ASME SA537 CL1封頭沖壓熱處理工藝探討

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

俄羅斯某天然氣凈化處理廠項(xiàng)目用壓力容器因使用地冬季環(huán)境溫度較低，設(shè)計(jì)選用了ASME SA537 CL1材質(zhì)鋼板作為容器主體材料，并對(duì)其低溫沖擊性能有附加要求，經(jīng)過(guò)焊后熱處理鋼板的沖擊性能須滿足設(shè)計(jì)的要求。而在實(shí)際制造過(guò)程中，封頭經(jīng)加熱沖壓成型、恢復(fù)性能熱處理、焊后熱處理3次加熱過(guò)程后，對(duì)其驗(yàn)證試板進(jìn)行性能試驗(yàn)，所得到的結(jié)果并不理想。經(jīng)過(guò)調(diào)整沖壓工藝和恢復(fù)性能熱處理工藝，最后得到了性能穩(wěn)定的封頭產(chǎn)品，但調(diào)整后的工藝與標(biāo)準(zhǔn)要求存在一定差異，本文就此提出了看法和觀點(diǎn)。

1 封頭鋼板SA537 CL1訂貨要求

1.1 SA537 CL1鋼板的特性

SA537 CL1鋼板須符合A SME BPVC.II.A-2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，轉(zhuǎn)爐加爐外精煉，正火狀態(tài)交貨。

SA537 CL1鋼板的成品分析化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2，低溫沖擊性能見(jiàn)表3。

表1 SA537 CL1鋼板的化學(xué)成分

表2 SA537 CL1鋼板的力學(xué)性能

表3 SA537 CL1鋼板的低溫沖擊

1.2 SA537 CL1封頭用鋼板模焊工藝

1.2.1 熱成型

溫度為910～980℃，即在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的任一溫度進(jìn)行模擬熱成型即可，不需要在全部溫度范圍內(nèi)滿足要求；保溫時(shí)間為1.5h，升溫速率≤200℃/h。

1.2.2 模擬正火

溫度為900℃，保溫時(shí)間為1.5δmin。

1.2.3 PWHT

保溫溫度為 600～640℃，即在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的任一溫度進(jìn)行模擬焊后熱處理即可，不需要在全部溫度范圍內(nèi)滿足要求；保溫時(shí)間：2.5h×3 次；溫度高于300℃時(shí)，其加熱和冷卻速度不大于 100℃/h。

2 封頭沖壓過(guò)程

（1）封頭鋼板到貨后，按批號(hào)對(duì)其交貨態(tài)和3次模焊態(tài)進(jìn)行了力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合圖紙要求。

（2）封頭熱沖壓按以下工藝執(zhí)行，與鋼板訂貨時(shí)模擬加熱過(guò)程的工藝相符。

熱成型：沖壓溫度為910～980℃，保溫時(shí)間為1.5δmin，升溫速率≤200℃/h；

正火：保溫溫度為900℃±15℃，保溫時(shí)間為1.5δmin，空冷。

（3）在封頭鋼板沖壓前，封頭驗(yàn)證試板與封頭鋼板同爐加熱，放置在距封頭鋼板50mm處，用耐火磚支墊，與封頭鋼板平齊。封頭鋼板沖壓時(shí)，驗(yàn)證試板在爐門(mén)處爐內(nèi)緩冷，爐門(mén)打開(kāi)，封頭鋼板取出沖壓，一般封頭沖壓成型時(shí)間約3～5min。封頭正火時(shí)，將驗(yàn)證試板點(diǎn)焊至封頭坡口處，同爐熱處理，出爐后采用空冷或吹風(fēng)加速冷卻。封頭驗(yàn)證試板的整個(gè)受熱過(guò)程基本與封頭鋼板一致，具有代表性。

（4）封頭驗(yàn)證試板每個(gè)封頭帶兩塊，一塊用于封頭的回廠復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)合格，方可使用該封頭；設(shè)備制造完畢后，另一塊驗(yàn)證試板隨設(shè)備同爐熱處理。然后對(duì)最終狀態(tài)的封頭驗(yàn)證試板進(jìn)行性能試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)以上熱加工過(guò)程后封頭鋼板的性能是否仍滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求。

3 封頭回廠力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)回廠后的封頭進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，部分封頭的低溫沖擊性能不能滿足設(shè)計(jì)的要求。封頭回廠復(fù)驗(yàn)性能與鋼板質(zhì)量證明書(shū)中的性能對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 封頭回廠復(fù)驗(yàn)性能與鋼板質(zhì)量證明書(shū)中的性能對(duì)比表

由表4可以看出，14mm和18mm封頭的沖擊值與鋼板質(zhì)保書(shū)中模焊態(tài)的沖擊值相差較少，有局部性能不均勻現(xiàn)象；而40mm封頭的沖擊值與鋼板質(zhì)保書(shū)中模焊態(tài)的沖擊值相差較多，3組數(shù)值均不滿足圖紙要求。理論上，封頭的沖擊值與鋼板質(zhì)保書(shū)中模焊態(tài)的沖擊值不應(yīng)該出現(xiàn)較大偏差，原因可能是鋼板的模焊或封頭沖壓其中一方?jīng)]有按訂貨要求的熱加工工藝操作。因封頭沖壓全過(guò)程有監(jiān)造見(jiàn)證，確保按給定的工藝執(zhí)行，所以分析原因應(yīng)是鋼廠沒(méi)有按給定的工藝進(jìn)行模焊。后經(jīng)與鋼廠核實(shí)，鋼廠為確保該批鋼板經(jīng)3次模焊仍滿足訂貨要求，在鋼板制造過(guò)程中采用了正火加回火的工藝，因不符合ASME SA537標(biāo)準(zhǔn)正火交貨的要求，所以在質(zhì)保書(shū)中沒(méi)有體現(xiàn)，這給設(shè)備制造廠造成了誤導(dǎo)，導(dǎo)致恢復(fù)性能熱處理工藝出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成以上問(wèn)題。

