壓力容器制造中的熱處理

壓力容器制造中的熱處理1.概述1)熱處理對鋼材性能的影響熱處理是通過加熱和冷卻固態(tài)金屬來改變其內部組織結構并獲得所需性能的一種工藝。對于碳素鋼、低合金鋼以及合金結構鋼，常用的熱處理工藝有退火、正火、淬火、回火以及它們的組合，如正火加回火、淬火加回火。對于奧氏體不銹鋼，常用的熱處理工藝是固溶處理和穩(wěn)定化熱處理(見本節(jié)第5條)。退火退火是將鋼件加熱到適當溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻(例如隨爐冷卻)的熱處理工藝。根據鋼材成分和熱處理目的不同，退火又分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火和再結晶退火等。下面簡要介紹完全退火、去應力退火和再結晶退火對鋼材組織和性能的影響。a)完全退火完全退火是把鋼件加熱到Ac3以上30~50"C，保溫一定時間后在爐內緩慢冷卻的熱處理工藝，主要用于亞共析成分的碳鋼和合金鋼。由于加熱溫度略高于Ac3，珠光體和鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體，且奧氏體晶粒比較細小。隨爐冷卻至Ar3以下時，奧氏體中首先析出鐵素體，繼續(xù)冷卻至Ar1，以下時，剩余的奧氏體全部轉變?yōu)橹楣怏w。經過這樣的加熱和冷卻過程的相變，可細化晶粒并獲得接近平衡狀態(tài)的組織，以降低硬度，改善加工性能，消除鋼件中的內應力。b)去應力退火去應力退火是將鋼件加熱到Ac1以下100~200'C，保溫一段時間(在壓力容器制造中通常按1h/25mm計算)后，緩慢冷卻的工藝方法，其目的是去除或降低冷成形、焊接等所產牛的磚全應力.穩(wěn)寧結構尺寸。去應力退火時，鋼材并不發(fā)生相變，但可以消除焊接接頭中的淬硬組織（馬氏體），從而改善韌性。鋼件或焊接結構中殘余應力的降低主要是在加熱、保溫及緩慢冷卻過程中通過塑性變形所產生的應力松弛來實現(xiàn)的。c)再結晶退火鋼件的冷塑性變形(如封頭的冷成形等)會導致冷加工硬化，使材料的強度、硬度提高，塑性、韌性降低，并產生較大的內應力。再結晶退火是將鋼件加熱到不超過Ac1的溫度，經適當保溫后隨爐緩慢冷卻的工藝操作。由于溫度升高時原子活動能力增大，使冷變形時破碎的、被拉長或壓扁的晶粒，通過新晶體形核及核長大的過程變?yōu)榫鶆蚣毿〉牡容S晶粒，從而消除鋼件的內應力和冷加工硬化，降低鋼件的強度和硬度，恢復其塑性和韌性。應當指出，再結晶不是一個相變過程，沒有晶格類型的變化。再結晶也沒有恒定的轉變溫度，一般說來，金屬的冷變形量越大，退火加熱時保溫時間越長，越可使再結晶過程在較低的溫度下完成，實際生產中，鋼件的再結晶溫度一般取為Ac1以下50~100℃。正火對于壓力容器中常用的亞共析鋼，正火是將鋼件加熱到Ac3以上50~70℃，保持一定時間后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火與完全退火的主要區(qū)別在于正火的冷卻速度較快，使組織中的珠光體量增多，且珠光體的層片厚度減小，因此，鋼件經正火處理后，除能細化晶粒外，還能獲得較高的強度和較好的綜合力學性能。與完全退火相比，正火處理不但能獲得較高的力學性能，而且生產周期短，經濟簡便，因而在可能的條件下，通常優(yōu)先采用正火處理。