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GB3323-82标准中0.5毫米气孔问题分析 |
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曾祥照 |
| 摘要：GB3323-82《钢焊缝射线照相及底片等级分类法》标准中第3.1.6条规定：“当气孔尺寸在0.5mm以下时不计点数。”本文通过对气孔的应力分析、断裂力学分析及其他标准对比表明，此条规定是合理的。 |
| 前言 |
| 国家标准GB3323-82《钢焊缝射线照相及底片等级分类法》，已由国家标准局发布自1983年10月1日起正式实施，该标准是在借鉴了国际标准及国外先进标准的基础上对原JB928-67《焊缝射线探伤》标准作了修订。GB3323-82标准按其性质分类是属于焊缝射线探伤质量检验专业标准，它是用X射线或r射线来检验钢对接焊缝的照相技术要求及通过射线照相底片来检验焊缝内在质量，并对缺陷进行分类定等的检测方法；在锅炉和压力容器焊缝质量检验方面有着广泛的作用。本文仅就标准中第3.1.6条中0.5mm气孔问题作些分析，以作学习新标准的体会。 |
| 一 焊缝中气孔应力分析 |
| 1 讨论问题的基础 |
| 由材料强度计算可知，球形容器受内压力的元件各向应力是均匀的，而圆筒形受内压力比球形容器要复杂。设在承受内压力作用的钢制圆形筒体（如锅炉筒体）焊接元件上，有纵向焊缝和环向焊缝（如图1），由圆筒形元件应力分析可知： |
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| 环向应力 σ1=PD/2S 纵向应力 σ2=PD/4S 径向应力σ3＝-P （“-”表示压应力） |
| 从式中看出，环向应力是纵向应力的两倍；或者说纵焊缝是环焊缝受力的两倍；可见纵焊缝受力条件要比环焊缝要苛刻，故本文以圆筒形元件上纵焊缝为讨论问题的基础。 |
| 2 单个气孔应力分析 |
| 假设将圆形筒体环向剖开，并且纵焊缝截面中心有一个直径为D的圆形气孔，且S>>D(S为筒体厚度)，则纵焊缝内气孔问题可简化为弹性理论的平面问题，此时可视纵焊缝两端作用均匀分布的单向拉应力σ1（如图二所示） |
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| 按照应力函数分析，焊缝内由于气孔的存在，气孔边缘附近的弹性应力场将发生变化，其表达如下： |
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| 式中：σ—气孔边缘附近的分布应力；r―分布应力场半径；θ―分布应力与主应力夹角 |
若 θ=±(π/2) 则上式为  |
| 当r=0.5d时，σ＝6max=3σ1 |
| r=0.75d时 σ＝1.5σ1 |
| r=d时 σ＝1.22σ1 |
| r=2d时 σ＝1.04σ1 |
| r=4d时 σ＝1.0σ1 |
| 可见，随着应力场半径r的增大，分布应力σ将迅速衰减并趋近于主应力σ1。这种现象称为气孔应力集中，其应力集中系数kt=σmax/σ=3σ1/σ1=3。如果焊缝内有一个直径d=0.5mm的单个气孔，其应力分布由σmax衰减到与主应力σ1值相等时，应力场半径仅有以该气孔为中心约1mm的范围，即r=2d=1mm，假若r>1mm或者说距离该气孔边缘大于0.75mm处的焊缝，就不再受该气孔应力集中的影响了。如果气孔边缘处的应力仍然小于等于材料的屈服限，即σmax<σts则气孔边缘的焊缝也仍然是安全的。根据锅炉受压元件强度控制原则，内壁最大应力不应达到材料的屈服限σ ts，若取材料屈服限的安全系数ηs＝1.5，则气孔边缘处的应力是： |
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| 它表示随着锅炉内压力的增大，纵焊缝内气孔边缘某处很薄的金属层有可能达到两倍的屈服限。但是应该指出，某局部区域的金属层达到材料屈服限，并不意味着锅炉受压元件丧失工作能力，对于塑性较好的钢材，例如锅炉钢材，当内压力增大时，其内壁膜应力将不再升高，只是达到屈服限的金属变厚。（如图三所示） |
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| 只有沿整个厚度方向都达到屈服限时，才认为受压元件丧失工作能力。根据强度计算，锅炉受压元件的设计厚度都是具有足够的安全裕度的。可见，直径为0.5mm的气孔或焊缝强識的影响是可以忽略不计的。 |
| 3 两个气孔间的应力分析 |
| 如果焊缝内有两个气孔，直径均为d，中心距为t，仍受单向拉应力作用。若两气孔间距很近，则两气孔间应力集中的区域就有可能互相重叠，造成更大的应力集中。（如图四所示） |
