鍋爐壓力容器常用鋼材焊后熱處理規(guī)范各參數的確定

蔡占河+程瑞廠

摘 要：焊后熱處理是焊制承壓設備的一項重要工藝和環(huán)節(jié)。焊后熱處理是指焊制后，為消除焊接殘余應力，改善焊接接頭的組織和性能，將焊件均勻加熱到金屬相變點以下的某個溫度值（或區(qū)間），并保持一定的時間，然后均勻冷卻的過程。這里所述的溫度值、時間是指焊后熱處理規(guī)范參數中的保溫溫度和保溫時間。確定保溫溫度和保溫時間是制定焊后熱處理工藝的關鍵所在。GB/T30583-2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》原則上對焊后熱處理保溫溫度和保溫時間給予規(guī)定，我們應該認真執(zhí)行。焊后熱處理工藝規(guī)程是一個專業(yè)性和實踐性非常強的技術文件，工藝人員應根據各鋼材的特性，結合設計文件、制造工藝和質量管理情況來擬定焊后熱處理工藝規(guī)程。本人就此談一點自己的看法。

關鍵詞：鍋爐 壓力容器 鋼材 參數

中圖分類號：TG441 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）10-0202-02

一、問題提出

1.焊接對接接頭的組織和性能影響

焊接是焊件在局部區(qū)域受高溫熱源和局部約束應力共同作用下，經過加熱和冷卻形成焊接接頭。由于焊接時加熱溫度很高，加熱和冷卻速度很大（4～100℃/s），焊接接頭各個位置經受非常不均勻加熱和冷卻過程，使焊接接頭中存在焊接殘余應力，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)化學成分、金相組織都有很大變化，與母材相比均有不同程度降低。為了滿足承壓設備安全使用，改善焊接接頭組織和性能，需采用焊后熱處理工藝。

2.焊后熱處理主要作用

焊后熱處理是改善焊接接頭使用性能的有效工藝措施，其主要作用如下：

2.1消除殘余應力；2.2提高抵抗應力腐 蝕的能力；2.3 改善組織并提高其穩(wěn)定性；2.4提高沖擊韌性、強度和抗蠕變性能；

2.5降低焊接接頭的硬度。

二、影響焊后熱處理效果的主要參數

1.焊后熱處理的保溫溫度的影響

1.1保溫溫度對消除殘余應力的影響

鋼材在不同溫度下具有不同的屈服強度值，一般情況下，鋼材屈服強度值隨著溫度的升高而降低。在某一溫度下，殘余應力高于鋼材屈服強度值時，焊接接頭會產生塑性變形而松弛使殘余應力降低。為了使殘余應力降低到一定程度（一般認為降低80%～90%），需對焊件加熱到一定溫度，使焊接接頭金屬的屈服強度值降低到某一值時，焊接接頭金屬才能產生一定的塑性變形，從而獲得消除殘余應力的效果。是焊后熱處理最關鍵工藝參數，對焊后熱處理的效果影響最大。

1.2保溫溫度對降低焊接接頭中氫含量的影響

鋼材在不同溫度下對氫的溶解度不同，一般情況下，氫在鋼材中的溶解度隨著溫度的上升而增大，當溫度在200℃以上時，氫在鋼中大大活躍起來，從鋼材中逸出，使鋼中擴散氫含量降低。因此，焊后熱處理的保溫溫度達到某一值時，才能使焊接接頭中的擴散氫加速逸出，從而降低氫含量，防止產生冷裂紋。

1.3保溫溫度對恢復鋼材性能的影響

因冷加工產生塑性變形會使金屬晶粒破碎、拉長、壓扁而產生畸變，從而使鋼材強度、硬度增高，塑性和韌性降低。為了恢復鋼材的性能，應將鋼材加熱至某一溫度（一般加熱到450℃以上），在該溫度下，晶粒將產生再結晶，如此，鋼材的性能得以恢復。

