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1.4 钢制容器焊后热处理

1.4.1 常用热处理

1.4.1.1 压力容器的常用热处理

(1)正火处理

①目的。正火处理的目的主要是改善母材及焊缝的综合力学性能,提高韧性和塑性,细化晶粒,消除冷作硬化,便于加工。

②方法。正火处理即是把所要处理的工件,摆放在加热设备里,根据不同的材料及性能要求选择相应的加热温度,保温时间按1.5~2.5min/mm(工件有效厚度)计算。保温结束后,出炉空冷、风冷或者雾冷。

③应用。压力容器常用钢材,如Q345R、Q370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R等材料正火后还需补充回火,以改善钢材的组织性能。另外,采用电渣焊的压力容器往往通过正火处理改善焊缝组织,细化晶粒,同时为超声波检测提供条件。

(2)调质处理

①目的。通过调质处理使材料获得一定的强度、硬度和良好的韧性。调质后组织一般为回火索氏体。与正火相比,在相同硬度下,调质处理后的强度、塑性和韧性较正火有明显提高。

②方法。调质处理就是淬火加高温回火。淬火即是把要处理的工件摆放到加热设备里,根据不同的材料选择加热温度,保温时间按1.5~3min/mm(工件有效厚度)计算。保温结束后,在淬火介质中冷却。常用的淬火介质有水、油、盐水等,淬火结束后需高温回火,回火温度根据材料性能要求来确定。

③应用。常用的如高压主螺栓35CrMoA、主螺母40Mn、管板20MnMo等材料,由于正火处理性能达不到要求,需做调质处理,以提高其综合性能。但调质处理也存在一些缺点,由于淬火冷却速度过快,易造成工件变形甚至开裂,同时对热处理设备要求也较高。

(3)固溶处理

①目的。加热使碳化物充分溶入奥氏体,再以足够快的速度快冷将这些碳化物固定在奥氏体中。经固溶处理后奥氏体不锈钢具有最低的强度、最高的塑性及优良的耐蚀性。

②方法。将工件摆放在加热设备里,根据不同的材料将工件加热到1000~1150℃之间,保温时间按2~3min/mm(工件有效厚度)计算,结束后,快速下水冷却,薄壁管子可以空冷。

③应用。压力容器用不锈钢如0Cr18Ni9(06Cr19Ni10)、00Cr19Ni10(022Cr19Ni10)、0Cr17Ni12Mo2(06Cr17Ni12Mo2)、00Cr17Ni14Mo2(022Cr17Ni12Mo2)、0Cr18Ni12Mo2Ti(06Cr17Ni12Mo2Ti)等板材、封头都应经过固溶处理。固溶处理也是奥氏体不锈钢最好的一种消除应力的热处理方法。

(4)稳定化处理

①目的。稳定化处理是在适当温度下使铬碳化合物分解,使铬充分扩散到晶界附近贫铬层,促使钛、铌等稳定化元素与碳结合生成更稳定的化合物,避免奥氏体不锈钢中铬的损失。经过处理的焊接接头即使再加热到敏化温度,也不会导致腐蚀。

②方法。将工件加热到850~900℃,保温足够长的时间,然后快速下水冷却。

③应用。含稳定化元素奥氏体不锈钢0Cr18Ni12Mo2Ti(06Cr17Ni12Mo2Ti)、0Cr18Ni10Ti(06Cr18Ni11Ti),焊接后稳定化处理,除了能提高焊接接头耐蚀性外,还可使残余应力消除80%左右。

(5)消除应力热处理

①目的。主要是消除焊接过程中产生的内应力及冷作硬化,焊后热处理(PWHT)是其中最重要的一种,目的是改善焊缝及热影响区的组织,使焊缝中的氢完全扩散,提高焊缝的抗裂性和韧性,稳定结构形状。

②方法。焊后热处理加热温度根据材料不同而不同,工件加热方法多种多样,可分整体焊后热处理和局部焊后热处理两大类。整体焊后热处理又可分炉内整体热处理和内部加热整体热处理,后者通常用于大型容器的现场热处理。局部焊后热处理常用的方法有炉内分段热处理和圆周带状加热热处理(电加热带)。

