焊接接头系数的探讨？

焊接接头系数φ的思考

工程上所用的钢制压力容器，除公称直径较小的以外，绝大多数属于焊接钢制压力容器。其主要受压元件为圆筒和封头，圆筒（DN≥300mm）和封头（DN≥1200mm）一般都有焊缝。因此，在设计时，焊接接头系数选择的正确与否，直接涉及到容器受压元件的安全可靠性和人身安全，同时也涉及到容器的经济合理性。
这一问题的提出，是因为本人工作中常常遇到采用钢管作为容器的圆筒，而在计算中将环焊缝的焊接接头系数代入到第一主应力的公式中，显然是不合适的。
我们知道，由于焊缝处存在缺陷和残余应力等因素，从而降低了材料的强度（或许用应力），焊接接头系数就是人们根据焊接接头缺陷的多少（在此用无损检测的比率和合格级别为保证），人为降低材料的许用应力，从而增加受压元件的计算厚度。
由薄壳无力矩理论分析得到的圆筒和球壳的二维主应力（薄膜应力）为：
第一主应力σ1（周向应力或环向应力或切向应力）：
　　筒体pcDm/2δ　　球壳pcDm/4δ
第二主应力σ2（轴向应力，球壳为径向应力）：
　　筒体pcDm/4δ　　球壳pcDm/4δ

对于椭圆封头，由胡金伯格（Huggenberger）方程（薄膜应力）可推出，在封头中心处，经向应力与周向应力(环向应力)为最大。
　　
上面各式中：
pc——计算压力
δ——计算壁厚
Dm——平均直径

GB150采用的是第一强度理论（最大主应力理论），受压圆筒的轴向应力仅为周向应力的一半，故周向应力为最大主应力。只有圆筒的环向焊接接头系数小于纵向焊缝系数一半时，应按第二主应力进行计算。GB150－89中的焊接接头系数φ最小为0.8，实际上已排除了按第二主应力进行计算。所以对于圆筒，焊接接头系数φ是指纵向焊缝（即A类焊缝）的系数。
对于椭圆封头，最大应力的位置在封头的中心处，且经向应力与周向应力相等。故椭圆封头的计算中，焊接接头系数φ应选1.0，并不考虑环焊缝的影响。当然，焊缝的质量还是有要求的，例如无损检测的要求。对于直径（DN≤1200mm）较小无拼接焊缝的椭圆封头，焊接接头系数φ也应选1.0。其它情况仍按GB150选取焊接接头系数。
注：对于容器而言，在某种情况，圆筒既承受压力又承受轴向弯矩，所以圆筒内除轴向薄膜应力，还有轴向弯曲应力，两者叠加后若超过周向薄膜应力，则应考虑环焊缝的影响。本文未讨论这一情况