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1、9/11/20234 焊接结构的变形与断裂4.1 焊接结构的变形4.1.1 过程设备常见焊接变形与规律 (1)(1)纵向纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形收缩引起的构件纵向弯曲变形 (2)(2)横纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形横纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形 在细长构件上，若沿长度方向一侧的焊缝在细长构件上，若沿长度方向一侧的焊缝较多较多,往往使整个构件产生明显的纵向弯曲变形往往使整个构件产生明显的纵向弯曲变形.9/11/2023 一般情况下，焊缝横向收缩引起的弯曲变形一般情况下，焊缝横向收缩引起的弯曲变形率约为同样长度的焊缝纵向收缩所引起的弯曲变率约为同样长度的焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形率的形
2、率的1 13 3倍倍。可见可见焊缝的横向收缩危害更大焊缝的横向收缩危害更大 (3)(3)横向横向收缩引起的角变形或挠曲变形收缩引起的角变形或挠曲变形 当当焊缝的横向收缩变形量沿厚度方向不均焊缝的横向收缩变形量沿厚度方向不均,接接头就会产生角变形头就会产生角变形 变形角总是在焊缝金属多的一面变形角总是在焊缝金属多的一面 一般坡口一般坡口角变形角变形 在板厚和坡口形式相同时，多层焊较单层焊在板厚和坡口形式相同时，多层焊较单层焊角变形大角变形大9/11/2023 多道焊较多层焊角变形大多道焊较多层焊角变形大 材料或焊接方法不同，角变形也不同材料或焊接方法不同，角变形也不同 过程设备壳体上的对接纵焊缝
3、，随其坡口形过程设备壳体上的对接纵焊缝，随其坡口形式不同，会产生外凸或外凹的角变形。式不同，会产生外凸或外凹的角变形。接管接管与壳体连接的角焊缝也会产生不同程度与壳体连接的角焊缝也会产生不同程度的角变形。的角变形。9/11/20234.1.2 焊接变形的危害与控制 危害危害:变形变形局部附加弯曲应力局部附加弯曲应力,导致断裂导致断裂;外压容器降低其临界压力，易导致失稳破坏外压容器降低其临界压力，易导致失稳破坏.控制控制:防止防止 减小减小 消除消除 (1)(1)合理设计合理设计焊接结构焊接结构 尽量采用小焊缝尺寸尽量采用小焊缝尺寸 9/11/2023 采用对称原则配置焊接附件和焊缝采用对称原则
4、配置焊接附件和焊缝 (2)(2)工艺措施工艺措施 采用线能量采用线能量的焊接方法的焊接方法,手工电弧焊手工电弧焊比气焊变形小比气焊变形小,各种气体保护焊均有利于减小焊各种气体保护焊均有利于减小焊接变形接变形 采用反变形法采用反变形法 采用刚性固定法采用刚性固定法 仅限塑性好的材料仅限塑性好的材料 合理地确定装配焊接次序合理地确定装配焊接次序 (3)(3)焊接变形的矫正焊接变形的矫正 机械压力矫正机械压力矫正 火焰加热矫正法火焰加热矫正法9/11/20234.2 焊接压力容器的断裂破坏4.2.1 焊接结构的特点与断裂破坏类型 (1)(1)焊接结构特点焊接结构特点 节省材料，施工简便省时和成本低节
5、省材料，施工简便省时和成本低 接头成分、组织和性能不均匀接头成分、组织和性能不均匀 存在焊接缺陷和残余应力与应力集中存在焊接缺陷和残余应力与应力集中 具有整体性，其防裂止裂性不如铆接具有整体性，其防裂止裂性不如铆接 (2)(2)焊接结构断裂破坏类型焊接结构断裂破坏类型 a.a.延性断裂延性断裂(塑性断裂塑性断裂)断裂前具有明显的塑性变形断裂前具有明显的塑性变形,破裂后一般无破裂后一般无碎片，其断裂多系超压引起。碎片，其断裂多系超压引起。b.b.脆性断裂脆性断裂(低应力脆性断裂低应力脆性断裂)9/11/2023 未达材料屈服极限时发生的断裂，断裂前不未达材料屈服极限时发生的断裂，断裂前不发发生塑
