【正文】 影響焊縫的力學(xué)性能。組織：熔合區(qū)的加熱溫度在合金的固相和液相線之間，其化學(xué)成分和組織性能有很大的不均勻性性能：塑性差、強(qiáng)度低、脆性大、易產(chǎn)生焊接裂紋，是焊接接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)之一焊縫兩側(cè)母材因焊接熱作用（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。以低碳鋼為例說明熱影響區(qū)各個(gè)金相組織區(qū)：過熱區(qū)：對(duì)于焊接剛度大的結(jié)構(gòu)或含碳量高的易淬火鋼， 常在此區(qū)產(chǎn)生裂紋正火區(qū)：焊接接頭中組織和性能最好的區(qū)域部分正火區(qū)：由于晶粒大小不均勻，所以力學(xué)性能很 不均勻焊接殘余應(yīng)力的危害：局部區(qū)域應(yīng)力過高，使結(jié)構(gòu)承載能力下降，引起裂紋，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效焊接變形的危害：焊接變形使焊件形狀和尺寸發(fā)生變化，需要進(jìn)行矯形。減少焊接應(yīng)力和變形的措施：＊盡量減少焊接接頭數(shù)量＊相鄰焊縫間應(yīng)保持足夠的間距＊盡可能避免交叉，避免出現(xiàn)十字焊縫＊焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)＊焊前預(yù)熱等等＊當(dāng)焊接造成的殘余應(yīng)力會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行時(shí)，還需 設(shè)法消除焊接殘余應(yīng)力：在焊接應(yīng)力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭破壞而形成的縫隙。位置：裂紋多數(shù)發(fā)生在焊縫中，也有的產(chǎn)生在焊縫熱影響區(qū)。：殘留在焊縫金屬中的熔渣稱為夾渣危害：因夾渣的幾何形狀不規(guī)則，存在棱角或尖角，易造成應(yīng)力集中，它往往是裂紋的起源，過長和密集的夾渣是不允許存在的。危害：它減少了焊縫的有效承載面積，在根部處產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易引起裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。焊道與母材之間，或焊道與焊道之間，未能完全熔化結(jié)合的部分稱為未熔合。e、焊瘤：是焊接過程中，熔化金屬流到焊縫以外未熔化的母材上所形成的金屬堆積。f、氣孔：氣孔是焊接過程中，熔池金屬中的氣體在金屬凝固時(shí)未來得及逸出，而在焊縫金屬中殘留下來所形成的孔穴。g、咬邊：沿著焊趾的母材部位產(chǎn)生的凹陷或構(gòu)槽，稱為咬邊危害：它不僅會(huì)減少母材的承載面積，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，危害較為嚴(yán)重，較深時(shí)應(yīng)予消除。 射線檢測: 對(duì)氣孔型(體型)缺陷敏感。 渦流檢測: 適用于導(dǎo)電材料,不適用于非導(dǎo)電材料。焊后消除應(yīng)力熱處理目的：盡量消除因塑性變形加工、鍛造、焊接等引起的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的塑性和韌性，恢復(fù)因冷作和時(shí)效而劣化的力學(xué)性能。◇由于有色金屬、不銹鋼的塑性好，用它們制造的壓 力容器一般不進(jìn)行熱處理。目的：提高合金的韌性和抗腐蝕性。 一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響高溫下溫度較高時(shí)，僅僅根據(jù)常溫下材料抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)來決定許用應(yīng)力是不夠的，一般還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服點(diǎn)。這一溫度常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。蠕變的危害：蠕變的結(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。ab為蠕變的第一階段：即蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時(shí)間的增長而逐漸降低，因此也稱為蠕變的減速階段.bc為蠕變的第二階段：在此階段，材料以接近恒定蠕變速率進(jìn)行變形，故也稱為蠕變的恒速階段.cd為蠕變的第三階段：在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。a點(diǎn)以后的線段——從a點(diǎn)開始隨時(shí)間增長而產(chǎn)生的應(yīng)變才屬于蠕變。蠕變極限與持久強(qiáng)度a、蠕變極限B．持久強(qiáng)度——在給定的溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生斷裂 時(shí)構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力。松弛：在常溫下工作的零件，在發(fā)生彈性變形后，如果變形總量保持不變，則零件內(nèi)的應(yīng)力將保持不變。