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压力容器热处理基本小知识

来源:濮阳市瑞德压力容器有限公司    发布时间:2019-08-28

   压力容器涉及四种热处理:焊后热处理(消除应力热处理);改善材料性能热处理;恢复材料性能热处理;焊后消氢处理。



基本概念



       焊后热处理(消除应力热处理):广义地说,焊后热处理就是在工件焊完之后对焊接区域或焊接构件进行的热处理。其内容包括消除应力退火、完全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、低温消除应力、析出热处理等。狭义地说,焊后热处理仅指消除应力退火,即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响,从而对焊接区及有关部位在金属相变温度点以下均匀而有充分地加热,然后又均匀冷却的过程。许多情况下所讨论的焊后热处理实质上就是焊后消除应力热处理。


       改善材料性能热处理:需要通过热处理来达到材料的设计强度、韧性指标的,如螺栓材料35CrMoA,原材料为热轧状态,图样要求使用状态为调质,调质处理提高了材料的性能。


      恢复材料性能热处理:制造中因冷加工成形使材料发生较大变形或组织发生较大变化而影响材料微观组织和力学性能时,或当要求材料的使用热处理状态与供货状态一致,但在制造过程中破坏了材料的供货热处理状态时,应对受压元件进行恢复材料性能热处理。


        焊后消氢处理:是指在焊接完成以后,焊缝尚未冷却至100℃以下时,进行的低温热处理。一般规范为加热到200~350℃,保温2-6小时。焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出,对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。



实施要求



      (1)制造单位应编制热处理工艺文件并严格实施,需进行现场热处理的,还应单独提出现场热处理的具体要求。


      (2)焊接工作全部结束并经过检验合格后,方可进行焊后热处理,所有种类的热处理均应在耐压实验前进行。


      (3)热处理(装置)炉配有自动记录曲线的测温仪表,并且绘制热处理的时间与温度的曲线。



奥氏体不锈钢热处理



        焊后热处理是利用金属材料在高温下屈服极限的降低,使应力高的地方产生塑性流变,从而达到消除焊接残余应力的目的,同时可以改善焊接接头及热影响区的塑性和韧性,提高抗应力腐蚀的能力。这种消除应力的方法在具有体心立方晶体结构的碳素钢、低合金钢制压力容器中被广泛采用。奥氏体不锈钢的晶体结构是面心立方,由于面心立方晶体结构的金属材料比体心立方具有更多的滑移面,因而表现出良好的韧性和应变强化性能。另外,在压力容器设计中,选用不锈钢往往是为了防腐蚀和满足温度的特殊要求这两个目的,加上不锈钢与碳素钢和低合金钢相比价格昂贵,所以其壁厚都不会很厚。因此,从正常操作的安全性考虑,没有必要对奥氏体不锈钢制压力容器提出焊后热处理的要求。至于因使用而出现的腐蚀,材料不稳定,如:疲劳,冲击载荷等不正常操作条件而带来的恶化情况,在常规设计中是难以考虑的。如果存在这些情况,需要由有关的科技人员(如:设计、使用、科研等有关单位)经过深入研究,对比实验,拿出切实可行的热处理方案并确保压力容器的综合使用性能不受影响。否则,如果没有充分考虑热处理对于奥氏体不锈钢制压力容器的需要与可能,简单地类比碳素钢与低合金钢的情况而对奥氏体不锈钢提出热处理要求,往往是行不通的。


        在现行标准中,对奥氏体不锈钢制压力容器是否进行焊后热处理的没有明确要求。在GB150.4《压力容器》第8.2.4条中规定:“当需要对奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢进行焊后热处理时,按设计文件规定”。在GB150.4《压力容器》第8.2.5条中规定: “除设计文件另有规定,奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢的焊接接头可不进行热处理”。 TSG21-2016 “容规”的第3.2.11条规定:“奥氏体不锈钢和有色金属制压力容器焊接后一般不要求做焊后热处理,如有特殊要求需进行热处理时,应当在设计图样上注明。”



整体热处理



        由于受制造厂条件限制,及经济利益的考虑,许多人曾探索用其他方式代替压力容器的整体热处理,虽然这些探索是有益和可贵的,但是目前还不能替代压力容器的整体热处理。在目前有效的标准和规程中,还没有放宽对整体热处理的要求。在各种代替整体热处理的方案中比较典型的有:局部热处理,锤击法消除焊接残余应力,爆炸法消除焊接残余应力及振动法,热水浴法等。


       局部热处理:在GB150.4《压力容器》8.2.6.5中规定:“B、C、D、E类焊接接头,球形封头与圆筒连接接头以及缺陷焊补部位,允许采用局部热处理方法。”这条规定意味着筒体上的A类焊缝不允许采用局部热处理方法,即:整台设备不允许采用局部热处理方法,原因之一是焊接残余应力不能够对称消除。


       锤击法消除焊接残余应力:即通过人工锤击,在焊接接头的表面迭加一层压应力,从而部分抵消残余拉应力的不利作用。这种方法从原理上讲对防止应力腐蚀开裂是会有一定抑制作用的。但是由于在实践操作过程中没有量化指标和较严格的操作规程,加上对比使用的验证工作不够,而未被现行标准所采用。 


        爆炸法消除焊接残余应力:是将炸药特制成胶带状,在设备的内壁粘在焊接接头表面上,其机理与锤击法消除焊接残余应力相同。据说此法可以弥补锤击法消除焊接残余应力的一些不足之处,但是,有单位在两个条件相同的液化石油汽储罐上分别采用整体热处理和爆炸法消除焊接残余应力进行对比试验,一年后开罐检查发现前者焊接接头完好如初,而经爆炸法消除焊接残余应力储罐的焊接接头则出现许多裂纹。这样,曾风行一时的爆炸法消除焊接残余应力方法也就无声无息了。还有一些其他的消除焊接残余应力的方法,由于种种原因都没有被压力容器行业所接受。


         总之,压力容器焊后整体热处理(含炉内分段热处理)虽然具有能耗大,周期长的不足,且在实际操作中因压力容器结构等因素面临种种困难,但它仍是目前压力容器行业中唯一被各方面都能接受的消除焊接残余应力的方法。



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