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压力容器热处理的几个问题

文档作者: 姜彦锋        文档来源: 中国石油辽阳石化机械厂
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更新时间: 2021年03月01日
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一 26一 ■技术交流 2石0油10与年化第工设备 13卷 压力容器热处理的几个问题 姜彦锋 (中国石油辽阳石化机械厂,辽宁辽阳11 1003) [摘 要]针对压力容器制造中涉及到的几种常见热处理形式,分别明确其对象和作用,避免将针对原材料或零部件的热 处理与压力容器产品的最终热处理相混同,以确保达到设计要求的材料性能。 [关键词]热处理;正火; 固溶;稳定化;调质 1问题的提出 金属热处理工艺学和其他自然科学一样,是 伴随着生产力的发展而发展的,并和其他科学技 术的发展紧密相关。热处理工艺是古代冶金技术 发展的结果,作为冶金技术的一部分,逐渐发展 形成一门科学。近年来我厂时常遇到一些问题: 在制造过程中,将本应针对且只能针对零部件的 预备热处理与产品的最终热处理混合使用,分辨 不清,造成了材料的组织和性能与原设计要求不 符。具体体现在对碳钢和低合金钢制造的压力容 器淬火(加回火)、正火(加回火)两种情况; 及对奥氏体不锈钢固溶(加稳定化处理)处理情 况。 GB150—1998《钢制压力容器》4.2.4中指出: “对容器制造过程中需要进行热处理的碳素钢和 低合金钢钢板,钢厂的交货状态可不用表4—1(钢 板的钢号、标准、使用状态及在一系列温度下的 许用应力)中的使用状态”[1】。ASMEⅧ .1 UG一85 中对此也强调,应有资料证明相应钢材规范要求 的热处理已经进行并检验合格 】。制造是依据设计 进行的材料加工,确保材料使用状态符合设计要 求是制造的基本要求。因此,应当明确热处理的 目的与作用及其相应关系。 2问题分析 热处理按工艺一般分为最终热处理和预先热处 理两类。最终热处理的目的是使零件或产品达到设 计使用的性能要求,而预先热处理的目的则是消除 或改善前工序引起的缺陷,为后续工作做好性能与 组织准备。同一种热处理方式在作用于不同的对象 时,分别称为最终热处理和预先热处理。例如:当 焊后热处理只针对零部件使用时,它就是预先热处 理:而针对整台产品使用时,则为最终热处理。下 面是几种最常用的热处理形式: 2.1焊后热处理 2.1.1焊后去应力热处理。利用金属在高温下屈服强 度的降低, 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一种热处理,属去应力退火 (低温退火)。对碳钢和低合金钢制压力容器是将 产品缓慢加热到500~650℃ , 保温一定时间,然后随 炉均匀冷却。应力是弹性体晶格对变形的响应。焊 后热处理可以起到: ① 改善焊接接头的塑性和韧性,提高抗应力 腐蚀能力; ② 消除焊接接头中的内应力和冷作硬化,提 高接头抗脆断能力; ③ 稳定焊接构件形状,避免在焊后机加工和 使用过程中的变形; ④促使焊缝中的氢向外扩散; ⑤ 有些压力容器对安全性能有较高的要求 (如盛装极度或高度危害介质),进行焊后热处 理可以提高其安全裕度。 焊后热处理具有多种作用, 有时可以与消氢 处理、恢复及改善性能热处理合并进行。可以消 除封头、筒体等零部件冷成形及中温成形后的残 余应力。 2.1.2消氢处理。焊后立即将焊接件加热到较高 温度,提高氢在钢中的扩散能力,使焊缝金属中 过饱和状态的氢原子加速扩散逸出, 以降低容器 产生延迟裂纹可能性的一种热处理。通常加热到 200~35O℃ ,保温时间与焊接接头厚度有关,一般 应不少于0.5 h。需要消氢处理的容器,如在焊后随即 进行焊后消除应力热处理,可免做焊后消氢处理, 但要控制在16~24 h以内。 作者简介:姜彦锋(1 982一),男,黑龙江五常人,本科学 历,助理工程师,中国石油辽阳石化分公司机械厂技术员。 学兔兔 www.xuetutu.com 第9期 姜彦锋压力容器热处理的几个问题 一27一 并不是所有金属材料焊接时都会产生延迟裂 纹。