在高溫下長期工作的鋼材性能的劣化主要有：蠕變脆化（前面已經(jīng)講了），珠光體球化，石墨化，高溫回火脆化，氫腐蝕和氫脆a、珠光體球化危害：使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降補(bǔ)救：已發(fā)生球化的鋼材可采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來的組織。b、石墨化：鋼在高溫長期作用下，珠光體內(nèi)滲碳體自行分解出石墨的現(xiàn)象，稱為石墨化危害：使金屬發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑性降低，沖擊值降低得更多。對(duì)碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度425oC以上長期工作時(shí)都有可能發(fā)生石墨化。應(yīng)力腐蝕：斷裂前往往沒有明顯塑性變形，是突發(fā)性的，因而很難預(yù)防，是一種危險(xiǎn)性很大的破壞形式。常見的應(yīng)力腐蝕a. 堿溶液 d. 硝酸鹽溶液應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施 一般從選材、設(shè)計(jì)、改善介質(zhì)條件和防護(hù)等幾個(gè)方面采取措施，預(yù)防應(yīng)力腐蝕引起的壓力容器失效。如果材料中有缺口或裂紋等缺陷，還會(huì)加速這種脆性斷裂的發(fā)生。通常，在一定的加載速率范圍內(nèi)，隨著鋼材強(qiáng)度水平的提高，韌性的降低減弱。 壓力容器用鋼的基本要求：較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。磷——能提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。因此，與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，壓力容器用鋼對(duì)硫、磷、氫等有害雜質(zhì)元素含量的控制更加嚴(yán)格。鋼材的力學(xué)行為，不僅與鋼材的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關(guān)系。如果鋼的韌性高，壓力容器所允許的臨界裂紋尺寸就越大，安全性也越高。◇焊接的要求可焊性：指在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。碳——其中影響最大的是含碳量。測驗(yàn)題二工程上應(yīng)從哪些方面來確保焊接質(zhì)量？材料牌號(hào)的識(shí)別，分類：Q235A, Q235B, Q245R， Q345R、15CrMoR、15MnNiDR、09MnNiDR、 0Cr18Ni0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10 為什么要控制壓力容器中的碳、硫、磷含量？ 第四章壓力容器設(shè)計(jì)：根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件 ，遵循 現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定，在確保 安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)（剛）度 和密封設(shè)計(jì)。強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)——確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及 穩(wěn)定性要求，以確保容器安全可靠地運(yùn)行。 設(shè)計(jì)文件設(shè)計(jì)文件：設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、強(qiáng)度計(jì)算書，必要時(shí)還應(yīng)包括設(shè)計(jì)或安裝、使用說明書。 設(shè)計(jì)條件（1）操作參數(shù)；（2）壓力容器使用地及其自然條件；（3）介質(zhì)組分和特性；（4）預(yù)期使用年限；（5）幾何參數(shù)和管口方位（6）設(shè)計(jì)需要的其他必要條件 設(shè)計(jì)的基本步驟一、設(shè)備工藝設(shè)計(jì)1. 物料衡算：2. 熱量衡算：3. 設(shè)備的類型選擇：4. 設(shè)備工藝尺寸確定：二、設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)：1. 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：2. 設(shè)備材料的選擇：3. 設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算：4. 設(shè)備附件的選擇：5. 安全附件的配用：6. 制造、驗(yàn)收與裝配的技術(shù)條件編制7. 設(shè)備施工圖設(shè)計(jì)： 壓力容器失效失效—壓力容器在規(guī)定的 使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)，因尺寸、 形狀或材料性能發(fā)生改變而完全失去或不能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求（包括功能和壽命等）的現(xiàn)象。強(qiáng)度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，包括： （a）韌性斷裂、 （b）脆性斷裂、（c）疲勞斷裂、（d）蠕變斷裂、（e）腐蝕斷裂等。這種斷裂是在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生，又稱為低應(yīng)力脆斷。