压力容器制造中的热处理

1、压力容器制造中的热处理1. 概述1）热处理对钢材性能的影响 热处理是通过加热和冷却固态金属来改变其内部组织结构并获得所 需性能的一种工艺。对于碳素钢、低合金钢以及合金结构钢，常用的热处理工艺有退火、正火、淬 火、回火以及 它们的组合，如正火加回火、淬火加回火。对于奥氏体不锈钢，常用的热处理工艺是固 溶处理和稳定化热处理（见本节第5条）。 退火退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却（例如随炉冷却）的热处理 工艺。根据钢材成分和热处理目的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化 退火、去 应力退火和再结晶退火等。下面简要介绍完全退火、去应力退火和再结晶退火对钢材组织和性能的

2、 影响。a）完全退火完全退火是把钢件加热到AC3以上3050“C,保温一定时间后在炉内缓慢冷却的热处理 工艺， 主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢。由于加热温度略高于Ac 3,珠光体和铁素体全部转变为奥氏体，且奥氏体晶粒比较细小。随炉冷却至Ar 3以下时，奥氏体中首先析出铁素体，继续冷却至An,以下时，剩余的奥氏体全部转变为珠光体。经过这样的加热和冷却过程的相 变，可细化晶粒并获得接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善加工性能，消除钢件屮的内应力。b）去应力退火去应力退火是将钢件加热到Aci以下100-200-0,保温一段时间（在压力容器制造中通 常按1 h/25mm计算）后，缓慢冷却的工艺方法，

3、其目的是去除或降低冷成形、焊接等所产牛的砖全应力. 稳宁结构尺寸。去应力退火时，钢材并不发生相变，但可以消除焊接接头中的淬硬组织（马氏体）， 从而改善韧性。钢件或焊接结构中残余应力的降低主要是在加热、保温及缓慢冷却过程屮通过塑性变 形所产生的应力松弛来实现的。c）再结晶退火钢件的冷塑性变形（如封头的冷成形等）会导致冷加工硬化，使材料的强度、硬度提高，塑 性、韧性降低，并产生较大的内应力。再结晶退火是将钢件加热到不超过Aci的温度，经适当保温后随炉缓慢冷却的工艺操作。由于温度升高时原子活动能力增大，使冷变形时破碎的、被 拉长或压扁的晶粒，通过新晶体形核及核长大的过程变为均匀细小的等轴晶粒，从而消

4、除钢件的内应力和冷加工硬化，降低钢件的强度和硬度，恢复其塑性和韧性。应当指出，再结晶不 是一个相变过程，没有晶格类型的变化。再结晶也没有恒定的转变温度，一般说来，金属的冷变形 量越大，退火加热时保温时间越长，越可使再结晶过程在较低的温度下完成，实际生产屮，钢件的再 结晶温度一般取为Aci以下50-1 OOCo 正火对于压力容器中常用的亚共析钢，正火是将钢件加热到AC3以上5070C,保持一定时间后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。正火与完全退火的主要区别在于正火的冷却速度 较快，使组织中的珠光体量增多，且珠光体的层片厚度减小，因此，钢件经正火处理后，除能细化晶粒外，还能获得较高的强度和

5、较好的综合力学性能。与完全退火相比，正火处 理不但能获得较高的力学性能，而且生产周期短，经济简便，因而在可能的条件下，通常优先采用 正火处理。正火是压力容器用材料的常用热处理工艺。对于较厚的压力容器用钢板，正火处理能使钢板在 整个截面上具有比热轧状态更为均匀的细晶组织和更为均匀的力学性能，因此GB150规定，用于壳体的厚度大于30mm的20R和16MnR .用于其他受压元件（法兰、管板、平盖 等）的厚度大于50mm的20R和16MnR以及厚度大于16mm的15MnVR钢板应在正火状态下 使用。 淬火淬火是把钢加热到临界点（对于亚共析钢为AC3,对于共析钢和过共析钢为AC“以上3050C, 经适