延迟裂纹的产生与材料的强度级别和化学成 分有关,只有强度级别较高的低合金钢才可能发 生这一现象。一般需要进行消氢处理的压力容器 需要进行焊后热处理,而需要焊后热处理的设备 不一定都需要消氢处理。 消氢处理在GB/T7232—1999《金属热处理工艺 术语》中被称为:脱氢处理,即在工件组织不发 生变化的条件下,通过低温加热、保温,使工件 内的氢向外扩散进入大气中的退火【 。 2.2正火 正火是工业上常用的热处理工艺之一。正火 既可作为预备热处理工艺, 为下续热处理工艺提 供适宜的组织状态,例如为过共析钢的球化退火 提供细片状珠光体, 消除网状碳化物等;也可作 为最终热处理工艺,提供合适的机械性能,例如 碳素结构钢零件的正火处理等。此外,正火处理 也常用来消除某些处理缺陷。例如,消除粗大铁 素体块,消除魏氏组织等。一般正火加热温度为 AC3+ (30~50℃),保温一定时间r_一般正火保温 时间以工件烧透(即心部达到要求的加热温度)为 准],使奥氏体均匀化,然后出炉在空气中或以其 他适当方式冷却。必须指出,正火是为了获得细珠 光体组织,对于某些合金钢,空气冷却已超过其临 界冷却速度,从而发生了贝氏体或马氏体转变,这 时的“空气冷却” 已属于淬火而非正火了。 在实际生产中,正火加热温度常常略高于上 述温度。提高加热温度能够促进奥氏体均匀化, 增大过冷奥氏体的稳定性。在常用钢材的正火加 热温度中,如果正火作为预先热处理,宜取上限 温度,这样有利于组织均匀化;如果正火作为最 终热处理,则取下限温度,可得到较细小的奥氏 体晶粒。 2-3固溶处理 固溶处理是将奥氏体不锈钢加热到 1010~1 120℃左右(具体温度视钢种而异),经 适当保温使碳化物尽量溶入奥氏体基体,然后快 速冷却至室温使碳化物来不及析出呈过饱和状态 固溶在基体中, 以获得单相奥氏体组织的一种热 处理。固溶处理是为了获得适宜的晶粒度, 以保 证合金高温抗蠕变性能。奥氏体不锈钢的正常交 货状态是固溶状态。在压力容器中, 固溶处理可 以起到的作用有: ① 对于非超低碳奥氏体不锈钢, 固溶处理是 防止晶间腐蚀的重要手段; ② 对于经热成形的受压元件可采用固溶处理 达到恢复原有性能的目的; ③ 对于冷成形或使用工况改变了其奥氏体组织 状况的,可根据实际情况通过固溶处理予以恢复。 例如,冷成形的奥氏体不锈钢受压元件在设计温度 处于敏化温度范围并且加工变形率超过某一限度 时,应进行成形后的热处理。ASMEⅧ 一1 UHA-44规 定:对于304型和3 l 6型奥氏体不锈钢受压元件,当 设计温度在580~675℃ 的范围内,且加工变形率超 过20%时;或设计温度超过675℃,且加工变形率超 过10%时,应在冷成形后进行热处理『4】。再如,奥 氏体不锈钢受压元件在深冷工况使用时,可以采 用冷成形后进行固溶处理的方式恢复低温韧性。 2.4稳定化处理 稳定化处理: 为使工件在长期服役的条件 下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内的热处 理。根据崔克清主编的《安全工程大辞典》,稳 定化处理是含钛或含铌的奥氏体不锈钢的一种提 高抗晶问腐蚀能力的热处理方法。在奥氏体不锈 钢冶炼时加入数倍于含碳量的钛或铌元素,可在 形成Cr ,C 之前优先形成钛或铌的碳化物,这些 碳化物几乎不固溶于奥氏体中。当焊接作业从高 温冷却时, 即使经过易析出Cr C 的敏化温度区 间(850~450℃)时也不会沿晶界大量析出Cr2,C , 从而大大提高了抗晶间腐蚀的能力。为了使钢达 到最大的稳定度,还应作稳定化处理,将构件加 热至900℃ 使Cr: C 充分溶解到奥氏体中,而此时 让钛和铌充分形成非常稳定的碳化钛和碳化铌, 然后在空气中冷却,即使经过敏化温度时,也无 cr ,c 在晶界析出。经稳定化处理后的奥氏体不锈 钢可大大降低晶问腐蚀的可能性。 稳定化处理只适用于在晶间腐蚀环境下选用 含稳定化元素(Ti或Nb)奥氏体不锈钢的场合。 压力容器制造中可以单独进行稳定化处理,考虑 到奥氏体不锈钢的正常交货状态是固溶状态,所 以稳定化处理是固溶处理后的追加热处理。 稳定化处理在GB/T7232—1999《金属热处理工 艺术语》中被称为:稳定化退火, 即为使工件中微 细的显微组成物沉淀或球化的退火口】。