關(guān)于鋼制壓力容器焊后熱處理的技術(shù)研究

程鵬

摘 要：本文研究了鋼制壓力容器焊后熱處理的目的、作用及相關(guān)規(guī)范、標準，重點闡述了焊后熱處理的幾種常見方法。

關(guān)鍵詞：壓力容器;焊接殘余應(yīng)力;焊后熱處理

鋼制壓力容器一般涉及四種熱處理：焊后熱處理、改善材料性能熱處理、恢復(fù)材料性能熱處理及焊后消氫處理。本文重點研究了鋼制壓力容器應(yīng)用比較廣泛的焊后熱處理。

1 焊后熱處理的目的及作用

焊后熱處理是將鋼制壓力容器采用相應(yīng)的熱處理設(shè)備加熱到適當?shù)臏囟?，并在此溫度中保持一定時間后，以不同速率冷卻的一種工藝方法。焊后熱處理的主要目的是為改善焊接接頭淬硬組織以及其消除殘余應(yīng)力和反作用力，可以起到以下作用：

降低或消除焊接殘余應(yīng)力;

降低焊接熱影響區(qū)的硬度;

降低焊縫中的擴散氫含量;

改善焊接接頭的塑性和韌性;

提高焊接接頭沖擊韌性和斷裂韌性;

提高耐腐蝕性;

提高組織穩(wěn)定性;

改善蠕變特性和疲勞強度;

穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸，改善母材、焊接區(qū)和構(gòu)件的性能。

2 鋼制壓力容器焊后熱處理的必要性判斷

焊制的壓力容器，焊接區(qū)存在著較大的殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的不利影響，在一定的條件下才表現(xiàn)出來。當殘余應(yīng)力與焊接接頭中的氫相結(jié)合時，將促使熱影響區(qū)硬化，導(dǎo)致冷裂紋和延遲裂紋的產(chǎn)生。殘存在焊接接頭中的靜應(yīng)力或負載運行中的動載應(yīng)力與介質(zhì)的腐蝕作用相結(jié)合時，將有可能引起裂紋狀腐蝕，即所謂應(yīng)力腐蝕。焊接殘余應(yīng)力及由焊接引起的母材淬硬是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要因素。變形和殘余應(yīng)力對金屬材料的主要影響，在于使金屬從均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，即轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg或穿晶腐蝕。當然，金屬的腐蝕破裂和晶間腐蝕均出現(xiàn)在對該種金屬具有一定特性的介質(zhì)中。在殘余應(yīng)力存在的情況下，根據(jù)侵蝕性介質(zhì)的成分、濃度和溫度的不同，以及母材與焊接區(qū)的成分、組織、表面狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等存在的差異而有所不同，從而使腐蝕破壞的性質(zhì)可能改變。焊接的壓力容器是否需要做焊后熱處理，應(yīng)其按材料、焊接接頭厚度（即焊后熱處理厚度，δPWHT）和設(shè)計要求確定是否進行焊后熱處理。

壓力容器及其受壓元件符合下列條件之一者，應(yīng)進行焊后熱處理，焊后熱處理應(yīng)包括受壓元件間及其與非受壓元件的連接焊縫。當制訂熱處理技術(shù)要求時，除滿足以下規(guī)定外，還應(yīng)采取必要的措施，避免由于焊后熱處理導(dǎo)致的再熱裂紋。

2.1焊接接頭厚度符合圖1規(guī)定者。

2.2設(shè)計圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器。

2.3用于盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的碳素鋼、低合金鋼制容器。

2.4使用條件苛刻，如在低溫下工作有發(fā)生脆性斷裂危險的厚壁容器，承受較大載荷和交變載荷的容器;

2.5對尺寸穩(wěn)定性要求較高的壓力容器;

2.6 有淬硬傾向大的鋼材制造的容器;

2.7 相關(guān)標準或圖樣予以規(guī)定的壓力容器。

奧氏體不銹鋼或有色金屬制壓力容器焊接后一般不要求做熱處理，如有特殊要求需進行熱處理時，應(yīng)在圖樣上注明。

3 焊后熱處理方法及操作

焊后熱處理有整體熱處理和局部熱處理兩種，最常用的焊后熱處理是在 600～ 650℃范圍內(nèi)的消除應(yīng)力退火和低于 Ac1點溫度的高溫回火。另外還有為改善鉻鎳奧氏體不銹鋼抗腐蝕性能的均勻化處理等。

3.1 整體熱處理及操作

整體熱處理大多采用爐內(nèi)整體加熱方式，主要用于直徑和容積較小的壓力容器的熱處理。容器外表面一般鋪設(shè)保溫層以防止熱擴散，保證殼體升溫、加熱溫度均勻，測溫熱電偶均布在容器的外表面前、中、后三處，監(jiān)測容器是否均勻受熱，確保熱處理質(zhì)量。

3.1.1 碳鋼、低合金鋼的焊后熱處理應(yīng)符合如下規(guī)定：

容器進爐時爐內(nèi)溫度不得高于400℃;

容器升溫至400℃后，加熱區(qū)升溫速度不得超過5500/δPWHT℃/h，且不得超過220℃/h，一般情況下不低于55℃/h;

升溫時，加熱區(qū)內(nèi)任意4600mm長度內(nèi)的溫差不得大于140℃;

保溫時，加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度之差不宜超過80℃;

升溫及保溫時應(yīng)控制加熱區(qū)氣氛，防止容器表面過度氧化;

爐溫高于400℃時，加熱區(qū)降溫速度不得超過7000/δPWHT℃/h，且不得超過280℃/h，一般情況下不低于55℃/h;

容器出爐時，爐溫不得高于400℃，出爐后應(yīng)在靜止空氣中繼續(xù)冷卻。

3.1.2 對于S11306、S11348鐵素體型不銹鋼的焊后熱處理按3.1.1的規(guī)定。其中，對于f）和g），當溫度高于650℃時，降溫速度不得超過55℃/h ，當溫度低于650℃時，應(yīng)快速降溫。

3.2 局部熱處理及流程

局部熱處理主要適用于大型壓力容器等不能整體加熱或者由于運輸上的限制必須在使用現(xiàn)場組裝的筒體、接管或管道焊接環(huán)縫，以及局部修補焊接區(qū)。具體如下

4 結(jié) 語

鋼制壓力容器焊后熱處理需慎重對待，要根據(jù)具體情況做具體分析，對需要進行熱處理的壓力容器，應(yīng)嚴格執(zhí)行既定的工藝規(guī)程，選用最佳的加熱方式、加熱溫度、加熱速度、冷卻速度、入爐及出爐溫度等參數(shù);對于可以不進行熱處理的壓力容器，要認真分析、參照相關(guān)標準，并在采取相應(yīng)措施的情況下才能取消焊后熱處理。

參考文獻

[1]全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會. GB150.4-2011壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收. 中國標準出版社，2011。

[2]國家能源局. NB/T47015-2011. 壓力容器焊接規(guī)程. 中國標準出版社，2011。