ASME规范第I卷学习札记(8) 第四部分 制造(下)
Studying Notes For ASME Code Sec. I(8)Part Four Fabrication(Part C)
(节选)
吕翔LU Xiang
上海发电设备成套设计研究所Shanghai Power Equipment Research Institute

简要说明学习ASME规范第I卷制造方面规则的理解,主要内容为:焊接接头的检查项目,并与我国标准中的相应条文进行比较。
Comprehensions while studying the rules for fabrication in ASME Code Sec. I, the main contents of this paper are:examination items of welded joints,and comparing with the relevant provisions in China Standards.
ASME规范;第I卷;制造
ASME Code;Sec. I;Fabric
五、焊接接头的检查项目

    根据PG-105.4对质量控制体系的规定,产品的制造质量由制造厂进行检查(examination),由授权检验师进行检验(inspection)。

1.概述

1.1质量特性
焊接接头的失效模式从制造方面来说,有3种,即:塑性破裂、脆性破裂和接头泄漏,它们都与焊接接头制造质量的不完善(imperfection)有关。第V卷对不完善给出以下定义:质量特性偏离其预定条件。
GB/T19000《质量管理体系基础和术语》对质量特性给出以下定义:产品、过程或体系与要求有关的固有特性。焊接接头制造质量的要求可概括为两方面,一个是力学性能不低于母材,另一个是要具有连续性,因此可用力学性能和连续性作为焊接接头制造质量的质量特性。
1.1.1力学性能
第I卷对焊接接头力学性能的要求有两个:拉伸性能(即强度)和弯曲性能(主要为塑性)。在焊接热循环中,焊接接头各部分的峰值温度和冷却速度不同,它们的强度和塑性有一定的不均匀性,见图4-2,此不均匀性与母材化学成分和焊接工艺有关。

图4-2焊接接头力学性能的不均匀性
焊接接头的力学性能主要取决于焊接工艺。
1.1.2连续性
由第V卷SE-1316对不连续(discontinuity)给出的定义可知,焊接接头的连续性即没有物理结构或形状的中断,实际上没有必要也不可能做到完全不中断,即允许有一定的不连续,凡超过合格标准的不连续称为缺陷(defect)。
GB/6417(idt.ISO6520)《金属熔化焊缺陷分类及说明》按焊接缺陷的特征分为6类,即:裂纹、孔穴、固体夹杂、末熔合和末焊透、形状缺陷、其他缺陷,前4类属于物理结构不连续,第5类属于外形不连续,第6类中有的是物理结构的,有的是外形的。
焊接缺陷的主要影响因素是焊工技能。

1.2产品检查
作为一种工序控制,焊接接头需根据不同情况并结合实践经验进行相应的检查。为此,在PW篇中规定了4个强制性的检查项目,即:外观检查、无损检查、力学性能试验和水压试验。
这四个检查项目的目的,有共性又有特性。外观检查和无损检验分别用来查明表面和内部缺陷,力学性能试验则查明焊接接头的强度和塑性,而水压试验则为强度和泄漏。4个检查项目分工不分家,构成一个防止失效的体系。

1.3认可准则
为了确定制造质量是否合格,通过对必要性和可能性的分析,建立一个为有关方面都能接受的认可准则。
力学性能的准则是焊接接头的力学性能不低于母材,这既是PG-27和PFT-51中不考虑焊缝减弱系数的需要,通过焊接评定和试样试验又使这种必要性能以部分实现。
连续性的认可准则是不要求完全没有缺陷,因为在评估焊接缺陷对接头失效的影响时,除了要考虑检查项目对缺陷的检出机率(灵敏度、检查比例等)外,还涉及断裂韧性、焊件的工作条件和寿命等一系列数据,较为复杂难以普遍使用,因此各国对6类缺陷还是根据经验,从必要性和可能性出发相应规定了合格标准。