正火是壓力容器用材料的常用熱處理工藝。對于較厚的壓力容器用鋼板，正火處理能使鋼板在整個截面上具有比熱軋狀態(tài)更為均勻的細晶組織和更為均勻的力學性能，因此GB150規(guī)定，用于殼體的厚度大于30mm的20R和16MnR、用于其他受壓元件(法蘭、管板、平蓋等)的厚度大于50mm的20R和16MnR以及厚度大于16mm的15MnVR鋼板應在正火狀態(tài)下使用。淬火淬火是把鋼加熱到臨界點(對于亞共析鋼為Ac3，對于共析鋼和過共析鋼為AC1)以上30~50℃，經適當保溫后快速冷卻的熱處理工藝。淬火處理會使鋼件在橫截面的全部或一走范圍內發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結構轉變，從而提高其強度和硬度?；鼗鸹鼗鹗菍⒔涍^淬火或正火的鋼材或零件加熱到Ac1以下的適當溫度，保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻(通常是空冷)，以獲得所需組織和性能和熱處理工藝。鋼件淬火后的組織往往既硬又脆，而且是不穩(wěn)定的組織，這樣的工件一般不能直接使用，需要進行回火處理?；鼗鸬哪康氖?降低鋼件的脆性;消除或降低內應力;通過調整回火溫度獲得所要求的力學性能;穩(wěn)定尺寸;改善加工性。根據鋼件性能要求不同，回火可分為低溫回火(150~250℃)、中溫回火(350~500℃)和高溫回火(500~650℃)。淬火后的鋼件經高溫回火后得到的組織為回火索氏體，具有強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。淬火加高溫回火又稱為調質處理，是某些壓力容器材料和零件如20MnMo,20MnMoNb,3SCrMo等鋼號的鍛件以及低合金鋼和馬氏體高合金鋼螺柱(螺栓)的常用熱處理工藝。2)壓力容器制造中常用熱處理的種類根據鋼在加熱和冷卻時的組織與性能變化規(guī)律，熱處理工藝可分為如前所述的退火、正火、淬火、回火等。壓力容器制造中的熱處理也可按其目的來分類，根據熱處理的主要目的，壓力容器制造中的常用熱處理也可分為焊后熱處理、消氫處理、恢復或達到規(guī)定力學性能的熱處理以及奧氏體不銹鋼的固溶處理和穩(wěn)定化熱處理。2.焊后熱處理1)焊后熱處理的目的與種類①焊后處理的主要目的是降低焊接殘余應力，改善焊接接頭的組織與性能。焊后若能立即進行熱處理，還有利于釋放焊縫金屬中的氫，防止焊接接頭產生冷裂紋。對于碳素鋼和低合金鋼制造的壓力容器或其受壓元件，根據熱處理溫度的不同，焊后熱處理可分為:低于下轉變溫度的熱處理(通常稱為焊后消除應力熱處理):高于上轉變溫度的熱處理(如正火);先在高于上轉變溫度，繼之在低于下轉變溫度進行的熱處理(正火或淬火后繼之以回火);上下轉變溫度之間的熱處理。奧氏體不銹鋼一般不作焊后熱處理，必須進行熱處理且有抗晶間腐蝕要求時，可進行固溶處理或穩(wěn)定化熱處理(詳見本節(jié)第5條)。②對于碳素鋼和低合金鋼，最常用的焊后熱處理是低于下轉變溫度的熱處理，即熱處理的加熱溫度低于材料的下轉變溫度Ac1，相當于本節(jié)概述中的去應力退火，因此又稱為焊后消除應力熱處理。熱處理的主要目的是降低殘余應力，穩(wěn)定結構尺寸。由于熱處理溫度與材料的高溫回火溫度相當，對于有淬硬傾向的材料，此類熱處理還能消除焊接接頭中的淬硬組織，降低峰值硬度，改善焊接接頭的塑性與韌性。