ASME压力容器建造规范研讨会设计部分问题解答
── 第二部分焊接接头分类和焊接接头系数
本文就2009年在上海举行的ASME压力容器建造规范研讨会中学员所提的与设计有关的问题进行汇总答复;
CACI于今年4月所组织的ASME规范Ⅷ与设计有关研讨会期间,与会者在会前和研讨中提出了不少问题,CACI要求归纳整理后公布;初步考虑,拟对研讨会中以书面或口头提及的低温操作和防脆断措施,焊接接头分类和焊接接头系数,压力试验及其限制条件,开孔及其补强,元件的形状和尺寸允差,换热器设计,全部改写ASME Ⅷ-2的背景和主要修改内容等几个方面陆续整理,在整理中不拟以和讨论者一问一答的方式简单处理,而是根据规范的具体规定,从原理并规范的条文上系统说明;本文是其中的第二篇;
1 焊接接头类别和焊接接头焊缝类型
焊接接头和焊缝二者既有区别,又有联系,见图1;
图1焊接接头和焊缝
ASME Ⅷ-112根据接头在容器上所处的位置,在UW-3节中划分为A、B、C、D四类；根据接头的结构型式,例如对接接头,搭接接头和角接接头,在表UW-12中分为1～8共计八个类型;对每种接头类别和相应的结构型式,规范在UW-2中规定了相应的使用限制;对于对接接头,
在UW-11中规定了接头的射线及超声波检测要求,并相应在表UW-12中列出了焊接接头系数；对于角接接头,分别在UW-13、UW-15、UW-16规定了焊缝各处的尺寸要求和强度校核要求,并在UW-11的注中附带说明了无损检测要求;
2 焊接接头分类
分类的出发点
ASME Ⅷ-1在UW-3中指出,分类是指焊接接头在容器上的位置而不是接头的型式;对“在容器上的位置” 这一说法可以解读为分类的根据是接头所受应力的大小;由这点出发,对ASME Ⅷ-1的焊接接头分类立刻就得以理解;
焊接接头在容器上所受应力的大小可以由接头在容器上的位置来分析,而接头在容器上的位置则和所连接两元件的结构有关;例如壳体本身或平板本身上的拼接接头,其所在处的应力一般都可以由板壳理论解得；而壳体或平板上连有接管处的接头,其所在处的应力并不能由板壳理论解得;所以规范将其所在处应力可以由板壳理论解得的接头划为A、B类,其中承受最大主应力的接头划为A类,承受第二主应力的接头划为B类,这种壳体本身或平板本身上的拼接接头除个别者外下面分析都是对接或搭接接头,不可能是角接接头;规范将其所在处应力并不能由板壳理论解得的接头划为C、D类,由于在同样载荷和尺寸时,平板应力高于壳体,所以将连接件之一为平板者划为C类,将两连接件都为壳体者划为D类,但涉及矩形截面容器侧板时,因在设计中计及了因压力对相邻侧板作用所引起的薄膜应力以及由压力直接引起的弯曲应力二者,不同于一般平板或管板只计及弯曲应力一者,所以在圆筒对侧板连接的接头分类中规范将侧板视为壳体而不视为平板,但在两侧板相连时则仍视为平板;C、D 类视需要而可以是角接接头,也可以是对接接头,在提及这两类接头时一定要说明,绝不能统称,以免误解;
ASME Ⅷ-1的焊接接头分类
ASME Ⅷ-1根据前述的分类出发点,在UW-3中列出了各类接头,见图2;现分析如下;
图2A、B、C、D类焊接接头的典型位置示意图
A类接头包括以下各处的接头：
1圆筒、管子、锥壳上的纵向接头,管子上的螺旋形焊接接头;显然,这些接头都承受最大主应力作用;
2球壳、成型封头、平封头包括管板、矩形截面容器各侧板上任意位置和方向的拼接接头;球壳上两向应力相等,都承受最大主应力；成型封头、平封头、矩形截面容器各侧板的最大主应力方向以及所在位置都和该元件的结构有关,但作为工程应用,规范从偏于安全并为操作简便出发,将各处、各个方向的拼接接头都看作有可能承受最大主应力而一律划为A类; 3半球形封头对圆筒、锥壳等相连接的环向接头;半球形封头和成型封头不同,一般不设置直边段,所以此环向接头也可以等同于球壳本身的拼接接头,承受最大主应力,故划为A类; B类接头包括以下各处的接头：
1圆筒、管子、锥壳上的环向接头,此类元件的纵向应力为环向应力之半,即环向接头所受应力为纵向接头之半,所以划为B类;
当圆筒对锥壳或变径段相连接、锥壳半顶角α≤30°时,此环向接头视为对接接头,当α＞30°时,则视为角接接头,见图2;
2成型封头半球形封头除外对圆筒、锥壳或管子相连接的环向接头;因成型封头都设置直边段,所以这一环向接头和圆筒上的环向接头相同,承受第二主应力而划为B类;
C类接头包括以下各处的接头：
法兰环、管板、平封头对圆筒、管子、锥壳或成型封头包括半球形封头相连接的焊接接头;此种接头可以是角接接头,也可以是对接接头;矩形截面容器中连接侧板的接头;
D类接头包括以下各处的接头：
1接管或其它受压室对圆筒、球壳、锥壳、成型封头相连接的接头;此种接头可以是角接接头,也可以是对接接头;
2接管或其它受压室对矩形截面容器各侧板相连接的接头;此种接头可以是角接接头,也可以是对接接头;
ASME Ⅷ-1对各类焊接接头的使用限制
