斷力脆斷 事故主要是由于焊接質量太差引起的事故主要是由于焊接質量太差引起的 (3)(3)高壓氨冷凝器爆炸高壓氨冷凝器爆炸 事故現象事故現象: :使用使用6 6年后發生爆炸，球形封頭沿年后發生爆炸，球形封頭沿與管板連接環焊縫斷裂飛出與管板連接環焊縫斷裂飛出36m36m。爆炸前壓力為。爆炸前

14、壓力為18.5mpa18.5mpa，工作溫度，工作溫度-10-10，日常運行壓力在，日常運行壓力在171720mpa20mpa范圍內波動。范圍內波動。 調查結果與結論調查結果與結論: : 焊縫全部為手工電弧焊，焊接質量低劣焊縫全部為手工電弧焊，焊接質量低劣 斷裂是由焊縫中的未焊透引發的斷裂是由焊縫中的未焊透引發的 斷裂面具有裂紋源、擴展區和最后斷裂斷裂面具有裂紋源、擴展區和最后斷裂區區,是典型的疲勞斷裂是典型的疲勞斷裂 斷裂面表面粗糙，呈纖維狀，故又屬塑性斷裂面表面粗糙，呈纖維狀，故又屬塑性斷裂斷裂 斷裂前雖未超壓，但一直在接近設計壓力斷裂前雖未超壓，但一直在接近設計壓力的高載荷下工作的高載荷

15、下工作 焊縫未作熱處理，殘余應力焊縫未作熱處理，殘余應力，根部未焊，根部未焊透，應力集中透，應力集中,使焊縫根部在高應力應變下工使焊縫根部在高應力應變下工,加加上一定的載荷波動導致疲勞裂紋的發生和擴展上一定的載荷波動導致疲勞裂紋的發生和擴展爆炸爆炸 根本原因是設計不當根本原因是設計不當,不易保證根部完全焊不易保證根部完全焊透和雙面成形，也難以準確檢測焊接缺陷透和雙面成形，也難以準確檢測焊接缺陷4.2.4 焊接壓力容器斷裂的控制 (1)(1)設計質量控制設計質量控制 a.a.合理的材料選擇合理的材料選擇 母材母材: :除應除應注意焊接性外注意焊接性外,還應注意某些材料還應注意某些材料在焊接熱循環

16、作用下可能出現的各種脆化傾向和在焊接熱循環作用下可能出現的各種脆化傾向和低溫脆性低溫脆性 對脆性鋼對脆性鋼,設計中應提出防止或消除措施設計中應提出防止或消除措施 焊接材料焊接材料:進口鋼材，應重視焊接材料的配套進口鋼材，應重視焊接材料的配套使用使用; 高強鋼時，選用低組配的焊接材料高強鋼時，選用低組配的焊接材料 b.b.焊接焊接結構的合理設計結構的合理設計 采用易保證焊透的結構采用易保證焊透的結構,優先采用開坡口優先采用開坡口全全焊透的結構焊透的結構 焊縫或接頭數量盡可能少，坡口尺寸盡焊縫或接頭數量盡可能少，坡口尺寸盡量小量小 避免焊縫密集設置，盡量減小剛性；避免焊縫密集設置，盡量減小剛性； 避免十字接頭與十字焊縫；避免十字接頭與十字焊縫； 力求改角接或搭接為對接，改尖角為圓力求改角接或搭接為對接，改尖角為圓角，改不等厚為等厚角，改不等厚為等厚 焊接焊接接頭應便于施工焊接與檢驗接頭應便于施工焊接與檢驗 c.c.制造、檢驗和驗收的各項技術性能指標要制造、檢驗和驗收的各項技術性能指標要求應在設計圖中提出求應在設計圖中提出 (2) (2)制造制造中確保焊接質量中確保焊接質量 焊工及焊接探傷人員必須考試合格，持焊工及焊接探傷人員必須考試合格，持證上崗證上崗 焊接工藝評定是保證焊接質