6、性变形，无征兆，故不易察觉和预防生塑性变形，无征兆，故不易察觉和预防.(3)(3)疲劳断裂疲劳断裂 在循环波动载荷作用下产生疲劳裂纹并逐渐在循环波动载荷作用下产生疲劳裂纹并逐渐扩展，最后导致断裂扩展，最后导致断裂.压力容器波动载荷频率不高压力容器波动载荷频率不高,其断裂属低周疲其断裂属低周疲劳破坏，断裂可以是脆性断裂也可以是塑性断裂劳破坏，断裂可以是脆性断裂也可以是塑性断裂.(4)(4)应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 在在腐蚀腐蚀介质环境和拉应力共同作用下产生裂介质环境和拉应力共同作用下产生裂纹而断裂纹而断裂.其断裂应力往往远低于材料的屈服极限，具其断裂应力往往远低于材料的屈服极限，具有脆性断裂的特
7、征有脆性断裂的特征.9/11/20234.2.2 焊接压力容器断裂破坏的影响因素 根据统计调查根据统计调查压力容器破裂事故大多是因焊压力容器破裂事故大多是因焊接裂纹引起的。接裂纹引起的。承压设备可靠性的关键是确保焊接质量，防承压设备可靠性的关键是确保焊接质量，防止裂纹发生止裂纹发生 (1)(1)焊接接头的脆化焊接接头的脆化 焊接接头区的脆化是诱发裂纹的基础焊接接头区的脆化是诱发裂纹的基础 脆化是焊接区的快速加热、冷却和熔化、凝脆化是焊接区的快速加热、冷却和熔化、凝固的热作用所致固的热作用所致 对对碳钢与低合金钢碳钢与低合金钢,脆化主要表现在焊接接头脆化主要表现在焊接接头区的脆性转变温度区的脆性
8、转变温度(NDT)(NDT)，硬度硬度，韧性，韧性，尤其，尤其熔合线附近最为严重熔合线附近最为严重9/11/2023 脆性转变温度脆性转变温度NDTNDT，反映低温下材料抗脆性断，反映低温下材料抗脆性断裂的能力裂的能力 金属材料随着温度金属材料随着温度,韧性韧性而脆化而脆化，这种，这种现象称为低温脆化现象称为低温脆化 这种脆化仅产生于低碳钢，低合金结构钢这种脆化仅产生于低碳钢，低合金结构钢等等 (2)(2)材料对抗裂的影响材料对抗裂的影响 强度硬度强度硬度 ，淬硬和脆化倾向，淬硬和脆化倾向,抗裂抗裂 CC、合金元素、合金元素,强度强度脆化倾向脆化倾向,抗裂抗裂 P P、S S是促脆化元素是促脆
9、化元素,使使P P、S,S,有利有利抗裂抗裂 (3)(3)应力集中和结构的影响应力集中和结构的影响 焊接残余应力和应力集中，使接头局部处的焊接残余应力和应力集中，使接头局部处的拉应力峰值拉应力峰值而加剧开裂而加剧开裂9/11/2023 不同结构的影响不同结构的影响 薄壁平头式接管薄壁平头式接管,应力集中系数应力集中系数k6k6 厚壁平头式接管厚壁平头式接管,应力集中系数应力集中系数k2.5,k2.5,对抗对抗裂显然是有利的裂显然是有利的9/11/2023 不同形状的影响不同形状的影响 球形容器塑变能力球形容器塑变能力，刚性，刚性抗裂能力抗裂能力,较较圆筒形容器差圆筒形容器差 厚板较薄板刚性厚板
10、较薄板刚性,残余应力残余应力,抗裂能力抗裂能力 (4)(4)焊缝返修对抗裂性的影响焊缝返修对抗裂性的影响 返修次数返修次数,对抗低温脆断不利对抗低温脆断不利 (5)(5)操作环境对抗裂性的影响操作环境对抗裂性的影响 焊接裂纹通常内表面多，外表面少，焊缝上焊接裂纹通常内表面多，外表面少，焊缝上多多,母材上少母材上少 碳钢及低合金钢在碱和碳钢及低合金钢在碱和H H2 2S,S,及液氨等环境及液氨等环境 奥氏体不锈钢在氯化物环境均会发生应力腐奥氏体不锈钢在氯化物环境均会发生应力腐蚀蚀，使接头的抗裂性降低，使接头的抗裂性降低9/11/2023 低温度环境下，更易发生脆性断裂低温度环境下，更易发生脆性断
11、裂4.2.3 压力容器断裂破坏典型案例分析 (1)9000mm(1)9000mm贮贮氧球罐水压试验开裂氧球罐水压试验开裂 材料材料:15MnVR:15MnVR，壁厚，壁厚48mm48mm 焊接焊接:埋弧焊埋弧焊,焊剂焊剂 HJ431,HJ431,焊丝焊丝 H08MnAH08MnA 工艺工艺:焊前预热焊前预热,焊后消除应力热处理焊后消除应力热处理 事故现象事故现象:水压试验充水还尚未升压即于北水压试验充水还尚未升压即于北温带十字焊缝中心突然开裂温带十字焊缝中心突然开裂,气温为气温为-3.5-3.5 调查结果与结论调查结果与结论:焊剂含焊剂含P,P,不合格不合格 源自热裂纹的典型的低应力脆性断裂源