此類熱處理降低殘余應力的機理是:隨著溫度的升高，材料的屈服限〔或屈服強度)將降低，經過一定時間的保溫，可使焊接接頭中較高的殘余應力通過塑性變形降低至保溫溫度下材料一或焊縫金屬屈服限(或屈服強度)的水平，如果在高溫下停留的時間較長，還會因蠕變變形所產生的應力松弛使殘余應力進一步降低。③高于上轉變溫度的焊后熱處理主要用于電渣焊焊接接頭，其目的是細化晶粒，改善焊接接頭的性能。電渣焊縫的結晶組織是十分粗大的柱狀晶粒，韌性較差，因此必須采用高于上轉變溫度的焊后熱處理(如正火)，使焊縫金屬和母材全部奧氏體化，并通過控制加熱溫度和保溫時間，防止奧氏體晶粒粗化，從而在冷卻后獲得均勻的細晶組織，達到改善焊接焊接接頭中的冷裂紋又稱為延遲裂紋，是焊接時在Ar3以下冷卻過程中或冷卻以后所產生的裂紋，形成裂紋的溫度通常在馬氏體轉變范圍，約200~300℃以下。這種裂紋可以在焊接后立即出現(xiàn)，也可能延遲幾小時、幾天甚至更長的時間以后再發(fā)生。焊接接頭中存在的氫、硬脆組織和應力是導致冷裂紋的主要因素。在許多情況下氫是引起冷裂紋的最活躍的因素，因此，冷裂紋也稱為氫致裂紋。焊接時，焊接材料所含水份及其他含氫化合物被電弧的高溫所分解，成為原子氫溶入到電弧下的金屬熔池中。氫在熔融金屬中的溶解度是比較大的，但是當液相金屬凝成固相時，氫的溶解度便急劇降低，由于焊接接頭處的冷卻速度極快，使大部分的氫來不及逸出，而以過飽和狀態(tài)固溶于凝固了的焊縫金屬中。隨著固相金屬溫度降低，特別是從奧氏體轉變成鐵素體后，氫的溶解度進一步降低，使焊縫金屬中氫的過飽和程度更為增加。一部分過飽和的氫原子可以擴散至焊縫金屬的表面而外逸到大氣中，一部分氫原子擴散到焊縫及近縫熱影響區(qū)內部的空隙中(例如氣孔、非金屬夾雜物周圍的空隙等)，形成氫分子，體積急驟增大，使這些空隙部位處于高壓狀態(tài)，并在某些細小空隙的尖端產生高應力。此外，由于焊接應力(包括熱應力、相變形成的組織應力以及拘束條件等引起的應力)的存在，也會在一些內部缺陷或表面缺陷的前沿產生應力集中。溶于鋼中的氫原子在應力梯度的驅動下擴散到上述這些高應力部位而濃集起來，使此處的金屬結合強度降低，如果這些部位存在硬脆組織，則當氫的濃度達到某一臨界值時，就會在應力的作用下產生微裂紋，然后在擴散氫、應力和硬脆組織同時存在的條件下，微裂紋就逐步擴展成宏觀裂紋。2)消氫處理的作用與工藝要求消氫處理就是在焊后立即將焊縫及其鄰近的母材加熱到較高溫度，提高氫在鋼中的擴散系數(shù)，使焊縫金屬中過飽和狀態(tài)的氫原子加速擴散逸出到大氣中，從而防止冷裂紋的產生。對于冷裂紋敏感性較大的低合金鋼(如δb＞540Mpa的高強度鋼)和拘束度較大的焊件(如厚度大于38mm的低合金鋼球殼、嵌入式接管與球殼的劉接接頭等)，以及焊接試驗確定需作消氫處理的焊接接頭，應在焊后進行消氫處理。消氫處理必須在焊后立即進行。消氫處理的溫度一般為200~350℃，保溫時間與焊接接頭的厚度有關，一般應不少于半小時。有消氫處理要求的焊接接頭，如果焊接結束后立即進行焊后熱處理，則可免做消氫處理。4．恢復或達到規(guī)定力學性能的熱處理1)冷成形或中溫成形受壓元件的熱處理冷成形或中溫成形的受壓元件，當成形時的變形量較大時，會產生明顯的冷加工硬化，使材料的強度、硬度提高，塑性、韌性降低，同時還會產生較大的內應力。為恢復材料的力學性能，消除或降低殘余加工應力，必要時應對冷成形或中溫成形的受壓元件進行熱處理。