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[推荐] 焊后热处理有关问题 [帖子3260528]

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发表于 2021-10-13 08:21:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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热处理作为一种传统并行之有效的改善和恢复金属性能的方法在压力容器设计、制造等环节中一直属于相对薄弱的环节。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。这里重点对压力容器设计中应用广泛的焊后热处理的有关问题予以讨论。

1
焊后热处理(消除应力热处理)的目的

1.松弛焊接参与应力。

2.稳定结构的形状和尺寸,减少畸变。

3.改善母材、焊接区的性能,包括

a.提高焊缝金属的塑性。

b.降低热影响区硬度。

c.提高断裂韧性。

d.改善疲劳强度。

e.恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。

4.提高抗应力腐蚀的能力。

5.进一步释放焊缝金属中的有害气体,尤其是氢,防止延迟裂纹的发生。

2
奥氏体不锈钢制压力容器是否需要焊后热处理
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。”

3
爆炸不锈钢复合钢板制容器的热处理


爆炸不锈钢复合钢板因其优越的耐蚀性能与机械强度的完美组合及其合理的性价比,因此在压力容器行业的应用越来越广,但是这种材料的热处理问题也应引起压力容器设计人员的注意。

压力容器设计人员对于复合板通常比较重视的技术指标是其结合率,而对于复合板的热处理问题往往考虑的很少或者认为这一问题应由相关的技术标准及制造厂考虑。



爆炸加工金属复合板的过程,本质上是在金属表面施加能量的过程。在高速脉冲作用下,复材向基材倾斜碰撞,在金属射流状态下,复层金属与基层金属间形成锯齿状的复合界面,达到原子间的结合。



经过爆炸加工后的基材金属,实际上是经受了一次应变强化的加工过程。其结果是抗拉强度σb上升,塑性指标下降,屈服强度值σs不明显。无论是Q235系列的钢材还是Q345R,经过爆炸加工后再检测其机械性能指标,都呈现出上述应变强化现象。



因此在现行的有关技术标准中对于爆炸加工后的奥氏体不锈钢板的热处理进行了规定。NB/T47002.1-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》第一部分:不锈钢-钢复合板规定为:“复合钢板应经热处理、校平、剪边(或切割)供货,复合板的热处理状态应符合GB150或JB4732中对应的基材的规定。根据需方要求,并在合同中注明,覆材表面可经喷砂、抛光或酸洗等处理。



4
能否用其他方式代替设备的整体热处理



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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