6、当保温后快速冷却的热处理工艺。淬火处理会使钢件在横截面的全部或一走范围内发生马氏体等 不稳定组织结构转变，从而提高其强度和硬度。 回火回火是将经过淬火或正火的钢材或零件加热到Aci以下的适当温度，保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能和热处理工艺。钢件淬火后的组织往往既硬又脆，而且是不稳定的组织，这样的工件一般不能直接使用，需要 进行回火处理。回火的目的是：降低钢件的脆性；消除或降低内应力；通过调整回火温度获得所要求的力学性能；稳定尺寸；改善加工性。根据钢件性能要求不同，回火可分为低 温回火 （150-250C卜屮温回火（350-500C ）和高温回火（50

7、0-6500。淬火后的钢件经 高温回火后得 到的组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。淬火加高温回火又 称为调质处理，是某些压力容器材料和零件如20MnMo , 20MnMoNb ,3SCrMo等钢号的锻件以及低合金钢和马氏体高合金钢螺柱（螺栓）的常用热处理工艺。2）压力容器制造中常用热处理的种类根据钢在加热和冷却时的组织与性能变化规律，热处理工艺可分为如前所述的退火、正火、淬 火、回火等。压力容器制造中的热处理也可按其目的来分类，根据热处理的主要目的，压力容器制 造中的常用热处理也可分为焊后热处理、消氢处理、恢复或达到规定力学性能的热处理以及奥氏体 不锈钢的固溶处

8、理和稳定化热处理。2. 焊后热处理1）焊后热处理的目的与种类 焊后处理的主要目的是降低焊接残余应力，改善焊接接头的组织与性能。焊后若能立即进行 热处理，还有利于释放焊缝金属中的氢，防止焊接接头产生冷裂纹。对于碳素钢和低合金钢制造的压力容器或其受压元件，根据热处理温度的不同，焊后热处理可分为：低于下转变温度的热处理（通常称为焊后消除应力热处理）：高于上转变温度的热处理 （如正火）；先在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的热处理（正火或淬火后继之以回火）；上下转变温度之间的热处理。奥氏体不锈钢-般不作焊后热处理，必须进行热 处理且有抗晶间腐蚀要求时，可进行固溶处理或稳定化热处理（详见本节第5

9、条）。 对于碳素钢和低合金钢，最常用的焊后热处理是低于下转变温度的热处理，即热处理的加热温度低于材料的下转变温度Aci,相当于本节概述中的去应力退火，因此又称为焊后消除应力热处理。热处理的主要目的是降低残余应力，稳定结构尺寸。由于热处理温度与材料的 高温回火温度相当，对于有淬硬倾向的材料，此类热处理还能消除焊接接头中的淬硬 组织，降低峰 值硬度，改善焊接接头的塑性与韧性。此类热处理降低残余应力的机理是：随着温度的升高，材料的屈服限（或屈服强度）将降低，经 过一定时间的保温，可使焊接接头屮较高的残余应力通过塑性变形降低至保温温度下材料一或焊缝金 属屈服限（或屈服强度）的水平，如果在高温下停留的时

10、间较长，还会因蠕 变变形所产生的应力松 弛使残余应力进一步降低。 高于上转变温度的焊后热处理主要用于电渣焊焊接接头，其目的是细化晶粒，改善焊接接头 的性能。电渣焊缝的结晶组织是十分粗大的柱状晶粒，韧性较差，因此必须采用高于上转变温度的 焊后热处理（如正火），使焊缝金属和母材全部奥氏体化，并通过控制加热 温度和保温时间，防止 奥氏体晶粒粗化，从而在冷却后获得均匀的细晶组织，达到改善焊接接头性能特别是韧性的目的。 由于此类热处理的加热温度远高于消除应力热处理的温度，当然也能起到消除或降低焊接残余应力的 作用。除了电渣焊焊接接头的细化晶粒热处理外，以下情况也应视为高于上转变温度的焊后热处理。a）先拼