2.焊接缺陷
焊接缺陷按其形状可分为平面缺陷和体积缺陷,按所在位置可分为表面缺陷和内部缺陷,GB/T6417中的6类缺陷,形状缺陷和其他缺陷均为表面缺陷,其他4类缺陷的位置可以在焊接接头的表面,也可以在内部。现根据GB/T6417的规定对6类焊接缺陷作简要说明。

2.1裂纹
在焊接应力及其他致脆因素共同作用下,焊接接头中局部地区金属原子的结合力遭到破坏,,所形成的新界面称为裂纹,长宽比比较大,端部尖锐。焊缝中的裂纹在应力作用下会进一步扩展,因此是6类中最为危险的缺陷。
按产生机理,焊接裂纹可分为冷裂纹、热裂纹和再热裂纹3种,见表4-3,其中,以冷裂纹较为常见。
表4-3焊接裂纹

序号

名称

产生机理

常见部位

1

冷裂纹

在淬硬组织、扩散氢、焊接时的拘束应力和冷却时的拉伸应力共同作用下产生。

热影响区,特别是接头根部。

2

热裂纹

液体熔敷金属结晶时,由碳、合金元素或杂质在晶界处形成薄膜,在拉伸应力下产生。

焊缝内部

3

再热裂纹

粗晶部位焊后热处理的松驰过程中,因塑性变形量大于该处的蠕变塑性变形量而产生。

熔合线或热影响区

2.2孔穴和固体夹杂
孔穴和固体夹杂有共性又有特性,共性是它们都属于焊缝金属的不连续,影响到力学性能和密封性,特性有两个,即生成机理和形状的差别。
孔穴是熔池中的气体在凝固时未能逸出残留下来所形成的空穴,通常称为气孔。焊接过程中产生的各种气体能过饱和地溶解到熔池中,冷却时虽因溶解度下降会逸出,但仍有一部分会留在焊缝金属中。气孔由于具有自由表面,所以其形状为圆形或圆柱形。
固体夹杂有两种,即非金属夹杂物(主要是夹渣)和金属夹杂物(主要为夹钨)。夹渣来自焊缝中残留的熔渣,夹钨是钨极氕体保护焊时陷入焊缝金属的钨颗粒。

2.3末熔合和末焊透
末熔合主要是焊缝金属与母材之间未完全熔化结合的部分。末焊透(incomplete joint penetration)是接头的根部末完全熔透的现象。末熔合和末焊透都影响到力学性能和密封性。