12、自热裂纹的典型的低应力脆性断裂 压试验水温和环境温度违规压试验水温和环境温度违规9/11/2023 焊缝布局设计不合理焊缝布局设计不合理(十字焊缝十字焊缝)(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:设计设计15MnVR15MnVR，实际，实际15MnV15MnV和和15MnVR 15MnVR 壁厚壁厚25mm25mm 工艺工艺:焊缝焊缝仅作超声波探伤仅作超声波探伤,未作射线检验未作射线检验,未未作整体热处理作整体热处理 事故现象事故现象:破裂，液化破裂，液化汽汽遇明火发生燃烧爆炸遇明火发生燃烧爆炸 调查结果与结论调查结果与结论:破裂源于环焊缝的热影响区内
13、破裂源于环焊缝的热影响区内 热影响区主裂口处存在严重的咬边及裂纹热影响区主裂口处存在严重的咬边及裂纹缺陷缺陷 未裂的其他焊缝其表面及内部存在很多咬未裂的其他焊缝其表面及内部存在很多咬边、错口、裂纹、熔合不良等超标缺陷边、错口、裂纹、熔合不良等超标缺陷9/11/2023 球罐投用后未进行过任何检查球罐投用后未进行过任何检查,严重违规严重违规 球罐是在很低应力水平时断裂的球罐是在很低应力水平时断裂的,系低应系低应力脆断力脆断 事故主要是由于焊接质量太差引起的事故主要是由于焊接质量太差引起的 (3)(3)高压氨冷凝器爆炸高压氨冷凝器爆炸 事故现象事故现象:使用使用6 6年后发生爆炸，球形封头沿年后发
14、生爆炸，球形封头沿与管板连接环焊缝断裂飞出与管板连接环焊缝断裂飞出36m36m。爆炸前压力为。爆炸前压力为18.5MPa18.5MPa，工作温度，工作温度-10-10，日常运行压力在，日常运行压力在171720MPa20MPa范围内波动。范围内波动。调查结果与结论调查结果与结论:焊缝全部为手工电弧焊，焊接质量低劣焊缝全部为手工电弧焊，焊接质量低劣 断裂是由焊缝中的未焊透引发的断裂是由焊缝中的未焊透引发的9/11/2023 断裂面具有裂纹源、扩展区和最后断裂断裂面具有裂纹源、扩展区和最后断裂区区,是典型的疲劳断裂是典型的疲劳断裂 断裂面表面粗糙，呈纤维状，故又属塑性断裂面表面粗糙，呈纤维状，故又
15、属塑性断裂断裂 断裂前虽未超压，但一直在接近设计压力断裂前虽未超压，但一直在接近设计压力的高载荷下工作的高载荷下工作 焊缝未作热处理，残余应力焊缝未作热处理，残余应力，根部未焊，根部未焊透，应力集中透，应力集中,使焊缝根部在高应力应变下工使焊缝根部在高应力应变下工,加加上一定的载荷波动导致疲劳裂纹的发生和扩展上一定的载荷波动导致疲劳裂纹的发生和扩展爆炸爆炸 根本原因是设计不当根本原因是设计不当,不易保证根部完全焊不易保证根部完全焊透和双面成形，也难以准确检测焊接缺陷透和双面成形，也难以准确检测焊接缺陷9/11/20234.2.4 焊接压力容器断裂的控制 (1)(1)设计质量控制设计质量控制 a
16、.a.合理的材料选择合理的材料选择 母材母材:除应除应注意焊接性外注意焊接性外,还应注意某些材料还应注意某些材料在焊接热循环作用下可能出现的各种脆化倾向和在焊接热循环作用下可能出现的各种脆化倾向和低温脆性低温脆性 对脆性钢对脆性钢,设计中应提出防止或消除措施设计中应提出防止或消除措施 焊接材料焊接材料:进口钢材，应重视焊接材料的配套进口钢材，应重视焊接材料的配套使用使用;高强钢时，选用低组配的焊接材料高强钢时，选用低组配的焊接材料 b.b.焊接焊接结构的合理设计结构的合理设计 采用易保证焊透的结构采用易保证焊透的结构,优先采用开坡口优先采用开坡口全全9/11/2023焊透的结构焊透的结构 焊缝或接头数量尽可能少，坡口尺寸尽焊缝或接头数量尽可能少，坡口尺寸尽量小量小 避免焊缝密集设置，尽量减小刚性；避免焊缝密集设置，尽量减小刚性；避免十字接头与十字焊缝；避免十字接头与十字焊缝；力求改角接或搭接为对接，改尖角为圆力求改角接或搭接为对接，改尖角为圆角，改不等厚为等厚角，改不等厚为等厚 焊接焊接接头应便于施工焊接与检验接头应便于施工焊接与检验 c.c.制造、检验和验收的各项技术性能指标要制造、