1.4保溫溫度對改善焊接接頭的組織和性能的影響

馬氏體轉變區(qū)（低溫轉變區(qū)）

馬氏體是碳、合金元素在α-Fe 中的過飽和固溶體。當鋼高溫奧氏體化后，若快速冷卻至馬氏體點（Ms）以下時，由于γ-Fe在低溫下結構不穩(wěn)定，便轉變?yōu)棣?Fe；但冷卻速度過快，鋼中的碳、合金元素來不及擴散，保留了高溫時奧氏體的成分。馬氏體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，由于碳、合金元素在α-Fe中過飽和，使α-Fe的體心立方晶格發(fā)生畸變，形成了體心正方晶格。馬氏體具備很高的硬度（約為640～760HBW），很脆，沖擊韌度低，斷面收縮率和斷后伸長率幾乎等于零。由于過飽和碳合金元素使馬氏體晶格畸變，因此馬氏體的比體積較奧氏體大，鋼中馬氏體形成時產生很大的相變應力。

貝氏體轉變去區(qū)【中溫轉變區(qū)：指Ms（230℃～550℃）溫度區(qū)間】

Ms（230℃～350℃）溫度區(qū)間，馬氏體受熱開始分解析出滲碳體，析出速度較慢，數量不多，析出滲碳體以細小顆粒狀分布于針狀鐵素體內部，顯微鏡下的形貌呈針狀，錯位密度大，碳化物分布均勻，具有較好的綜合力學性能。

350℃～550℃溫度區(qū)間：鋼的組織是滲碳體分布于條狀鐵素體之間，顯微鏡下形貌呈羽毛狀，稱為羽毛狀貝氏體，也稱為上貝氏體，其強度和韌性等力學性能都較差。

珠光體轉變區(qū)（高溫轉變區(qū)，指550℃～A1以下溫度區(qū)間）

鋼在珠光體轉變區(qū)時，由于加熱溫度高，碳、合金元素活動能力較強，能充分形成滲碳體，同時形成鐵素體和滲碳體的機械混合物-珠光體。滲碳體以層狀分布在鐵素體基體上，轉變溫度不同，鐵素體與滲碳體片層厚度不同。

綜上所述，焊后熱處理保溫溫度對消除殘余應力、降低焊接接頭中的擴散氫含量，改善焊接接頭的組織和性能其決定性作用。

2.焊后熱處理保溫時間的影響

2.1在焊后熱處理過程中，焊件由于有厚度，其表面和內部溫度要達到均勻需要一段時間。焊件由于結構原因，外部部件和內部部件溫度達到均勻同樣需要一個時間段。當焊件厚度較大或結構較復雜，由于在加熱時存在溫差，會造成焊件內部存在較大溫差應力，為了使溫差應力降低到可接受程度，防止產生裂紋和造成過大殘余變形，因此亦需延長加熱和保溫時間?？傊负鬅崽幚頃r必須設定充足的均溫時間。

2.2碳鋼、低合金鋼的C曲線顯示，焊件加熱到某一溫度值后，組織轉變分為三個時間段：A、孕育時間段；B、組織轉變時間段；C、轉變結束時間段。由鋼的C曲線可知，保溫溫度不同，三個時間段值均不相同。在曲線的“鼻尖”（大約550℃）附近時，孕育時間段和組織轉變時間段最短。溫度的升高或降低其孕育時間段和組織轉變時間段將增長。為了獲得理想的組織和性能，焊后熱處理保溫溫度確定后需要確定最短保溫時間以滿足其組織充分轉變的需要，否則，時間短，組織轉變不充分，就難以獲得理想的組織和性能。endprint

2.3焊接接頭在焊后熱處理保溫溫度和殘余應力共同作用下，產生塑性變形進行松弛，降低殘余應力，接頭中擴散氫逸出，這個過程從開始至結束需要一個時間段來完成，這個時間的長短，決定了殘余應力消除程度和擴散氫逸出的程度，對焊后熱處理效果有重大影響。