2.4形状缺陷
PW-35.1、PW-36.2和PW-41.2.2对8种形状缺陷(见表4-4)作出限制。
表4-4形状缺陷

序号

ASME规范第I卷

ISO6520

GB/T6417

1

incompletely filled groove

同左

未焊满

2

coarse ripple

irregular surface

表面不规则

3

groove

shrinkage groove

缩沟

4

overlap

同左

焊瘤

5

abrupt ridge

incorrect weld profire

焊缝型面不良

6

valley

sagging

下垂

7

undercut

同左

咬边

8

concavity

root concavity

根部收缩

表4-4中的8种形状缺陷,只有序号1、4和7的英文名称与ISO6520相同,对其余5种缺陷,则根据其含义在同表中列出IS06520和GB/T6417中的相应名称,并补充说明如下:
(a)incompletely filled groove:由于填充金属不足,在焊缝表面形成的连续或断续的沟漕。它与未焊透是两个不同概念。
(b)coarse ripple:原来按GB/T3375中焊波的英文名称译为焊波粗劣,后根据GB/T6417对表面不规则这个术语的说明:表面过分粗糙,改为表面不规则。
(c)groove:GB/T3375中,groove的词义是坡口,不是缺陷,现根据GB/T6417对缩沟这个术语的说明:由于焊缝金属的收缩,在根部焊道每一侧产生的沟槽,改为缩沟。
(d)overlap:两个标准的规定相同,即:熔化金属流淌到焊缝金属之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。
(e)abrupt ridge:原来译为过渡不平滑,后根据GB/T6417对焊缝型面不良这个术语的说明:母材与靠近焊趾处焊缝表面的切面之间的夹角过小,改为焊缝型面不良。
(f)valley:按GB/T3375中凹坑的定义:焊后在焊缝表面或背面形成的低于母材表面的低洼部分,译为凹坑,GB/T6417中相应的术语为下垂,两者相比,译为凹坑更符合词义。
(g)undercut:咬边,GB/T3375的规定是:沿焊趾的母材部位的沟槽,而GB/T6417则把焊趾和焊根处的这种沟槽都称为咬边。
(h)concavity:GB/T6417中的说明是:焊缝根部因收缩而造成的浅的沟槽。concavity 与groove都是沟槽,不同之处是:concavity的沟槽在焊缝上,而groove的沟槽在焊缝与母材相连处。
concavity的词义是凹进去,而“收缩”只是凹进去的一种原因,是外延而非内涵,另外,这种缺陷就是JB/T2636《锅炉受压元件焊接接头金相和断口检验》中的内凹,因此译为内凹。
第I卷把角焊缝表面的沟槽也称为concavity,见PW-36.2,这正好说明与ISO6520中rootconcavity的不同之处。
需要注意的是:PW-41.2.2对内凹只给出尺寸限制,未规定检查方法,内凹虽是表面缺陷,但对管子、管道和集箱来说,这种缺陷是无法从外部进行外观检查的。

2.5其他缺陷
主要有电弧擦伤,是一种在焊接坡口外引燃或打弧时在母材金属表面上的局部损伤。
需要说明的是:在我国锅炉法规和标准中,把这种缺陷称为弧坑,与GB/T3375中的弧坑(crater)的词义完全不同,GB/T3375中的弧坑发生在焊道末端,在坡口以内。

3外观检查
第I卷中外观检查的要求包括完工和表面质量。完工是为了明确是否可保持焊态的表面,表面质量则是外观检查的合格依据。

3.1完工
(略)

3.2表面质量
(略)

3.3补充说明
a.裂纹
(略)
b.气孔和夹渣
(略)
c.未熔合
(略)
d.未焊透
(略)
e.形状缺陷
(略)

3.4我国的规定
我国对外观检查的规定与第I卷基本相同,个别项目有一些差别,例如咬边的深度,第I卷为不大于0.8mm而我国为0.5mm,这并非宽与严的关系,而是由于不同单位制中优先数系的数值差别。再如对角焊缝的末焊透,我国用宏观金相检验,对于内凹的检查方法,管道和集箱用无损检验,JB/T4730-2005《承压设备无损检测》已增加了根部内凹的检查方法。

4无损检验

4.1检查原则
4.1.1对接接头
(略)
4.1.2T形接头
(略)
a.几何不清晰度大于规定值
影响射线照相质量的因素可归纳为两方面,一个是透照技术,另一个是胶片质量,而几何不清晰度则是透照技术的一个组成部分。
不清晰度表示图像边界的扩展程度,图像边界的扩展有两个因素,一个是几何位置所造成的扩展,称为几何不清晰度Ug,另一个是胶片上二级电子所造成的扩展,称为胶片不清晰度Uf。不清晰度会降低对尺寸较小的不完善的可检验性,对宽度较小的不完善例如裂纹、小的气孔等,影响很大。不清晰度增加时射线照相的质量降低。。
产生几何不清晰度的原因是:射线源总是具有一定的尺寸而非一个点,由几何投影可知,所成图像的两边都会有一个扩展区即阴影,此扩展区的大小与射线源尺寸F、射线源至焊接接头的距离D以及焊接接头从射线源一侧到胶片的距离d有关,见图4--3。