由于脆性斷裂時(shí)容器的實(shí)際應(yīng)力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會(huì)動(dòng)作，其后果要比韌性斷裂嚴(yán)重得多。 —在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生 裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。特征:疲勞斷裂時(shí)容器的總體應(yīng)力值較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯征兆，是突發(fā)性破壞，接近脆斷，危險(xiǎn)性很大。（2）剛度失效—— 由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。 （4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。一、彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （韌性材料）單向拉伸——最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則失效判據(jù)的數(shù)學(xué)表達(dá)試：相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則：第三強(qiáng)度理論：彈性失效準(zhǔn)則與塑性失效準(zhǔn)則的對(duì)比彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則—又稱為安定性準(zhǔn)則，認(rèn)為載荷變化范圍達(dá)到安定載荷，容器就失效。防止容器發(fā)生脆性破壞措施： （1）材料——根據(jù)受壓元件的厚度、應(yīng)力水平、最低金屬 溫度、載荷性質(zhì)、介質(zhì)對(duì)材料韌性的影響等 因素，提出材料夏比V缺口沖擊功或斷裂韌性驗(yàn)收指標(biāo)。 （3）設(shè)計(jì)——由無損檢測水平—假設(shè)高應(yīng)力區(qū)存在裂紋—利用斷裂方法—裂紋安全性評(píng)估—確保容器不發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——防止失穩(wěn)發(fā)生 周向失穩(wěn)， 軸向失穩(wěn)，局部失穩(wěn) 概述 常規(guī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想 承受載荷—— 只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷 處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。筒體結(jié)構(gòu)單層式缺點(diǎn)：① 深環(huán)、縱焊縫，焊接缺陷檢測和消除困難；且結(jié)構(gòu)本身缺乏阻止裂紋快速擴(kuò)展的能力；② 大型鍛件、厚鋼板性能比薄鋼板差，不同方向力學(xué)性能差異大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高，發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞的可能性也較大；③ 加工設(shè)備要求高。多層包扎筒節(jié)應(yīng)用： 目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富的組合式筒體結(jié)構(gòu)。 減少了脆性破壞的可能 性；包扎預(yù)應(yīng)力改善筒體的應(yīng)力分布；對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可選擇合適的內(nèi)筒材料。①無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側(cè)均有層板，無法用超聲檢測，只能射線檢測；②焊縫部位存在很大的焊接殘余應(yīng)力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下降；③環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復(fù)雜。內(nèi)壓： 裝安全閥——不低于安全閥開啟壓力，～。計(jì)算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。注解：設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。計(jì)算厚度（δ）——由公式采用計(jì)算壓力得到的厚度。設(shè)計(jì)厚度（δd）——計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。δn＝δd＋C1＋Δ= δ ＋C1 ＋C2 ＋Δ有效厚度（δe）——名義厚度減去鋼材負(fù)偏差和腐蝕裕 量。 C=C1+C2加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造廠而并非由設(shè)計(jì)人員確定最小厚度——滿足剛度條件的最小厚度，≥3mm 碳鋼、低合金鋼，≥2mm 高合金鋼焊接接頭系數(shù)——焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值，反映容器強(qiáng)度受削弱的程度。材料設(shè)計(jì)系數(shù)——保證受壓元件強(qiáng)度有足夠的安全儲(chǔ)備量。 