11、板后成形的封头或其他受压元件，如果采用高于上转变温度的热成形工艺，则此类受压 元件上的焊接接头在热成形过程中就经受了高于上转变温度的焊后热处理。b）正火加回火或调质状态使用的钢材所焊制的受压元件，为满足使用状态要求，需要在热成形 后重新进行正火或淬火处理时，则这种热处理对于此类受压元件上的焊接接头来说也是高于上转变温 度的焊后热处理。 要求在正火加回火状态使用的材料（如18MnMoNbR . 15CrMoR等），其电渣焊焊接接头或先拼板然后进行热成形的受压元件，通常要求在正火（或相当于正火的热成形）后再进行回火处理，对于焊接接头来说，这样的热处理就属于先在高于上转变温度，继之在低于下转变 温度

12、进行的焊后热处理。 在压力容器的制造中很少采用上下转变温度之间的焊后热处理，个别材料（如10MoWVNb ）与碳钢或低合金钢相焊时，可能会涉及这样的焊后热处理。这是因为这种材 料（如 10MoWVNb ）要求的焊后热处理温度接近或超过了相焊接的碳钢或低合钢的下转变温度，而热处理 温度原则上应满足要求较高一侧材料的规定，这样的异种材料焊接接头进行焊后热处理时，就会使碳 钢（或低合金钢）一侧的母材和其上的焊接接头经受上下转变温度之间的热处理。由于上下转变温 度之间的热处理会改变材料的供货状态，影响材料的力学性能，因此，在进行这样的焊后热处理之前，必须进行充分的试验和焊接工艺评定，以验证热处理后碳钢

13、或低合金钢一侧的母材和焊接接头的性能能否满足要求。2）容规、GB150等标准关于容器或其受压元件在什么情况下需进行焊后热处理的规定容器 及其受压元件符合下列条件之一者，应进行焊后热处理，但奥氏体不锈钢的焊接接头，除图样另有 规定外可不进行热处理。 A、B类焊接接头处钢材厚度 3符合以下条件者：a）碳素钢、15MnNbR 07MnCrMoVR厚度大于32mm （如焊前预热100C以上时，厚 度大于 38mm）;b）16MnR及16Mn厚度大于30mm （如焊前预热100 C以上时，厚度大于34mm ）;c）15MnVR及15MnV厚度大于28mm （如焊前预热100 C以上时，厚度大于32mm

14、）;d）任意厚度的 18MnMoNbR、13MnNiMoNbR. 15CrMoR 14Cr1MoR. 12Cr2Mo1R 20MnMo、20MnMoNb、 15CrMo、 12Cr1MoVs 12Cr2Mo1 和 1 Cr5Mo 钢。注:对于钢材厚度3不同的焊接接头，上述厚度按薄者考虑；对于异种钢材相焊的焊接接头，按热处理严者确定。 图样注明有应力腐蚀的容器，如盛装液化石油气、液氨等的容器。 图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器。 钢板厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温容器或元件，包括承受较大载荷需做强度计 算的非受压元件与受压元件之间的连接焊缝。 多层包扎容器内筒的A类焊接接头。

15、 碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过113圆筒内径的管箱。 拼接后的管板。 用钢板拼接焊制的设备法兰。 采用电渣焊或线能量较大的立焊焊接的压力容器受压元件应在焊后进行细化晶粒的正火或正 火加回火处理。3）焊后热处理的温度和保温时间温度和保温时间是焊后热处理的重要工艺参数。 焊后热处理的温度a）常用材料的焊后热处理温度可参照 TB/T4709及有关标准的规定。b）调质或正火加回火状态供货的钢材进行低于下转变温度的焊后热处理时，热处理温度应低于 钢材的原回火温度（经试验证明焊后热处理后仍能保证钢材性能者，可不受此限）。c）异种钢材相焊时，热处理温度应按两者要求温度的

