第3章 焊接接头和焊接接头系数
3.1 焊接接头
3.1.1 分类的目的
压力容器各组件上或组件之间总存在各种类型的焊接接头，它们直接影响到组件本身或组件之间的连接强度。为在设计中合理选用焊接接头，计及焊接接头对组件强度可能引起的削弱，并为尽可能减小削弱影响、保证焊接接头达到一定质量要求，即配合以相应的无损检测要求，焊接接头的形状允差要求等，从工程应用和管理的方便出发，对各种可能遇到的焊接接头加以分类。设计人员可以根据容器的使用情况按规范选定各类焊接接头的结构型式，并由无损检测的程度确定该对接（或搭接）接头的接头系数以用于相应的壁厚计算公式中。
3.1.2 分类的基本出发点
考虑到焊接接头对组件母材可能引起的削弱，在采用组件材料许用应力的同时，需要乘以相应的焊接接头系数，以表示这一削弱。显然，用于组件壁厚计算公式的焊接接头系数，是指和决定该组件壁厚的最大主应力相垂直的对接（或搭接，ASME Ⅷ-1包括搭接接头）接头系数。UW-3中提及，焊接接头分类是指按接头在容器上的位置，而不是按接头的类型（或型式，下同）分类。容器上不同位置处在同样压力作用下所引起的应力不同，所以可以把按接头在容器上的位置分类理解为按容器接头上所承受的应力水平分类。容器接头上的应力水平和组件的结构类型有关，按照该接头处的组件能否由板壳理论简单地求出其应力而把该接头划为A、B类，例如组件本身上的拼接接头处能由板壳理论简单地求得接头处的应力，此时凡承受第一主应力者为A类，承受第二主应力者为B类；如接头处的组件不能简单地由板壳理论简单地求得应力者，则把该接头划为C、D类，例如组件和该组件上接管的连接接头，也就是此组件和彼组件相连接时的接头，在接头处就不能由板壳理论简单地求得其应力，此时则把该接头划为C、D类，如两连接件都是壳者为D类，有一件是板者为C类，但非圆形截面容器各侧板视为壳体。
内压薄壁圆筒或锥壳都是环向和经向两向应力，经向应力为环向应力之半，所以环向应力为最大主应力，经向应力为第二主应力，与最大主应力相垂直的是纵向接头，与第二主应力相垂直的是环向接头，据此，在圆筒或锥壳的不同位置，即纵向还是环向接头，应划分为不同的类别。再如，内压薄壁球壳所承受的环向和经向应力相同，都是最大主应力，与此两最大主应力相垂直的经向和环向接头，应划分为同一类别。
正因为焊接接头分类与在容器上的所在位置，即在压力作用下所承受的应力水平有关，所以，对于由不同结构组件相连接成的接头，除和焊接接头所承受应力水平大小有关以外，还和相连接组件的结构类型有关，例如，在同样载荷条件下，平板类组件的应力条件远较壳体类组件为严峻［平板类组件的应力和（D/t）2有关，而壳体类组件的应力和（D/t）有关，这也就是在同样结构尺寸、同样载荷条件下要求平板厚于壳体的原因］，所以在同样条件下，壳体和平板相连接的焊接接头分类类别就不同于和壳体相连接的焊接接头分类类别，前者划为C类，而后者划为D类。
综上所述，焊接接头分类是指按接头在容器上的位置，而不是按接头的型式分类，其含义实为和组件（包括组件本身以及与其相连接组件）的结构类型（例如，板还是壳），并由该组件所确定的应力水平有关。
虽然规范规定焊接接头分类是指按接头在容器上的位置，而不是按接头的型式分类，但接头在容器上的位置和接头的结构型式有一定联系。例如，圆筒、锥壳或各类成型封头的拼接接头只可能是对接或搭接接头，不可能是角接接头；圆筒、锥壳或成型封头上的接管，当采用补强板或厚壁管补强时，只可能是角接接头，而不可能是对接接头，当采用整锻件补强时，总为对接接头而不可能是角接接头，且一般而言总是不带垫板的单面或双面焊；圆筒对平板间的连接接头则可以是角接或对接。正因为规范在焊接接头分类中强调的是指按接头在容器上的位置，而不是按接头的型式分类，所以，在圆筒、锥壳或成型封头上接管处的接头，以及圆筒对平板间连接处的接头，按其所在位置即可进行分类，但分为同一类别的焊接接头其结构则可以是对接、搭接或角接，即结构型式可以不同，A、B类都为对接或搭接，不可能是角接，不必另加说明。C、D类则可以是对接，也可以是角接，为此而应表明是C类对接还是C类角接，是D类对接还是D类角接，不能笼统地称为C类或D类接头。
3.1.3 焊接接头分类
ASME Ⅷ-1将所有可能遇到的焊接接头划分为A、B、C、D四类，见图3-1。现逐类分析如下。
图3-1 A、B、C和D类焊接接头的典型位置示意图（引自ASME Ⅷ-1图UW-3）