为保证容器的安全,ASME Ⅷ-1在UW-2中对各种使用条件容器的各类接头应采用的结构型式作了限制,总的思想是,容器操作条件越严峻,各类接头的结构要求也越高;例如,对储存致死物质的容器,其所有A类接头应是1型,即采用双面焊或能达到从内外面熔敷焊缝金属的对接接头,所有B类和C类对接接头应是1型或2型,所有D类接头应是贯穿容器壁或接管壁整个厚度的全焊透焊缝,等等;为节省篇幅,不再一一列举;
焊接接头系数
在设计元件厚度时,仅指对接接头才引入焊接接头系数,角接接头则已由规范规定了各相关焊缝的尺寸,设计时予以遵守即已满足了强度要求,仅对非全焊透结构如开孔补强处或虽属全焊透、但某些焊缝尺寸未遵守规范规定时才需要进行强度校核,规范在UW-15、UW-16、UW-18中作了相应规定;
根据接头类别、接头类型以及由规范在UW-11中根据容器操作条件、材料种类和厚度所规定的射线及超声波检测规定所进行的全部、抽样或不作检测,由表UW-12查取相应的焊接接头系数;
由于ASME Ⅷ-1规定可以允许不作检测,因此对于采用1型接头类型且经100%无损检测的圆筒包括由无缝管所制的圆筒,考虑到在圆筒对圆筒相连接的B类接头或C类对接接头如不作无损检测会直接影响到其A类和B类接头相交处的质量难以保证,所以如欲取此圆筒的焊接接头系数为,则要求和其A类接头相交的B类接头应为1型或2型,且对此B类接头或C 类对接接头至少应作抽样检测,不允许不作检测;如不作检测,则此A类接头包括如为无缝管的接头系数只能取为;
对此,规范的UW-11a5作出了如下的规定为说明问题,以下对规范原文用笔者理解后的语言表达：
对于筒节或封头上的A类和D类对接接头,如欲采用规范表UW-12中按全部射线检测栏所列出的焊接接头系数,除应对其作全部无损检测外,还必须：
a在连接筒节或封头的A类当筒节和半球形封头相连时或B类当筒节和其它壳体相相连时接头应是1型或2型;
b与筒节或封头上的A类接头相交的B类或C类对接接头对某些材料及厚度,规范已规定要作全部检测者除外,至少应按规范要求作抽样检测;
如不满足上述a、b要求,则此A类接头包括如为无缝管的接头系数只能取为;
这一规定是ASME Ⅷ-1特有的,使用时务必注意;
承受压缩应力的对接接头,其接头系数都取为;
3对有关问题的说明
关于GB150的焊接接头分类
GB 150的焊接接头分类虽然也采用了A、B、C、D四种类别,但是它和ASME Ⅷ-1全然不同,虽然它并未明确指明各类接头的结构类型,但由其配套的无损检测规定,显然A、B类是对接,C、D类总是角接,并无对接;为解决多层包扎容器层板纵向接头不能进行射线或超声检测而只能进行磁粉或液体渗透检测的问题,所以将它调整为C类接头；为解决整体锻件接管对壳体的对接接头标准称为嵌入式接管与壳体对接连接的接头应进行射线或超声检测以保证质量的问题,所以将它调整为A类接头；且遗漏了某些接头的划类,例如平板包括管板的拼接接头,平板、管板与圆筒的对接接头应划为哪类等都未说明;
关于译文
由于种种原因,2007及以前版的译文在和防脆断有关的条文中存在一些漏译或误译,影响到对规范原意的正确理解,其中主要有：
1ASME Ⅷ-1对A类接头说明的原文为：Longitudinal and spiral welded joints within the main shell,……;译文漏译了spiral welded joints字样,使用户遇到此类焊接管时不知所以;
2ASME Ⅷ-1规定,如欲对带有A类1型接头并经全部射线检测的圆筒或无缝管取焊接接头系数为时,在UW-11a5中提出了具体要求,其中之一是对和A类接头相交的B类或C类对接
接头应作抽样检测;原文为：Category B or C butt welds which intersect the Category A butt welds in vessel sections or heads or connect seamless vessel sections or heads shall, as a minimum, meet the requirements for spot radiographs in accordance with UW-52.此处强调的是和A类接头相交的B类或C类对接接头应作抽样检测,意指如为C类角接接头就不受此限制;译文则表示为和A类接头相交的B类或C类接头应作抽样检测,意指应对C类接头不论是对接或角接都应作抽样检测,背离了ASME规范的原意;
参考文献
1 ASME 锅炉及压力容器规范Ⅷ第一册压力容器建造规则,2007版
2 ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section Ⅷ-1 Rules for Construction of Pressure Vessels,2007 Edition.。