4 分析原因及改進(jìn)工藝

根據(jù)之前封頭低溫性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)封頭韌性不均勻，可能是因?yàn)榫Я＜?xì)化不均勻，造成韌性下降。又考慮到該批鋼板實(shí)際為正火加回火的交貨情況，改進(jìn)工藝的思路是加快正火的降溫速度，使其晶粒細(xì)化更加均勻。另外，針對(duì)厚板增加回火處理，消除加快降溫速度造成的內(nèi)部應(yīng)力，并使其正火組織更加穩(wěn)定。

改進(jìn)后的封頭熱沖壓工藝如下：

4.1 12～20mm鋼板

熱成型：沖壓溫度為910～980℃，保溫時(shí)間為1.5δmin，升溫速率≤200℃/h；

正火：保溫溫度為900℃±15℃，保溫時(shí)間為1.5δmin，噴淋冷卻。

4.2 20～70mm鋼板

熱成型：沖壓溫度為910～980℃，保溫時(shí)間為1.5δmin，升溫速率≤200℃/h；

正火：保溫溫度為900℃±15℃，保溫時(shí)間為1.5δmin，水冷；

回火：保溫溫度為680℃±15℃，保溫時(shí)間為3δmin，空冷。

通過(guò)調(diào)整封頭成型后恢復(fù)性能熱處理的工藝，對(duì)回廠的封頭進(jìn)行復(fù)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊性能有顯著提高，薄板和厚板沖擊性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 提出問(wèn)題

按ASME SA537標(biāo)準(zhǔn)CL1等級(jí)的鋼板交貨狀態(tài)為正火，而鋼廠生產(chǎn)該批鋼板采用了正火加回火的狀態(tài)供貨，而且大多數(shù)鋼廠均會(huì)在正火后采用噴淋、水冷等方式加速冷卻，只是沒(méi)有在鋼板質(zhì)保書(shū)中明確。這已不是偶然情況，目前大多數(shù)廠家均采用正火加水冷的方法。但這么做又與標(biāo)準(zhǔn)不符，實(shí)際生產(chǎn)中很難通過(guò)第三方和監(jiān)督檢驗(yàn)部門(mén)的審核，這就產(chǎn)生了矛盾點(diǎn)：按標(biāo)準(zhǔn)要求做不合格，不按標(biāo)準(zhǔn)能做合格，到底應(yīng)該以標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)還是以實(shí)際生產(chǎn)為準(zhǔn)呢？業(yè)內(nèi)人士也都各持一詞，難以統(tǒng)一。隨著國(guó)內(nèi)壓力容器產(chǎn)品的大型化，設(shè)備的設(shè)計(jì)厚度達(dá)到100mm以上已經(jīng)司空見(jiàn)慣，對(duì)于大厚度的材料，正火工藝采用空冷，甚至采用風(fēng)冷、噴淋等工藝措施都已經(jīng)不能滿足要求。而不管?chē)?guó)內(nèi)、國(guó)外的材料標(biāo)準(zhǔn)或是熱處理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)正火的定義都是正火后空冷，這也是大多數(shù)工程技術(shù)人員的認(rèn)知：正火后水冷不是淬火處理。

6 問(wèn)題的探討

GB/T7232-2012標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)正火的定義描述為：“工件加熱奧氏體化后在空氣中或其他介質(zhì)中冷卻獲得以珠光體組織為主的熱處理工藝”，淬火的定義描述為：“工件加熱奧氏體化后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s獲得馬氏體或（和）貝氏體組織的熱處理工藝。常見(jiàn)的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等?！眹?guó)標(biāo)中雖明確指出了正火后可在其他介質(zhì)中冷卻，但沒(méi)有明確是哪些介質(zhì)；正火和淬火的熱處理溫度又相近，那么采用水冷到底是正火還是淬火，很難說(shuō)清，只能通過(guò)所得到的組織來(lái)判定。由文獻(xiàn)[4]、[5]可知，Q345R類(lèi)中厚板正火采用水冷并沒(méi)有生成馬氏體，仍然得到珠光體+鐵素體組織，沒(méi)有達(dá)到淬火鋼的標(biāo)準(zhǔn)；由文獻(xiàn)[6]、[7]可知，同樣的正火工藝（水冷）如果用在含Mo類(lèi)鋼，如12Cr2Mo1R、14Cr1MoR、SA387等，得到的組織大部分是貝氏體，又達(dá)到了淬火鋼的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)鋼廠在處理含Mo類(lèi)鋼時(shí)均采用水冷，所以這又與相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)中的交貨狀態(tài)不符。所以筆者認(rèn)為：①熱處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中需再進(jìn)一步明確正火和淬火的定義；②材料標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)考慮增加鋼板的交貨狀態(tài)；③鋼板的質(zhì)量證明書(shū)中應(yīng)注明冷卻方式，以便工件后續(xù)制作中按原冷卻方式進(jìn)行材料性能恢復(fù)熱處理。