③应用。焊后热处理(PWHT)用于一些低合金高强度容器焊接完工后的焊接应力去除,是压力容器制造中最重要的热处理方法。对于一些特殊材料和结构,也有在成形阶段和焊接中间阶段安排消除应力热处理。

1.4.1.2 焊后热处理要求

容器及其受压元件按材料、焊接接头厚度(即焊后热处理厚度 δ PWHT )和设计要求确定是否进行焊后热处理。压力容器焊接工作全部结束并且经过检验合格后,方可进行焊后热处理。焊后热处理应当符合以下要求。

①在耐压试验前进行。

②根据设计图样和标准的要求在热处理前编制热处理工艺,对需要进行现场热处理的,具体提出现场热处理的工艺要求。

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关系曲线。

④奥氏体不锈钢和有色金属钢制压力容器焊接后一般不要求做焊后热处理,如有特殊要求需要进行焊后热处理时,应当在设计图样上注明。

1.4.1.3 焊后热处理方法分类

焊后热处理方法多种多样,常用方法如图1-1-6所示。

图1-1-6 焊后热处理分类

在压力容器标准规范中,焊后热处理一般按炉内、局部和内部加热三种基本方式分类,如ASME,BS,ISO/DN等标准均是按此分类的。

1.4.2 整体热处理方法

压力容器整体消应力热处理可以分为容器在加热炉内加热和在容器内部加热两种方法,热源可以是电、油、煤气等,不得使用燃煤炉进行焊后热处理。两种方法效果有差异,适用范围也不尽相同。在有可能的情况下,应优先采用炉内整体加热方法。

(1)炉内加热消除应力热处理 对于炉内加热,具体过程如下(焊后热处理操作)。

①准备工作:装炉前检查炉体是否完好,容器焊接工作必须完成,对于直径较大、壁较薄易变形的容器一定要采取可靠的防变形措施。

②焊件进炉时,炉内温度一般不高于400℃。

③焊件升温至400℃后,加热区升温速度不得超过(5500/ δ PWHT )℃/h,且不得超过220℃/h,一般情况下不低于55℃/h。

④升温时,加热区内任意4600mm长度内的温差不得大于140℃。

⑤保温时,加热区内最高与最低温度之差不宜超过80℃。

⑥升温及保温时应控制加热区气氛,防止焊件表面过度氧化。

⑦炉内高于400℃时,加热区降温速度不得超过(7000/ δ PWHT )℃/h,且不得超过280℃/h,一般情况下不低于55℃/h。

⑧焊件出炉时,炉温不得高于400℃,出炉后应在静止空气中继续冷却。

(2)容器内部加热消除应力热处理 将电加热器放置在容器内部加热,外部用保温材料进行保温;也可用燃油、燃气在容器的开口处用烧嘴加热,以容器为燃烧室,外部用保温材料保温。特别是在接管、法兰等处易产生温度死角,温差较大,必要时应局部辅以电加热。所以这种加热方式受到了限制。

1.4.3 局部、分段热处理方法

(1)局部热处理 在容器制造过程中,由于热处理设备的原因或出于制造过程的考虑,可以采用局部热处理方法。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。局部热处理有效加热范围应符合下列规定。

①焊缝最大宽度两侧各加 δ PWHT 或50mm,取两者较小值。

②返修焊缝端部方向上加 δ PWHT 或50mm,取两者较小值。

③接管与壳体相焊时,应环绕包括接管在内的筒体全圆周加热,且在垂直于焊缝方向上自焊缝边缘加 δ PWHT 或50mm,取两者较小值。

局部热处理的有效加热范围应确保不产生有害变形,当无法有效控制变形时,应扩大加热范围,例如对圆筒全周长范围进行加热;同时,靠近加热区的部位采取保温措施,使温度梯度不致影响材料的组织和性能。

(2)分段热处理 在容器制造过程中,当无法整体焊后热处理加热时,允许分段加热进行。分段热处理时,其重复加热长度应不小于1500mm,且相邻部分应采取保温措施,使温度不致影响材料的组织和性能。焊后热处理操作应符合1.4.2(1)的规定。 RNypeS7UP98JWWIHQnvfSUfqklsJVMEFEAQuMRoW5ISsVyeK4oKV+MA6EkKCqrUc

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