注：锥壳与圆筒连接处，角α等于或小于30°时，视为对接接头；角α大于30°时，则视为角接接头
3.1.3.1 A类接头
A类接头是各类接头中最为重要，其在压力作用下受力条件最为不利，和最大主应力方向相垂直，因而是要求最高的焊接接头，包括对接接头和搭接接头。以下所述者都属A类接头。
①圆筒（包括长圆形截面容器的圆弧部分）、管子或锥壳上的纵向接头和螺旋形焊接接头，包括多层容器内筒和层板上的纵向接头。这些受压组件的环向应力为纵向应力的两倍，所以把垂直于环向应力的纵向接头划为级别最高的A类。
②球壳、成型封头（指椭圆形、碟形、各类带法兰的凸形封头）、平封头（包括管板）、矩形截面容器各侧板上任意位置和任意方向的拼接接头。
内压薄壁球壳上的两向应力相同，所以各任意方向的接头都承受最大主应力作用，都划为A类接头。
由内压椭圆形和碟形封头的应力分析设计原理可知，这两类封头的最大主应力所在位置及方向都和封头的结构尺寸有关，作为规范，为设计方便并偏于安全，将这两类封头上任意位置和方向的拼接接头都看作和最大主应力相垂直而划为A类。
平板（管板）在横向载荷作用下所引起的环向和径向两向应力，其最大值方向可以是环向或径向，所在位置也可以在中心至周边范围内的任何地区，都随该板的周边支承条件（简支、固支或介于两者之间）而异，由于和成型封头上接头分类相同的原因，也将平封头（管板）上任意位置和方向的拼接接头都看作与最大主应力相垂直而划为A类。
矩形截面容器上各侧板在压力作用下的最大主应力和矩形侧板的长宽比以及两对周边的支承条件（简支、固支或介于两者之间）有关，可以平行或垂直于侧板长边，所以，由于和成型封头上接头分类相同的原因，也将矩形截面容器各侧板上任意位置和方向的拼接接头都看作与最大主应力相垂直而划为A类。
③半球形封头与圆筒、锥壳等相连接时的环向接头。
和其他凸形封头不同，在一般情况下半球形封头不设直边段，所以这一接头实际上也属于半球形封头上任意方向的接头，承受球壳上的最大主应力作用，因此把它看成球壳上任意位置和方向的接头而划为A类。
3.1.3.2 B类接头
B类接头在压力作用下所承受的应力较A类接头低，它也可以是对接接头或搭接接头，除个别者外（见图3-1中的注，因对接接头都采用RT或UT检测，角接接头则采用MT或PT检测，当锥壳对圆筒连接时其半顶角不大于30°时可视为对接而采用RT或UT检测，如大于30°则应视为角接而采用MT或PT检测），不包括角接接头。以下所述者都属于B类接头。
①圆筒（包括长圆形截面容器的圆弧部分）、管子或锥壳上的环向接头。
它和这些组件上的纵向接头相比，因所承受的应力较低而划为较A类接头低的B类接头。
②成型封头（球形封头除外）与圆筒、锥壳或管子相连接时的环向接头。
由于除球形封头以外的成型封头都设有一定长度的直边段，所以它们和圆筒、管子或锥壳相连接的接头恰如圆筒上的环向接头一样，划为B类接头。
以上对A、B类接头分析中，涉及接头所承受的应力都可以由板壳理论求得，所以可以由焊接接头和所在组件最大主应力的方向进行分类。但壳体对平板的相连处，或两者轴线垂直，或倾斜相交的壳体对壳体相连处（如壳体上的接管）的焊接接头，其应力无法由板壳理论直接求得。故对此处的接头划为C类或D类。定性地分析，在同样载荷条件下，平板类组件的应力条件远较壳体类组件严峻，规范根据这一分析，如这类连接处两个被连接组件都是壳体者，由于其应力条件略好于两组件中有一者或两者属于平板连接处的应力条件，所以可以将此处的焊接接头划为D类接头，否则，如两者之一或两者属于平板，则此处的焊接接头划为较D类要求略高的C类接头。
3.1.3.3 C类接头
C类接头的结构型式可以是对接、搭接或角接接头。以下所述者都属于C类接头。
①法兰环、管板、平封头与圆筒、锥壳、管子或各类成型封头（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，由设计人员根据设计条件的严峻程度确定。角接连接的示意见图3-2，对接连接的示意见图3-3。
图3-2 受压组件与平板的角接连接（C类角接）（引自ASME Ⅷ-1图UW-13.2）
图3-3 受压组件与平板的对接连接（C类对接）（引自ASME Ⅷ-1图UW-13.3）
②矩形截面容器各侧板间相连接的焊接接头。
此处显然仅指角接接头。
3.1.3.4 D类接头
D类接头的结构型式可以是对接接头或角接接头，但不可能是搭接接头。以下所述者都属于D类接头。
①接管或各种受压室与圆筒、球壳、锥壳、各类成型封头相连接的接头。
