压力容器热处理基本常识

发布者: 发布时间:2017/6/16 11:12:43 阅读:次 【字体:

   

  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。

  随着石油、化工等工业的发展,压力容器广泛应用于各工业部门,其工作温度范围越来越宽,容量不断增大,有些还要求耐介质腐蚀。压力容器主要为圆柱形,也有球形或其他形状。根据结构形式,可分为多层式压力容器、绕板式压力容器、型槽绕带式压力容器、热套式压力容器、锻焊式压力容器和厚板卷焊式压力容器等。大多数压力容器由钢制成,也有的用铝、钛等有色金属和玻璃钢、预应力混凝土等非金属材料制成。压力容器所用的全部金属材料要具有优良的性能,包括材料的力学性能、耐腐蚀性、耐高温性和制作工艺等。压力容器在使用中如发生爆炸,会造成灾难性事故。因而,焊接工作者应具备专业的焊接技能,保证完成的焊接产品的内外质量。

  复合钢板是由不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板为复层,珠光体钢为基层,以爆炸焊、复合轧制、堆焊等方法制成的双金属板材。复合钢板的基层应满足接头强度和刚度的要求,复层应满足耐蚀等要求。为了保证复合钢板不失原有的综合性能,对基层和复层必须分别进行焊接。

  基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接,其焊接性主要取决于基层和复层的物理性能、化学成分、接头形式、填充金属成分。目前应用较多的是奥氏体不锈钢为复层、珠光体为基层的复合钢板,其次是铁素体钢为复层、珠光体为基层的复合钢板。

  一、焊接要点

  1、焊接方法

  在焊接复合钢板时,通常采用焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护焊及等离子弧焊等焊接方法。目前常用钨极氩弧焊或焊条电弧焊焊接复层,用埋弧焊或焊条电弧焊焊接基层。

  2、坡口形式

  对接接头坡口形式可采用V形、X形、V和U联合形坡口。也可以在接头背面一小段间隔内进行机械加工,去掉复层金属,以确保焊接基层焊道时不使基层焊肉焊到复层上。一般尽可能采用X形坡口双面焊,先焊基层,再焊过渡层,最后焊复层,以保证焊接接头具有较好的耐腐蚀性。

  同时,还应考虑过渡层的焊接特点,尽量减少复层一侧的焊接工作量。无论复层位于内侧或外侧,均先焊接基层。复层位于内侧时,在焊复层以前应从内侧对基层焊根进行清根。复层位于外侧时,应对基层最后焊道进行修磨光。焊复层时,先焊过渡层,再焊复层。

  3、填充金属选择

  在大多数情况下,选用合适的中间填充金属作为钢的过渡层,从而控制复层金属终极焊道的含铁量,避免复层和基层处焊道产生脆化、裂纹等,保证复层焊道的耐蚀、耐磨等特殊性能。

  4、焊接顺序及焊材选用

  ① 通常先焊基层,第一道基层(碳钢、低合金钢)焊缝不应熔透到复层金属,以防焊缝金属发生脆化或产生裂纹。

  ② 焊(堆焊)复层一侧时,必须考虑稀释的影响。所以在焊接复合板的复层时,应选择合适的填充金属先堆焊一层或多层过渡层,然后再焊复层。过渡层的填充金属必须能容许基层钢的稀释。

  ③ 根部可用碳弧气刨、铲削或磨削法进行清根。在堆焊过渡层前,必须清除焊根坡口中的任何残余物。

  ④ 要焊后热处理以消除焊接残余应力,选择热处理温度时应考虑:基层和复层的热处理规范的差异;对复层耐蚀性的影响;基层和复层界面的元素扩散是否会产生脆性相,导致钢板性能恶化;由于基层和复层的物理性能差异,导致复层产生应力腐蚀开裂等。

  5、焊后热处理

  消除应力热处理可在焊完基层后进行,然后焊过渡层,再焊复层。热处理温度取下限,延长保温时间。

  二、焊接难点及解决方案

  1、焊接基层时,由于板厚较大,焊接接头承受有较大的拘束应力;在焊接热循环的作用下,热影响区易产生马氏体淬硬组织,使焊接接头硬度和脆性增加,韧性和塑性显著降低。这些因素都会导致焊接裂纹的产生。为了有效预防焊接裂纹的产生,可采取的措施有:选用低氢型焊条;焊条使用前按要求进行烘干;仔细清理坡口表面水、油、锈等杂质;选择合理的焊接工艺参数,如焊前预热、焊后缓冷、采取多层多道焊、控制层间温度等;选择合适的施焊顺序,以减小焊接应力等。

  2、在用不锈钢焊条(A002)焊接复层时,易熔化基层,使焊缝金属成分稀释,从而降低焊缝金属的塑性及耐蚀性,熔合区的脆性明显增加。因此,焊接复层时,一定要控制焊接线能量,采用多层多道焊,以减小焊接熔深。

  3、在用奥氏体钢焊条(A302)焊接过渡层时,焊缝易产生热裂纹。同时,过渡区会发生碳的迁移过程:即碳由低铬的基层向高铬的不锈钢熔敷金属转移,因此,基层和复层的交界处形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层,引起熔合区的脆化(或软化),持久强度降低,易产生疲劳裂纹。宜采用小直径焊条,快速多道焊,必要时可采用浇冷水的方法以加速冷却,阻止脱碳层的形成,使焊接接头具有高的强度和韧性。

  复合钢板容器组对安装的关键是焊接问题,而焊接工作的关键是过渡层的焊接,因此,掌握以上复合钢板的焊接要点极有必要。

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