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基础知识一、焊接管道受力及质量因素管道作为物料输送的一种特种设备，在石油化工生产装置中管道的安装工作量约占整个工作量的1/2，占据着很重要的位置；管道在远距离输送和电站、锅炉、船舶等动力装置方面也是至关重要的。改革开放以来，随着钢结构工程的迅速发展，管道普遍用于建筑工程中，作为梁、柱、桁架、网架、塔架等承重构件，管道还作为支架，满足管道承重、限位、防振。管道几乎遍及国民经济建设的各行各业。下面介绍一些焊接管道受力及质量因素的基础知识。1．焊接管道接头类别和受力基本概念锅炉及压力容器的结构形式各种各样，有塔、换热器、储罐、管道和锅炉筒体等。大多数是各种圆锥形封头、接管和管接头等组成。也就是这些受压部件最基本的形状是圆柱体，其焊接接缝分成A、B、C、D四类，锅炉及压力容器焊接接头形式分类示意见图1。①A类接头是筒体纵缝的对接接头。为什么把纵缝列为A类接头呢？因为其所受的工件应力比B类接头高一倍，也就是说筒体纵缝应力是环绕应力的一倍。在压力容器爆破试验中，裂口一般均在纵缝上。有时听到媒体报道某水管爆裂、某油管爆裂，问题多半发生在纵缝。②B类接头如筒体环缝等。A类接头和B类接头都是锅炉、压力容器、压力管道中的重要焊道。③C类接头为角接头。如法兰与管道，管子与管板等角焊缝。对于高压容器焊缝要求全焊透。作为管道按图纸设计要求而定。④D类接头主管道与支管、与人孔管接的相贯焊缝，处于应力集中部位，弹性应力集中系数大致在1.5～2.5范围内，焊缝在较高应力状态下工作。同时，焊接时刚性拘束较大，容易产生缺陷。因此D类接头是锅炉、压力容器、压力管道中的重要焊缝。2．影响管道焊接的质量因素由国内外发生的管道破坏事故的分析结果可知，其破坏形式为脆性破裂（即破裂前一般没有明显的塑性变形），破裂通常由低周疲劳、应力腐蚀和蠕变等原因所引起。这些破坏事故与结构设计、焊接质量、探伤技术和操作有很大关系。一般来说，多数结构的破断，往往集中于应力、局部应力和拉伸残余应力较高的焊接接头区的缺陷外，其原因如下。①焊接缺陷，特别是未焊透。例如某圆柱形管道钢梁，现场装焊时人无法进去双面焊，只得在管子内衬垫板单面焊。以下三种情况均无法全焊透：不开坡口，手工电弧焊缝无法达到要求；虽然开了坡口，但不到位，角度太小、太浅，无法熔透；坡口符合要求，但根部间隙太小，无法熔透。表面质量很好，实际上50%深度是虚焊。②责任性不强，素质不高。工厂内有这么一条规章制度，也是一条工艺纪律。即施工前对上道工序实行检验，若不合格，必须返修且合格后才能进行下道工序。如果发现坡口间隙不合格，不能擅自焊接。若这样做，可以避免事故。③虽然最终焊接接头质量可以用射线探伤，把住质量关，探伤仪是科学的、不会作假，可是探伤的部位是人选的，值得指出的是，往往因疏忽大意，探伤时的误探和漏探是十分有害的，误探导致不必要的返修，影响焊接接头的性能；漏检则意味着可能使超标缺陷留存于焊接接头中，成为导致结构破坏的潜在危险因素。产品质量检验队伍中，有一大批忠于职守、认真负责、大公无私的优秀人员，在焊缝的重要部位划出要探测检查的标记，严格把关。但也有个别的人事先摸透了检测人员的意图，知道某部位要探测，该部位焊接特别好，一次拍片合格率很高。可是，其他未探测部位是否有隐患呢？所以，除了对探伤设备及灵敏度和可靠性重视外，还必须加强对检验探伤人员培训，以便从探伤把关，控制和确保压力管道的制造质量。④把握住主体和附件的质量关系。压力容器（含压力管道）的焊缝固然重要，可是附件的焊缝也不能疏忽，有时往往从附件引发到主体的损坏。有批液氮钢瓶，主焊缝焊得很好，全部达到要求。业主提出为了平时滚动方便，要在筒体上焊两道扁钢，以便套上橡胶圈。扁钢是附件，可是由于扁铁箍的接头没有焊牢，仅焊了一些点焊。在日常滚动运行时（由于充气时筒体膨胀，无负载时筒体收缩），该扁钢的裂缝引发到筒体上出现裂缝。联想到有些内部衬垫板的筒体，垫板接头没焊牢，也出现类似问题。可见附件的缝缺陷会引发到主体上去，这是必须引起注意的。缺陷的存在、性能的下降、应力水平的提高是焊接接头区成为结构中薄弱环节的三大要素。因此从一条焊缝接头的质量反映了压力容器、压力管道的制造质量，并直接影响到结构的使用安全性。