例41 p117作業(yè)：1,4（P200） （） 思考題：4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 外壓圓筒設(shè)計(jì)二、圖算法原理：（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范采用）假設(shè)：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓環(huán)一樣處于單向（周向）應(yīng)力狀態(tài)。（1）設(shè)計(jì)壓力定義與內(nèi)壓容器相同，取值方法不同。帶夾套容器:考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險(xiǎn)工況，如內(nèi)容器突然泄壓而夾套內(nèi)仍有壓力時(shí)所產(chǎn)生的最大壓差。（3）外壓計(jì)算長度 計(jì)算長度：筒體外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離，通常封頭、法蘭、加強(qiáng)圈等均可視為剛性構(gòu)件。容器內(nèi)部：焊接總長筒體內(nèi)圓周長的1/3，容器外部：焊接的總長筒體外圓周長的1/2材料：多為碳素鋼。失效形式：a. 加強(qiáng)圈 與筒體同時(shí)失穩(wěn)b. 加強(qiáng)圈兩側(cè)的筒體失穩(wěn)c. 加強(qiáng)圈本身失穩(wěn)制造要求：加強(qiáng)圈應(yīng)整圈圍繞在筒體的圓周上，不許任意削弱或割斷。加強(qiáng)圈自身的焊接采用對(duì)焊 封頭設(shè)計(jì)常見容器封頭的形式內(nèi)壓封頭強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算：內(nèi)壓薄膜應(yīng)力＋應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)封頭設(shè)計(jì)：優(yōu)先選用封頭標(biāo)準(zhǔn)中推薦的型式與參數(shù)，根據(jù)受壓情況進(jìn)行強(qiáng)度或剛度計(jì)算，確定合適的厚度。缺點(diǎn):深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。二、橢圓形封頭 由半個(gè)橢球面和短圓筒組成直邊段作用：避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭 優(yōu)點(diǎn)：曲率變化平緩，應(yīng)力分布較均勻。缺點(diǎn):不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應(yīng)力。(2)受外壓(凸面受壓)碟形封頭 碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應(yīng)力，球面部分是壓應(yīng)力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險(xiǎn)，此為防失穩(wěn)，厚度計(jì)算仍可用半球形封頭外壓計(jì)算公式和圖算法步驟，只是Ro用球面部分外半徑代替。缺點(diǎn)：無轉(zhuǎn)角過渡，存在大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。 不同直徑圓筒體的中間過渡段，中、低壓容器。 b. 法蘭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不致 因受力而破壞—結(jié)構(gòu)完整性。性能：較好的強(qiáng)度和密封性，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可多次重復(fù)拆卸，應(yīng)用較廣 。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸面?！敖缑嫘孤笔敲芊馐У闹饕緩?。而介質(zhì)通過密封口的阻力是借施加于壓緊面上的 比壓力 來實(shí)現(xiàn)的，作用在壓緊面上的密封比壓力越大，則介質(zhì)通過密封口的阻力越大，越有利于密封。為此，對(duì)兩個(gè)不同的工況分別引進(jìn)兩個(gè)墊片性能參數(shù)，即“最小壓緊應(yīng)力”或“比壓力”y以及“墊片系數(shù)”m。特點(diǎn):預(yù)緊力大，～。特點(diǎn):預(yù)緊力小，介質(zhì)壓力越高，密封越可靠，約為工作壓力 產(chǎn)生的軸向力的20%以下。中、低壓密封：螺栓法蘭結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制式密封。，即在正常工況下保留較大的接觸面比壓力。，可采取減小螺栓直徑、增加螺栓個(gè)數(shù)等措施來提高密封性能。變形 能力大的密封墊易填滿壓緊面上的間隙，并使預(yù)緊力不致太大；回彈能力大的墊片，能適應(yīng)操作壓力和溫度的波動(dòng)。（3）墊片比壓力y和墊片系數(shù)m：與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)， 還與介質(zhì)性質(zhì)、 壓力、溫度、壓緊面粗糙度等因素有關(guān)， 而且m和y之間也存在內(nèi)在聯(lián)系。四、法蘭剛度剛度不足：過大的翹曲變形，密封失效的主要原因之一。五、操作條件操作條件：指壓力、溫度及介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)密封性能的影響。原因：高溫下，介質(zhì)粘度小，滲透性大，易泄漏；介質(zhì)對(duì)墊片和法蘭的腐蝕作用加劇，增加了泄漏的可能性；法蘭、螺栓和墊片均會(huì)產(chǎn)生較大的高溫蠕變與應(yīng)力松弛，使密封失效；某些非金屬墊片還會(huì)加速老化、變質(zhì)，