例如某些奥 氏体不锈钢在850℃ 附近进行稳定化退火,沉淀出 TiC、NbC、TaC,防止耐晶问腐蚀性能降低。 2.5调质处理 调质处理:淬火后高温回火的热处理方法称 为调质处理。高温回火是指在500—650~C之间进行 回火。调质可以使钢的性能、材质得到很大程度 学兔兔 www.xuetutu.com . 28一 ■ 技术交流 2石0油与化工设备 10年第13卷 的调整,其强度、塑性和韧性都较好,具有良好的 综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体。回火 索氏体(tempered sorbite)是马氏体于回火时形成 的,在光学金相显微镜下放大500~600倍以上才能 分辨出来,其为铁素体基体内分布着碳化物(包括 渗碳体)球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回 火组织,是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的 铁素体己基本无碳的过饱和度,碳化物也为稳定型 碳化物,常温下是一种平衡组织。 调质常应用在中碳(低合金)结构钢, 也 用在低合金铸钢中。总之力学要求高的结构零部 件都要进行调质处理。调质处理的目的是使钢件 有很高的韧性和足够的强度,具有综合的优良机 械性能。例如高压紧固件和地脚螺栓通常采用的 40MnB、35CrMoA等合金钢通过调质处理才能达 到要求的力学性能。 针对我厂生产实际情况,钢材在热加工后可 能会改变钢材的供货状态,可根据设计要求的钢 材使用状态对热加工后的受压元件进行必要的热 处理。 ① 热轧状态使用的钢材, 热加工后的受压元 件一般可不重新进行热处理; ② 正火状态使用的钢材, 热加工后需重新进 行正火处理。如果热加工时的加热温度与钢材的 正火温度相当, 且随炉的热加工工艺试板经评定 合格,可不重新进行正火热处理; ③ 正火加回火使用状态的钢材,热加工后需 重新进行正火加回火处理。如果热加工时的加热 温度与钢材的正火温度相当,且随炉的热加工工 艺试板经正火处理后评定合格,则该受压元件热 加工后可仅作回火处理; ④ 调质状态使用的钢材, 受压元件热加工后 应重新进行调质处理; ⑤ 奥氏体不锈钢的热加工受压元件应控制热 加工终了温度在850℃ 以上,加热后应快冷。如有 晶问腐蚀试验要求,热加工后应对受压元件本身 或热加工工艺试板进行试验评定,若试验结果不 合格,则应进行固溶处理(加稳定化热处理)。 热处理是使金属材料升温、保温然后冷却的 过程,应当从本质上把握加热温度、升温速度、 保温时间和冷却速度对性能的影响。淬火(加回 火)、正火(加回火)、固溶处理(加稳定化处 理)有一个共同特点,就是在加热到要求的温度 后, 经过一段时间的保温后要快速冷却, 以实现 改善钢材微观组织及使其组织均匀性的目的。而 压力容器因具有密闭空间难以实现快速冷却。需 要采用上述材料状态制造的往往是重要的压力容 器, 确保设计文件要求的钢材供货状态不被破坏 显得尤为重要。 3问题的解决 (1)如受压元件在加工过程中有可能改变了 材料的组织状态和力学性能,则在加工后应进行 必要的热处理恢复其供货状态; (2)对设计部门而言,选材需要综合考虑制 造对其性能的不利影响因素, 以使材料最终使用 状态符合设计选材需要; (3)无论是“预先热处理”还是“最终热 处理” , 都是金属的热处理工艺在实际生产中的 一种表述。重要的不是概念的表述,而是明确内 涵,搞清楚概念所对应的热处理对象。 ◆参考文献 [1】GB150.1998,钢制压力容器fs1. 『21 ASⅧ Ⅷ一l UG-85[S]. [3]GB厂r7232.1999,金属热处理工艺术语【S1. 『41 AS MEⅧ .1 U队44rS1. [5 】GBI51.1999,管壳式换热器fs1. 【6]TSG R0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程fs】
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