影响管道焊接质量的因素很多，将在以后有关章节介绍。二、钢材金相组织钢材性能取决于化学成分和钢材组织。焊缝同样如此，焊缝质量可以外观检查，用射线无损探测，可用试样进行力学性能试验。但是要了解其内部组织，只有经过取样、打磨、抛光、腐蚀显示之后，在金相显微镜下观察到金相组织。为什么要观察焊缝金相组织？若要获得优良的焊缝，首先要遵守工艺，严格控制焊接参数，控制输入的热量（俗称线能量）。线能量太高会使焊缝过热，出现过热组织，晶粒粗大，对焊缝力学性能不利。所以要观察焊缝金相组织。主要有以下八种组织。①铁素体用符号F表示，其特点是强度和硬度低，但塑性和韧性很好。含铁素体多的钢（如低碳钢）就具有软面韧性好的特点。②渗碳体是碳和铁的化合物（分子式Fe3C2），其性能与铁素体相反，硬而脆。随着钢中含碳量增加，渗碳体含量也增加，硬度、强度增加，塑性、韧性下降。③珠光体是铁素体、渗碳体二者组成的机械混合物，用符号P表示，其性能介于铁素体和渗碳体之间，其硬度和强度比铁素体高。但是因为珠光体中的渗碳体要比铁素体少得多，所以珠光体脆性并不高。在高位显微镜下可以清楚地看到珠光体中的片状铁素体与渗碳体一层层地交替分布，随着片层密度增大、层间距减小，珠光体硬度和强度增高，但塑性和韧性下降，总的评价是，其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高、硬度适中，有一定的塑性。④奥氏体用符号A表示，其强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好，无磁性。⑤马氏体用符号M表示，有很高的强度和硬度，很脆，塑性很差，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。马氏体加热后容易分解为其他组织。⑥贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，介于珠光体和马氏体之间的一种组织，用符号B表示。根据形成温度不同分为：粒状贝氏体、上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。粒状贝氏体强度较低，但上仍较好的韧性；B上韧性最差，B下既具有较高的强度，又具有良好的韧性。⑦魏氏组织是一种过热组织，由彼此交叉约60°的铁素体针片嵌入钢的基体而成的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定的速度冷却时很容易形成魏氏组织，粗大魏氏组织使钢材（或焊缝）塑性、韧性下降，脆性增加。⑧莱氏体大于727℃的莱氏体称为高温莱氏体；小于727℃的莱氏体称为低温莱氏体，莱氏体性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。三、影响焊缝金属的杂质和气体1.硫硫是焊缝中有害元素之一，它与铁生成低熔点的硫化铁（FeS）。焊接时FeS会导致焊缝热裂和热影响区出现液化裂纹，使焊接性能变坏，降低冲击韧性和耐蚀性，促使产生偏析。同时，硫以薄膜形式存在于晶界，使钢的塑性和韧性下降。熔液中的Mn、MnO、CaO具有一定的脱硫作用，与硫反应后，生成MnS、CaS都进入熔渣中。由于MnO、CaO均属碱性氧化物，在碱性熔渣中含量较多。所以碱性熔渣脱硫能力比酸性熔渣强。因此，焊接含硫偏高的钢材，采用碱性焊条具有抗裂作用。2．磷磷也是焊缝中尚存的有害元素之一，它会增加钢的冷脆性，恶化钢的焊接性能，大幅度降低焊缝金属的冲击韧性。焊接奥氏体类钢或焊缝中含碳量较高时，磷会促使焊缝金属产生热裂纹。由于碱性熔渣中含有CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣好，当然最好的办法是在母材及焊接材料中限制硫、磷的含量。3．焊接区内的气体（1）气体的来源焊接过程中，焊接区内充满大量气体，主要有CO、CO2、H2等。由于焊条、焊丝、工件潮湿，有油污、铁锈，受热后产生气体以及空气侵入熔池。采用低氢型焊条施焊时，焊缝含氢量比较低，用CO2气体保护焊时，含氢量最低。氢使焊缝塑性严重下降，是产生气孔的根源，也会导致延迟裂纹的产生，还会在拉伸试样断面上出现白点。