一般而言，此类接头大多为角接接头，但在接管采用整锻件补强时，整锻件与壳体之间的连接则为对接接头，见图3-4。
图3-4 开孔接管整锻件补强与壳体的对接接头（D类对接）
由于规范强调的是以焊接接头在容器上的位置分类，对此接头，规范根据在容器上的位置而将它划分为D类。当为图3-4的对接接头时，实际上和壳体上的A类接头相当，也承受壳体上的最大主应力，在按壳体壁厚公式计算壳体所需要的厚度时，公式中的焊接接头系数应取壳体上A类和此处D类对接接头系数中的较小值，相应地，此时对它的无损检测、焊后热处理要求等也应把它等同于A类接头看待。
②接管或各种受压室与矩形截面容器各侧板相连接的焊接接头。
ASME Ⅷ-1对矩形截面容器各侧板的设计和平封头设计相区别。设计平封头时仅考虑封头上的弯曲应力；设计矩形截面容器各侧板时则不仅考虑侧板上的弯曲应力，还考虑压力作用在相邻侧板上对所设计侧板引起的薄膜应力（见本书9.2节），即把平封头看作板，而把矩形截面容器的侧板看作壳，所以把接管与平封头相连的接头划为C类，而把接管与矩形截面容器各侧板相连的接头划为D类。
③补强板、凸缘等与壳体、成型封头相连接的焊接接头。
这些接头一般都是角接接头或填角接头，据UW-16对开孔处连接焊缝最低要求的说明，划为D类接头。
对封头所开的不大于60mm的旋压工艺用孔，在封头旋压成形后以全焊透的对接或塞焊接头将其封闭。在UW-34中提及，此类对接接头不划分接头类别，在封头设计中也不需要计及焊接接头系数。此外，对附录5膨胀节上的角接接头、附录9夹套封闭件至壳体的焊缝以及附录26膨胀节对壳体的连接焊缝并未按分类标识予以规定，但都应按规范相应的要求进行无损检测。
3.1.4 对理解规范关于焊接接头分类时的注意点
建议设计人员根据上面的分析仔细领会规范在UW-3中表述的分类依据：“焊接接头分类是指按接头在容器上的位置（也就是按接头所承受应力的大小）而不是按接头的型式”，其深刻的内在含义。
3.1.5 焊接接头型式
焊接接头型式指接头的结构型式，可以是对接、搭接、角接和斜角等接头型式。同一类别的焊接接头视接头所在容器的操作条件而可以采用不同的接头型式。Ⅷ-1共划分为8种型式。通过对无损检测程度（全部射线检测、抽样检测和不检测）的配合，以确定对接、搭接接头形式的焊接接头系数，可参见表3-1。
表3-1 电弧焊和气焊焊接接头的最大许用接头系数（引自ASME Ⅷ-1表UW-12）
①见UW-12（a）和UW-51。
②见UW-12（b）和UW-52。
③对C类4型接头，用于螺栓法兰连接时不受限制。
④半球形封头与壳体连接接头除外。
⑤本册对C类和D类角接接头的设计公式中没有接头系数E，当需要时可取E≤1.0。
注：受压缩时对接接头E=1.0。
本书在1.10节对阅读、使用ASME规范的提醒中提到，例如对单位换算时细微差别的修改，早期原文把24in写为610mm，但从2001年版起改为600mm，而译文至今一直未改，在执行时可能会引起争议。本表中的型号（3）、（5）、（6）三处使用限制的610mm，即是因译者未及时按原文修改所致。
3.1.6 焊接接头的无损检测程度
ASME Ⅷ-1不论对对接接头或角接接头，都划分为全部检测、抽样检测和不做检测三种检测程度。全部检测意指对其全长做100%的检测；抽样检测则是指每一容器中的每15m或其余不足15m的焊缝应做一处检测，检测位置由检验师确定，一处抽样射线检测底片的最小长度应为150mm。对于相同的容器或部件，需要做抽样检测时，如每台容器或每个部件的焊缝长度都不足15m，则每15m焊缝的累计长度，可用一处抽样检测来代表。
规范在UW-52节的注指出：抽样射线检测被认为是一种有效的检测措施，抽样射线检测的规则也被认为有助于质量控制。在焊工或焊机操作工完成一段焊接工作之后，立即进行抽样射线检测可证实该工作是否做得符合工艺要求，若所做工作并不满意，在后续各单元的焊接中即可采取改进措施，这无疑将会改进焊缝质量。按照这些规则进行的抽样射线检测并不能保证所制造的产品达到了预定质量水平，必须认识到，按照这些抽样射线检测规则所验收的容器，当进一步检测时仍可能会发现存在缺陷，如对一台容器必须予以排除所有射线检测能发现的焊接缺陷，该容器必须采用100%的射线检测。
由规范在UW-52节的阐述可理解为，抽样检测的目的在于在焊接过程中及时通过检测中发现的问题以调整和控制焊接工艺，从而保证所有焊接工作的质量，而不是在焊接工作全部完成后进行检测以检查焊接质量。