綜上所述，焊后熱處理保溫溫度確定后，需確定一個足夠時間段來完成組織轉變，消除殘余應力，降低擴散氫的含量。因此，焊后熱處理最短保溫時間是影響熱處理效果的重要因素。

三、焊后熱處理保溫溫度和保溫時間確定應注意的問題

GB/T30583中4.4對鋼制焊件焊后熱處理最低保溫溫度和最短保溫時間，以及降低保溫溫度和延長保溫時間給以規(guī)定。但標準并沒有對最高保溫溫度和最長保溫時間，以及在什么情況下應降低保溫溫度和延長保溫時間給以規(guī)定。由于焊后熱處理工藝是個專業(yè)性和實踐性非常強的工藝文件，它要求工藝人員應具一定專業(yè)知識和足夠實踐經驗。工藝人員根據GB/T30583的規(guī)定，鋼材適應熱處理加工的工藝性能，結合產品設計文件，制造工藝條件和管理情況來擬定熱處理規(guī)程，規(guī)程中應明確確定最低保溫溫度和保溫時間（最短），為做好本項工作談幾個應注意的問題。

1.確定焊后熱處理最低保溫溫度的方法

首先在設計圖樣上，依次找出各式各樣的焊接接頭以及各個接頭的鋼號、標準號、供貨狀態(tài)、厚度 ，按NB/T47014表1規(guī)定劃定類別號、組別號；但應注意以下幾個問題：

1.1設計文件上對各個焊接接頭材料（板材、管材、鍛件）規(guī)定材料供貨狀態(tài)，特別注意正火十回頭、調質鋼要求，根據相關材料標準上標明最低回火溫度，當材料質保書上提供材料回火溫度時，焊后熱處理保溫溫度應低于材料標準或材料質保書上的回火溫度。

1.2設計文件中規(guī)定焊后熱處理保溫溫度時，應按設計文件規(guī)定確定保溫溫度。

1.3對有再熱裂傾向材料進行焊后熱處理時（一般采用△G法和PSR法判定材料是否具有再熱之傾向，再熱裂紋產生溫度區(qū)間為550℃-650℃，焊后熱處理溫度應大于660℃，一般采用675℃±15℃。

1.4不同鋼號或不同類別相焊時，焊后熱處理溫度按焊后熱處理溫度較高鋼號執(zhí)行，但溫度不應超過兩者任一鋼號的下相變點A1。

1.5在產品或部件用鋼材供貨狀態(tài)不同時，應按材料標準或材料質保書規(guī)定正火十回火或調質處的回火溫度來確定焊后熱處理溫度。

初步確定焊后熱處理溫度后，結合產品或部件設計文件，相應規(guī)范和標準，制造條件和管理情況，確定焊后熱處理溫度，若焊后熱處理溫度低于GB/T30583表示規(guī)定最低保溫溫度時，應表2的規(guī)定降低溫度檔次來確定焊后熱處理溫度。

2.確定焊后熱處理最短保溫時間的方法

2.1確定焊后熱處理保溫溫度值當不低于GB/T30583中表1所規(guī)定的最低保溫溫度時，按接頭的焊縫金屬有效厚度最大者和表1規(guī)定來確定最短保溫時間。

2.2當焊后熱處理保溫溫度低于表1規(guī)定最低保溫溫度時，應按表2規(guī)定相應降低溫度后的保溫溫度所對應最短保溫時間進行確定。

四、焊后熱處理最短保溫溫度和保溫時間確定

1.鋼材生產單位、大專院校和科研單位對鋼材焊接性能試驗所確定焊后熱處理保溫溫度和保溫時間，我們應采納

如：1.1《09MnNiDR鋼制球罐用W707DRQ焊條焊接性能》通過試驗確定焊后熱處理保溫溫度（580℃±10℃），最短保溫時間2h，試驗單位：合肥通用機械研究院；哈爾濱焊接研究所。