减少焊缝金属含氢量常用的措施有：①消除焊件和焊丝表面上的铁锈、杂质和油污；②对焊丝、焊剂、焊条进行烘焙，保持干燥；③在焊条药皮和焊剂中加入适量的氟石（CaF2）、硅砂（SiO2），具有较好的去氢效果；④采用低氢型焊条、超低氢型焊条和碱性焊剂；⑤在焊接低合金钢对接焊缝时，为防止焊接时吸入空气及潮湿，可在背面先用手工焊封底，正面用碳刨刨槽焊接，再反身将原先的封底焊刨去，正式封底焊，这样可防止底部吸入空气，效果很好。（2）氧气氧气主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物。焊缝金属中含氧量增加，焊缝强度、硬度和塑性会明显下降，出现热脆、冷脆和时效硬化，并在焊缝中形成气孔。在焊接材料中加入脱氧剂，以铁合金的形式加入到药皮中去，如锰铁、硅铁等。埋弧焊常采用合金焊丝，如H08MnA、H10MnSi等，脱氧效果较好。所以用碱性焊条施焊，其含氧量较低，塑性、韧性相应提高。因此，碱性焊条常用来焊接低合金钢及重要结构。（3）氮气氮气主要来自焊接区周围的空气。氮是提高焊缝金属强度、降度塑性和韧性的元素，也是导致焊缝中产生气孔的原因之一。四、钢材的焊接性碳钢的焊接性（又可焊性）主要取决于含碳量，随着含碳量增加，焊接性逐渐变差。把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，称为该钢材的碳当量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，其含量增加，焊接性变差，但其作用不如碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式，适用于含碳量不小于0.18%的低合金高强度钢（σb＝400～700MPa），公式为MnCr＋Mo＋VNi＋CuCeq＝C＋──＋──────＋────（％）6515碳当量值只能在一定范围内概括地、相对地评价钢材的焊接性。因为碳当量只表达了钢材的化学成分对焊接性的影响，其他如焊件的刚性、焊接时冷却速度、焊接热循环中的最高加热温度和高温停留时间等参数均会影响可焊性。例如同一化学成分的钢材，焊接过程中由于冷却速度不同，可以得到不同的焊缝组织。冷却速度快，易产生淬硬组织，焊接性就会变差，当钢材碳当量值相等时，不能看成焊接性完全相同。必要时可按下列公式计算出冷裂纹敏感系数Pcm代替碳当量，来衡量钢材的可焊性。此公式适用于含C0.07％～0.22％、含Mn0.4％～1.4％、σb＝400～900MPa的低合金高强度钢，计算公式为SiMn＋Cu＋CrNiMoVPcm＝C＋──＋──────＋──＋──＋──＋5B（％）3020601510此公式为日本依藤（ITO）公式。根据经验，Ceq0.4％时，钢材的淬硬倾向很小，可焊接性好，焊前一般不需要预热；Ceq＝0.4％～0.6％时，钢材的淬火倾向逐渐增大，焊前需适当预热，并采用低氢型焊条焊接；Ceq0.6％，淬硬倾向大，较难焊接，焊前需认真预热，并严格控制焊接工艺参数。常用材料的碳当量Ceq见表1（供参考）。五、焊缝余高与应力集中1.对接焊缝余高钢结构焊缝外形尺寸（TB/T7949-1999）4.1条中规定：焊缝外形应均匀，焊道与焊道及焊道与基本金属之间应平滑过渡，焊缝余高H列入表2中；壳管式换热器压力容器（GB150-1998）以及球罐（GB12337-1998）中关于对接缝余高H也列入表2中，以便对照。焊缝余高C，过去称为增强量，易误解为是增强焊缝的，高了对强度有利。其实过分高了，物极必反，反而对强度不利，这是因为会产生应力集中，如图2所示，引入应力集中概念。原来长方形板是连续的，平均应力σb＝F/(Bδ)，板边开了缺口，产生了应力集中，局部峰值应力为σmax，集中系数KT＝σmax/σm。焊接接头中产生应力集中的原因如下。①工艺缺陷中，如气孔、夹渣、裂纹、未焊透（以裂纹及未焊透引起应力集中最严重）；②不合理的焊缝外形，余高C太高，使θ角增加，焊缝外形不光滑，余高与母材相交处突变，γ角太小，以及角焊缝余高太高，焊趾太大。③不合理的接头设计，接头截面突变，采用衬垫板的对接接头不合理，易造成应力集中。对接接头应力集中，主要取决于C、θ及γ。从表2中DBJ08-216—95对应的示意图进行分析，δ＝10mm，当C＝4mm，γ＝0.