對于碳素鋼和低合金鋼制受壓元件，這種熱處理相當于再結晶退火或消除應力退火。①冷成形或中溫成形的受壓元件是否需要進行熱處理，主要取決于冷加工變形程度和受壓元件的使用條件。通常以加工變形率作為衡量冷加工變形程度的指標。加工變形率ε按以下方法計算。a)鋼板成形零件的加工變形率單曲率成形(如鋼板卷圓):ε=(0.5δ/Rf)(1-Rf/Ro)×100%（1-6-1）雙曲率成形(如筒體折邊、封頭成形):ε=(0.75δ/Rf)(1-Rf/Ro)×100%（1-6-2）b)彎管時的加工變形率彎管時的加工變形率取以下兩式計算結果的較大值:ε=r/Ro×100%（1-6-3）ε=(δA－δB)/δA×100%（1-6-4）式1-6-1至1-6-4中ε—加工變形率，%;δ—鋼板的名義厚度，mm;δA一管子彎曲前的實測平均壁厚，mm;δB—彎管段外側的實測最小壁厚，mm;Rf—鋼板或管子彎曲后的中心半徑，mm;Ro—板或管子彎曲前的中心半徑(對于平板或直管，Ro為無限大)，mm；r一管子的名義外半徑，mm。②GB150、GB151規(guī)定下列冷成形或中溫成形的碳素鋼和低合金鋼受壓元件，應在成形后進行熱處理:a)碳素鋼、16MnR圓筒的厚度不小于圓筒內徑的3%(相當于加工變形率ε≥3%);其他低合金鋼圓筒的厚度不小于圓筒內徑的2.5%(相當于加變形率≥2.5%);b)冷成形的封頭;c)有耐應力腐蝕要求時，冷彎U形管的彎管段以及相鄰的至少150mm長的直管段。③除了②中所述圓筒、封頭和U形換熱管外，其他形式的冷成形或中溫成形的碳素鋼和低合金鋼受壓元件(如筒體、錐體的折邊段等)，可參照HG20584-1998中的有關規(guī)定確定是否需在成形后進行熱處理。對于鋼板成形的受壓元件，原則上，雙曲率成形時加工變形率大于5%;單曲率成形時加工變形率大于3%(僅適用于碳素鋼和16MnR材料)或2.5%(其他低合金鋼)，且符合下列條件之一者，應在成形后進行熱處理:a)使用介質的毒性為極度危害或高度危害;b)介質對材料有應力腐蝕危害時;c)成形后厚度減薄大于10%;d)材料要求進行常溫或低溫沖擊試驗;e)板材的名義厚度大于16mm。④除圖樣另有規(guī)定外，冷成形的奧氏體不銹鋼受壓元件可不進行熱處理。一般說來，冷加工變形程度過大時，例如加工變形率大于15%，或者介質對材料有應力腐蝕危害時，應在設計圖樣上提出對此類奧氏體不銹鋼的冷成形受壓元件進行熱處理的要求。這方面的詳細規(guī)定見HG20584-1998。此外，美國ASME規(guī)范規(guī)定，冷成形的奧氏體不銹鋼受壓元件在設計溫度和加工變形率超過某一限度時，應進行成形后的熱處理。舉例來說，對于304型和316型奧氏體不銹鋼受壓元件，當設計溫度在580℃至675℃的范圍內，且加工變形率超過20%;或者設計溫度超過675℃，且加工變形率超過10%時，就應在冷成形后進行熱處理(詳見ASME規(guī)范第Ⅷ卷第1分冊UHA-44)。這方面的規(guī)定可供設計時參考。一冷成形的奧氏體不銹鋼受壓元件需作熱處理時，一般應進行固溶處理或固溶處理加穩(wěn)定化熱處理。2)熱加工受壓元件的熱處理熱加工可能改變材料的供貨狀態(tài)，為確保受壓元件的力學性能，應根據要求的鋼材使用狀態(tài)按以下原則對熱加工的受壓元件(如熱成形的封頭、筒體等)進行必要的熱處理。a)受壓元件所用鋼材要求的使用狀態(tài)為熱軋狀態(tài)時，熱加工后一般可在加工狀態(tài)使用，必要時可在熱加工時帶隨爐加熱的工藝試板，以驗證熱加工后材料的力學性能。