| 如前所述，单个直径为0.5mm气孔应力集中对焊缝影响的范围是0.75mm，那么，两个直径均为0.5mm的气孔，若两气孔的距离t’≤1.5mm时，两气孔间的应力就有可能重叠，为了慎重起见，不妨将它们折合为一个大于0.5mm气孔来处理。而当t’＞1.5mm时，两气孔间的应力不再重叠，不存在相互间的影响，此时，它们各自按单个0.5mm气孔分别处理，均可忽略不计，当然，这就要求射线探伤要具有很高的灵敏度，在底片上能够辨认出气孔的直径和相互间的距离。 |
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| 4 密集气孔 |
| 当探伤灵敏度很高时，在底片某一小区域内，若准确发现两个以上直径为0.5mm以下而相互间距离又小于1.5mm的气孔群时，则可视为密集气孔。但GB3323－82标准对密集气孔未作规定。建议对密集气孔按断裂力学进行评定。 |
| 二 气孔的断裂力学分析 |
| 由材料力学建立起来的强度理论，是假设材料内部的连续、均匀的、各向同性的，按此要求，焊缝内部是不允许有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等缺陷的。但是，由于焊接材料、焊接技术和探伤手段的限制，焊缝内部存在一定的缺陷是不可避免的。近二十年来，在承认材料内部存在缺陷（如裂纹）的基础上，建立起一门新的学科—断裂力学，尽管它还很年青或不够成熟，但是它在处理材料断裂等一系列问题已显示出很好的效果。断裂力学中所说的“裂纹”是指包括气孔在内的各类缺陷，只是裂纹的形状不同，其端部的应力状态亦有所不同而已。裂纹端部应力分布的强弱程度可用裂纹应力强度因子kI来表示：（I表示张开型裂纹） |
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 KI—张开型裂纹强度因子；y—裂纹形状修正系数；σ—裂纹端部附近应力；α—裂纹长度之半
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对于焊缝内部的圆形气孔可视为深埋圆型“裂纹”，其应力强度因子为： |
| 根据线弹性理论，当裂纹强度因子KⅠ达到材料固有的临界断裂韧性KIc时，工件发生失稳断裂，判断准则为：KI=KIc |
| 若KI,<<KIc，则认为裂纹仍是处于安全状态。最近公布的我国CVDA-1984《压力容器缺陷评定规范》（见《压力容器》杂志1985年第1期）规定：若k1≤0.6k1c时，则认为所评定的缺陷是可以接受的。 |
| 现举例分析： |
| 例1：有一锅炉筒体，内径Dn=1800mm，壁厚s=18mm，工作压力P=1.274N/mm2(13kgf/cm2)，材料为20g，假设其断裂韧性kzc=3430N/mm3/2(350kgf/mm3/2)，锅筒纵焊缝内有一个直径d=0.5mm的圆形气孔，并受交变载荷作用。试求气孔边缘的临界应力。（如图五所示）
解：锅筒环向应力
（6.6kgf/mm2）
根据第三强度理论，当量应力为
（6.695kgf/mm2） |
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当达到临界状态时  |
其临界应力则： （620kgf/mm2） |
由于 ，对于脆断安全系数： |
| 本例计算表明，只有当气孔附近应力高达6079.5N/mm2时，才会使0.5mm气孔开始产生裂纹扩展，然而，这种情况是不可能发生的。因为在这样高的工作应力状态下，σ＞＞σb，焊缝拉断之前，锅筒不会因气孔失稳而破坏，此时，材料强度仍为抗拉强度所控制。可见，焊缝内0.5mm气孔对锅筒安全并不构成威胁。 |
| 例二：有一圆筒形压力容器，内径Dn=1500mm，壁厚S=16mm，工作压力P=1.568n/mm2（16kgf/cm2）材料为16MnR，假设σs=323.4N/mm2 (33kgf/mm2), σb=490.4N/mm2 (50kgf/mm2), 其断裂韧性KIc=2842N/mm3/2(290kgf/mm3/2)，若焊缝内某一小区域内存在四个直径均为d=0.5mm、中心距离t=1.2mm的气孔，试按CVDA－1984规范评定该密集气孔。（如图六所示） |
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| 解：（1）考虑到两气孔间相互间影响，以气孔群所包围的面积复合为一个直径2a＝2mm的一个圆片形气孔；（2）计算等效拉应力： |
筒体环向应力  （7.58kgf/mm2） |
外载引起的附加应力（包括弯曲应力）： |
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(1.935kgf/mm2) |
缺陷在焊缝中心，残余应力 |