1射线源 2-焊接接头 3-胶片
图4-3几何不清晰度
在生产中,D的数值远大于F和d,同时,通常又把d的数值取等于焊接接头的厚度,由相似三角形的定理可得:Ug=Fd/D。。由于两边都有阴影,所以第V卷在SE-1316中称为图像阴影值的一半,并在T-274.2中给出不同厚度时Ug最大值的推荐值。
第I卷对几何不清晰度又作了补充规定,共两个。一个是在PW-51.1中指出;除非儿何不清晰度大于1.8mm,在其他情况下,第V卷T-274对几何不清晰度的要求只用于拍片,而不作为射线照相底片不合格的依据。另一个是在表PW-11中规定:射线照相各种参数组合所得到的几何不清晰度如果大于1.8mm,应改用UT。对这两种规定,我的理解如下:
几何不清晰度除了与几何位置有关外,还与焊接接头中不完善的位置(例如深度和方向)有关,为了简化,通常只考虑厚度(即图4-3中的d)的影响,因此所提出的数值仅供透照布置时的参考。在另一方面,虽不能把阴影的大小作为底片不合格的依据,但从缺陷评定的需要来说,应当加以限制,即在任何情况下Ug不得大于1.8mm,如果在透照布置上难以做到,就不应再用RT而应改用UT。
b.用电渣焊焊接
(略)

4.3我国的规定
(略)

5力学性能试验

5.1检查原则
PW-53规定了焊接接头力学性能试验的要求,可归纳成以下的检查原则:
a.检查范围
(略)
b检查目的
只检查力学性能中的两个基本特性,即强度和塑性,不包括冲击韧性或其他的力学性能。以冲击韧性来说,即使是SA-302,D级的Mn-Mo-Ni低合金高强度钢,冲击试验仍然是一种补充要求,是非强制性的,需在订货时选用。

5.2检查方法
5.2.1检查试板
(略)
5.2.2强度
(略)
5.2.3塑性
(略)

6.水压试验

6.1检查原则
a.检查目的
(略)
b.检查范围和地点
根据PG-99和PG-104.1的规定,检查范围包括锅炉本体和锅炉范围内管道。至于检查地点,第I卷虽未规定,但不规定并不等于放任自流,根据制造厂数据报告的有关规定,谁负责提供数据报告就由谁确定在制造厂还是在工地打水压。
c.试验压力
(略)

6.2脆性断裂
a.特征
(略)
b.机理和影响因素
(略)
c.无塑性转变温度
(略)

6.3检查方法
PG-99.1~PG-99.4规定了水压试验的程序和压力表的要求,现再根据第Ⅶ卷C2.270,将检查方法简要说明如下:
a.水质
C2.273除提出使用洁净的水这一原则性规定外,还补充了一些具体规定,要点是两个防止,防止生成水垢和防止奥氏体钢的应力腐蚀断裂。
b.程序
PG-99.1和PG-99.2规定了水压试验的两个阶段,见图4-5。

图4-5水压试验的两个阶段
(a)超压试验阶段(ab):在试验压力Pt下保持一定时间ΔT1,以证实达到规定的设计裕量。
(b)严密性试验阶段(cd):在设计压力Pd下保持一定时间ΔT2,以证实焊接接头的完善性。
为了防止加载速度过快,在PG-99.1中提出原则性要求,即:逐渐升高,在C2.273中补充了“必须采取预防措施来控制升压速度”的要求。对ΔT1和ΔT2不作规定的原因也是不难理解的,因为情况千差万别,难以一刀切。
应当指出,超压试验毕竟带有一定的危险性,因此美国有的制造厂在自己的水压试验企业标准中有这样的规定:除非图样和技术文件中另有规定,均不要求在水压试验压力下保持一定的时间,以策安全。
c.合格标准
虽然在第I卷中没有提到合格标准,但美国制造厂的企业标准中都规定:焊接接头没有泄漏。

6.4条款解释
现将第I卷历年发行的《条款解释》中对水压试验咨询的答复,择要说明如下,这有助于理解条文要求。括弧中为条款解释的编号。
a.保压时间(I-80-15)
(略)
b.试验期间压力降低(I-80-15)
(略)
c.用水泵保持试验压力(I-92-56)
(略)
d.压力表的装设部位(I-78-27、I-89-58)
(略)
e.压力表的型式(I-92-52)
(略)

6.5我国的规定
(略)
a.水温
(略)
b.水质
(略)

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