1.2《16MnDR鋼的性能及應用》規(guī)定焊后熱處理保溫溫度（620℃±20℃），試驗單位：武漢鋼鐵公司。

承壓設備生產單位按NB/T47014和設計文件的規(guī)定進行焊接工藝評定驗證預熱處理規(guī)程制定焊后熱處理保溫溫度和最短保溫時間是否合理并確認

但應注意以下幾點：2.1對于低溫條件下使用的特種設備，焊評應增加設定的低溫溫度下的沖擊韌度試驗。2.2對于高溫條件下使用的特種設備，焊評應增加設定的高溫溫度的持久強度試驗。2.3對于有再熱裂紋傾向的鋼材，焊評應增加熱處理后進行MT或PT檢測。2.4對于使用在應力腐蝕中的特種設備，焊評應按設計文件規(guī)定進行耐應力腐蝕試驗。

五、焊后熱處理保溫溫度和保溫時間的驗證

承壓設備是檢驗焊后熱處理效果和參數是否合理的標本。應在首臺承壓設備上來檢驗熱處理效果，檢驗、檢測和試驗項目如下：

1.有再熱裂紋傾向的鋼材，熱處理后對所有焊縫及產品焊接件焊縫進行100%MT或PT檢測，按NB/T47013的規(guī)定，Ⅰ級合格。

2.有延遲裂紋傾向鋼材，標準抗拉強度下限Rm≥540MP鋼制承壓設備，熱處理后應對所有焊縫進行布氏硬度檢測，HB≤200。

2.1筒體和封頭的A、B、C、D類接頭，每個接頭各測兩組；（2）開口接管與筒體和封頭的D類接頭各測一組；（3）每組測三點：即母材、熱影響區(qū)、焊縫金屬各一點（在設備內表面檢測）。

3.有條件單位最好對所有焊接接頭，按GB/T7704-2008《無損檢測 X射線應力測定方法》規(guī)定進行應力測定。殘余應力消除應達到85%以上為合格。

4.產品焊接試件

產品焊接試件應與產品同爐進行熱處理，按NB/T47016的規(guī)定制備試樣和試驗。

4.1各項力學性能值不低于材料標準或設計文件規(guī)定值為合格。4.2低溫承壓設備應按設計低溫進行沖擊試驗，其值應不低于材料標準或設計文件規(guī)定值為合格。4.3耐熱鋼承壓設備應按設計最高溫度進行持久強度試驗，其值不低于材料標準和設計文件規(guī)定值為合格。4.4按GB/T2654-2008《焊接接頭硬度試驗辦法》規(guī)定進行硬度試驗，測點按圖1所示進行。

1.A區(qū)-母材 B區(qū)---熱影響區(qū) C區(qū)---焊縫 2.用布氏硬度計測量 3.測點間距：在A.C區(qū)為3㎜ 在B區(qū)為0.5 ㎜ 4.HBW≤200或220 . 在設計文件規(guī)定進行耐應力腐蝕試驗時，應設計文件規(guī)定方法、標準進行試驗。以上各項檢驗檢測和試驗均符合要求，該焊后熱處理規(guī)定保溫溫度和保溫時間能使熱處理質量得到保證，熱處理規(guī)范參數是合理的。

六、結束語

1.要認真審查設計文件，了解各受壓元件鋼號，材料標準及標準規(guī)定的供貨狀態(tài)，熱處理制度；同時審查設計文件對焊后熱處理的規(guī)定，對材料性能的特殊要求。

2.認真按材料標準的規(guī)定，材料生產單位、大專院?？蒲袉挝怀晒涷灤_定焊后熱處理保溫溫度和保溫時間。

3.應經過按NB/T47014規(guī)定的焊接工藝評定試驗和產品的驗證最終確定焊后熱處理保溫溫度和保溫時間，能使承壓設備的安全性能得到可靠保證。endprint