b)若所用鋼材要求在正火狀態(tài)使用，熱加工后，原則上應重新進行正火處理。如果熱加工時的加熱溫度與鋼材的正火溫度相當(不應顯著高于正火溫度)，且隨爐加熱的熱加工工藝試板評定合格，可不作隨后的正火處理。c)若所用鋼材要求在正火加回火狀態(tài)使用，熱加工后原則上應重新進行正火加回火處理。如果熱加工時的加熱溫度與鋼材的正火溫度相當，且隨爐加熱的熱加工工藝試板經回火處理后評定合格，則該受壓元件熱加工后可僅作回火處理。d)對于調質狀態(tài)使用的鋼材，受壓元件熱加工后一般應重新進行調質處理。e)奧氏體不銹鋼的熱加工受壓元件應控制熱加工終溫在850℃以上，加工后應快冷(如鼓風或噴水冷卻)。如有晶間腐蝕傾向試驗要求，熱加工后應對工件本身或熱加工工藝試板進行試驗評定，若試驗結果不合格，則應進行固溶處理或穩(wěn)定化熱處理。3)高壓緊固件的熱處理高壓緊固件，特別是高壓容器的螺柱，通常采用40MnB、40Cr、35CrMoA、25Cr2MoVA和40CrNiMoA等合金調質鋼。此類緊固件應通過調質處理(即淬火加高溫回火)達到要求的力學性能。調質處理前應對坯料進行機械粗加工，必要時(例如坯料硬度過高，難以進行切削加工)，還應在機械粗加工前對坯料進行預備熱處理(退火或正火加回火)，以降低硬度，便于切削加工，并使坯料的組織細化、均勻。4)熱處理試件為使受壓元件達到規(guī)定的力學性能而進行的熱處理，如高壓容器螺柱的調質處理以及要求在正火、正火加回火或調質狀態(tài)使用的熱加工受壓元件的熱處理，如果無法直接從熱處理后的工件上割取力學性能試樣，則必須制備熱處理試件，以檢查受壓元件在熱處理后是否達到要求的力學性能。對于鋼板制造的受壓元件，母材熱處理試板應與受壓元件一起進行熱處理。試板的尺寸應滿足力學性能試樣的取樣(包括復驗取樣)要求，且.不應小于3t×3t×t，其中t為鋼板厚度。對于熱處理后需做力學性能的緊固件，應按批做熱處理試樣。每批系指具有相同鋼號、相同爐罐號、相同斷面尺寸、相同制造工藝、同時投產的同類緊固件。5.奧氏體不銹鋼的固溶處理與穩(wěn)定化熱處理1）奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕的原因奧氏體不銹鋼在450~850℃溫度(通常稱為敏化溫度)長期停留時，會在晶界處析出鉻的碳化物(Cr、Fe)23C6，使晶界附近奧氏體的含鉻量降低到鈍化所需的極限含量以下。這樣的奧氏體不銹鋼材料在可能引起晶間腐蝕的電解質中使用時，就會在晶界附近引起腐蝕，這就是奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。受到這種腐蝕的零件，就會因晶粒間的結合力被破壞而失去承載能力。晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼的一種最為常見和危險的破壞形式。2)固溶處理固處理是防止奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的重要手段。固溶處理就是將奧氏體不銹鋼材料或零件加熱到1010~1120℃左右(具體溫度隨鋼種而異)，經適當保溫，使碳化物都溶入奧氏體，然后快速冷卻(通常是水冷)至室溫，獲得單相奧氏體組織。由于固溶處理可消除晶界的貧鉻問題，因此能有效防止奧氏體不銹鋼的晶間