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关于焊后消氢及热处理

发布时间:2020-04-07 10:01:25  南京万普建设工程有限公司

重要构件的焊接、合金钢的焊接及厚部件的焊接,都要求在焊前必须预热。焊前预热的主要作用如下: 


(1)预热能减缓焊后的冷却速度,有利于焊缝金属中扩散氢的逸出,避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度,提高了焊接接头的抗裂性。


(2)预热可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热,可以减少焊接区域被焊工件之间的温度差(也称为温度梯度)。这样,一方面降低了焊接应力,另一方面,降低了焊接应变速率,有利于避免产生焊接裂纹。


(3)预热可以降低焊接结构的拘束度,对降低角接接头的拘束度尤为明显,随着预热温度的提高,裂纹发生率下降。


预热温度和层间温度的选择不仅与钢材和焊条的化 学成分有关,还与焊接结构的刚性、焊接方法、环境温度等有关,应综合考虑这些因素后确定。另外,预热温度在钢材板厚方向的均匀性和在焊缝区域的均匀性,对降低焊接应力有着重要的影响。局部预热的宽度,应根据被焊工件的拘束度情况而定,一般应为焊缝区周围各三倍壁厚,且不得少于150-200毫米。如果预热不均匀,不但不减少焊接应力,反而会出现增大焊接应力的情况。


焊后热处理的目的有三个:消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。 


焊后消氢处理,是指在焊接完成以后,焊缝尚未冷却至100℃以下时,进行的低温热处理。一般规范为加热到200~350℃,保温2-6小时。焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出,对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。


在焊接过程中,由于加热和冷却的不均匀性,以及构件本身产生拘束或外加拘束,在焊接工作结束后,在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在,会降低焊接接头区的实际承载能力,产生塑性变形,严重时,还会导致构件的破坏。


消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下,其屈服强度下降,来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种:一是整体高温回火,即把焊件整体放入加热炉内,缓慢加热到一定温度,然后保温一段时间,最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火,即只对焊缝及其附近区域进行加热,然后缓慢冷却,降低焊接应力的峰值,使应力分布比较平缓,起到部分消除焊接应力的目的。


有些合金钢材料在焊接以后,其焊接接头会出现淬硬组织,使材料的机械性能变坏。此外,这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下,可能导致接头的破坏。如果经过热处理以后,接头的金相组织得到改善,提高了焊接接头的塑性、韧性,从而改善了焊接接头的综合机械性能。


消氢处理是在300~400度加热温度范围内保温一段时间。目的是加速焊接接头中氢的逸出,消氢处理效果比低温后热更好。焊接后及焊后热处理,焊后及时后热及消氢处理是防止焊接冷裂纹的有效措施之一,对于厚度超过100mm的厚壁压力容器及其他重要的产品构件,焊接过程中,为防止因厚板多道多层焊氢的积聚而导致的氢致裂纹,应进行2到3次中间消氢处理。


压力容器设计中对热处理的考虑


压力容器设计中对热处理的考虑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、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要求比较含糊。在GB150—89《钢制压力容器》10.4.1.3中规定:“除图样另有规定外,冷成形的奥氏体不锈钢封头可不进行热处理”。至于其它情况是否进行热处理则可能由于不同人的理解而异。在GB150—1998《钢制压力容器》10.4.1中规定:容器及其受压元件符合下列条件之一者,应进行热处理。其中的第二、三项为:“有应力腐蚀的容器,如盛装液化石油气,液氨等的容器”和“盛装毒性为极度或高度危害介质的容器”。只是在10.4.1.1.f)中规定:“除图样另有规定外,奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处理”。从标准表述的层次来分析,这一要求应理解为主要是针对第一项中所列举的各种情况而言。上述的第二、三项的情况不一定能够包括在内。所以,建议在适当的时候应当以“增补”的方式将“10.4.1.1.f)”改为用“10.4.1.4”的方法表达。这样可以更全面、准确地表述对奥氏体不锈钢制压力容器焊后热处理的要求,使设计者能够根据实际情况自行决定对奥氏体不锈钢制压力容器是否需要热处理和怎样进行热处理。99版“容规”的第74条明确:“奥氏体不锈钢或有色金属制压力容器焊接后一般不要求做热处理,如有特殊要求需进行热处理时,应在图样上注明。”


2、 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16MnR,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。对此,钛—钢复合板与镍—钢复合板都要求复合板经爆炸复合后,应进行消除应力热处理。99版“容规”对此也有明确的规定,但是对于爆炸复合奥氏体不锈钢板未做这样的规定。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是否进行热处理和怎样热处理的问题表达的比较含混。GB8165-87《不锈钢复合钢板》规定为:“根据供需双方协议,亦可以热扎状态或热处理状态交货。”GB4733-94《压力容器用爆炸不锈钢复合钢板》规定:“复合钢板需经热处理、校平、剪边或切割供货。按需方要求,复合表面可经酸洗、钝化或抛光处理,亦可在热处理状态下供货”。这里没有提到如何进行热处理。造成这种状况的主要原因仍然是前述的奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的敏化区域问题。GB8547-87《钛-钢复合板》中规定钛-钢复合板消除应力热处理的热处理制度为:540℃ ± 25℃,保温3小时。而这一温度恰好处于奥氏体不锈钢的敏化温区范围内(400℃--850℃)。因此,对于爆炸复合奥氏体不锈钢板的热处理问题给出明确的规定是比较困难的。对此,我们的压力容器设计人员要有清醒的认识,给予充分的重视,并采取相应的措施。首先,复材的不锈钢不得选用1Cr18Ni9Ti,原因是与低碳奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9 相比,其碳含量较高,更容易发生敏化,使其抗晶间腐蚀的能力下降。另外,当爆炸复合奥氏体不锈钢板制造的压力容器壳体与封头使用在较苛刻的条件时,如:压力较高,压力波动,盛装极度、高度危害的介质时,应当选用00Cr17Ni14Mo2这类超低碳奥氏体不锈钢可使敏化的可能性降为最低。并应明确提出复合板的热处理要求,并与有关方面协商确定其热处理制度,以达到基材具有一定的塑性贮备量,复材有合乎要求的耐腐蚀性能的目的。


3、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—1998《钢制压力容器》10.4.5.3中规定:“B、C、D类焊接接头,球形封头与圆筒相连的A类焊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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