等效拉应力为： （9.31kgf/mm2） |
计算应力强度因子： |
因气孔在焊缝内，不考虑筒体膨胀效应，则  |
| 显然该密集气孔是可以接受的；同时也应指出，将密集气孔折合为一个大气孔来处理是偏严和不合理的，即使如此，按CVDA-1984规范评定仍然有很大的安全裕度。 |
| 以上从断裂力学角度分析表明，0.5mm气孔对焊缝不构成危害。 |
| 三 与其他标准比较 |
| 与国外一些标准相比，GB3323-82标准关于气孔的规定是偏严的，例如： |
| 1 我国JB1152-81《钢制压力容器对接焊缝超声波探伤》标准规定：探伤灵敏度不低于测长线。当板厚为8－15mm，使用CSK-IIA试块，其测长线不低于φ1×6mm-12dB。如果将该探伤灵敏度换算成球孔（气孔），得到球孔的当量直径为2.6mm，这就是说，当超声波探伤灵敏度低于φ×6mm-12dB时，对于焊缝中φ2.6mm气孔应有可能漏检；而JB3323－82标准中，仅是对0.5mm以下的气孔才忽略不计。可见，就气孔等点状缺陷而言，射线探伤标准要比超声波探伤标准要严得多。 |
| 2 我国《压力容器安全监察规程》第44条规定：“局部探伤以外的焊缝”，如经复检发现仅属于气孔的超标缺陷，可由制造单位与用户单位协商处理，可见对于气孔的处理，是留有余地。 |
| 3 日本工业标准JIS Z3104标准的规定不计算点数的点状缺陷尺寸为：（见表） |
| 母材厚度mm |
不计点数的缺陷直径mm |
| t≤25 |
0.5 |
| 25<t≤50 |
0.7 |
| t>50 |
1.4%t | |
| 4 英国标准BS2790-73标准中第5－4条规定：允许存在最大尺寸小于1.5mm<, /SPAN>的单个气孔。 |
| 5 美国ASME锅炉压力容器规范在国际上是具有权威性的标准，其80年版第1卷《动力锅炉制造规程》中A250条规定：当焊缝厚5≤t＜51mm时，小于0.8mm圆形缺陷可以不作计算；当焊缝t>51mm时，小于1.6mm毫米圆形缺陷都不予计算。 |
| 从以上对比分析中可以看出，GB3323-82标准中关于“0.5毫米以下气孔不计点数”的规定，还是相当严格的。我们知道，射线探伤的原理是遵循几何光学的原理，其清晰度和灵敏度都受到一定限制。例如ISO/R831《固定式锅炉》标准中规定，透度计灵敏度为1.5%，就是说小于1.5%焊缝厚度的细小缺陷有可能漏检。再说，透计计灵敏度与实际缺陷情况有着很大的差异，能够发现缺陷的灵敏度往往要低于透度计灵敏度的；所以，规定一个不能发现缺陷的最小值是有必要的。 |
| 四 结束语 |
| 1 基于以上分析，可以得出如下结论： |
| 0.5mm气孔对焊缝强度安全并不构成威胁。GB3323-82标准中第3.1.6条规定的“当气孔尺寸在0.5毫米以下时不计点数”是合理的。 |
| 2 推而广之，对焊缝中气孔等点状缺陷的限制可以适当放宽。从力学分析可知，焊缝内气孔对焊缝强度影响并不一定很严重。 |
| 据报导，对带有气孔及夹渣缺陷的焊接接头试件进入进行静拉及疲劳试验表明：焊缝中存在少量缺陷（试件断面上的缺陷率 s≤10%时）对静载强度影响很小，所损失的主要是焊缝塑性。（见《焊接》杂志1985年第1期），再说，完全清除气孔这类缺陷有时是没有必要，因为这类缺陷的返修往往是在高约束下进行的，这样返修反而会对焊缝造成更大的残余应力集中，对产品质量更为不利，不论是从技术角度还是从经济效益角度讲都是不甚合理的。但也须说明，这里并无对气孔等缺陷可有随意放宽的意思。如果认为确有必要返修，那么仍然要返修。 |
| 参考资料： |
| 1 GB3323-82《钢焊缝射线照相及底片等级分类》 中国标准出版社 1984 |
| 2 李之光、蒋智翔：《锅炉受压元件强度――标准分析》 技术标准出版社 1980年 |
| 3 李之光等：《锅炉材料及强度与焊接》 劳动人事出版社 1983年 |
| 4 鞍山锅炉压力容器检验所编《锅炉压力容器安全技术论文集》1982年 |
| 5 《超声波探伤》 电力工业出版社 1980年 |
| 6 《压力容器》杂志1985年第1期 CVDA-1984《压力容器缺陷评定规范》 |
| 7 《焊接》杂志 1985年第1期 《焊缝中三维缺陷对静拉及疲劳强度影响的研究》 |
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| （写于1984年11月，当时作者在新疆天山锅炉厂工作。本文为作者1985年参加全国第一次锅炉压力容器无损检测高级人员考核时答辩论文，获得考委高度好评。本文发表于1985年第六期《机械工业标准化》和1986年第一期《西北工业锅炉》；2005年6月重新录入电脑格式。） |
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