16、较高者。d）非受压元件与受压元件相焊时，热处理温度应按受压元件的规定。e）热处理是焊接工艺评定的重要因素，压力容器或其受压元件的焊后热处理温度应与所适用的 焊接工艺评定屮试件的焊后热处理温度基本相同。 焊后热处理的保温时间a）焊后热处理的最短保温时间与压力容器或受压元件的焊后热处理厚度SPWHT有关。Ewht按以下规定选取。对于等厚度的全焊透对接接头&WHT为对接焊缝的厚度（余高不计）。组合焊缝（坡口焊缝加角焊缝），$WHT为坡口深度与角焊缝厚度的较大者。对于不等厚焊接接头，SPWHT为:对接接头较薄一侧的母材厚度；壳体与管板、平封头、盖板、凸缘或法兰相焊时，取壳体厚度；接管、人孔与壳体相焊时

17、，取接管厚度（注：此厚度仅适用于骑坐式接管 ）、壳体（或封头）厚度、补强板厚度以及连接角焊缝厚度中的 较大者；接管与高颈法兰相焊时，取对接处的管子厚度；管子与管板相焊时取焊缝厚度。非受压元件与受压元件相焊时，取焊接处的焊缝厚度。-一焊接返修时，bwHT为返修深度。一一对于同一炉内进行焊后热处理的压力容器及受压元件，WHT应取上述所有焊后热处理厚度的最大值。b）对于低于下转变温度的焊后热处理，当母材为碳素钢和强度型低合金钢（即焊接工艺评定中材料的类别号为I、II、III、VI类）且命WHT WJOmm时，最短保温时间为（PwHT/25h,且不少于1/4 h,当aPwHT 125mm时，最短保温时

18、间为2+1/4 awht 50） /25 h;对 于焊接工艺评定 中类别号为W类和V类的材料，当 $wht 125mm时，为【5+仙X PWMT-呦 皿C）当碳素钢和强度型低合金钢的焊后热处理（指低于下转变温度的热处理）温度低于JBIT4709-2000表6规定温度的下限值时，其最短保温时间应按表的规定。養旦嫦扁热处理温度低于规定值的保温时何比规定温度范ia下限值降低温度数值，f降抵湍度后最短保温吋何珥h2525541吓2033AI25mm时，悍度每增加笳巾皿最短保邀时间应增加！対阮2仅适用于碳素钢和）6MnR讯d）对于电渣焊或线能量较大的立焊焊接的受压元件的正火处理，为避免奥氏体晶粒粗 大，

19、保温 时间不宜过长，一般为每毫米厚度保温0.5 1分钟左右，在确定保温时间时，可参考钢材生产单 位的正火处理工艺，并应经母材和焊接接头的热处理工艺试验验证。e）压力容器或受压元件焊后热处理的累计保温时间应不大于相应的焊接工艺评定试件保温时间 的1.25倍。4）焊后热处理的方法及其应用 焊后热处理的方法有炉内整体热处理、整体热处理、分段热处理和局部热处理。 炉内整体热处理a）炉内整体热处理就是将压力容器或受压元件整体放在封闭的炉内进行热处理。需要进行焊后 热处理的容器或其受压元件应优先采用这种方法进行热处理，容规规定高压容器、屮压反应容器 和储存容器、盛装混合液化石油气的卧式储罐、移动式压力容器应采用炉内整体热处理。b）压力容器或其受压元件在炉内进行整体焊后热处理时，产品试板应与容器或其受压 元件同炉 进行热处理。c）炉内整体焊后热处理的操作应符合如下规定:焊件进炉时炉内温度不得高于400C ;一一焊件升温至400 C后，加热区升温速度不得超过5000/ 3G/h （ 3为焊件的最大厚度，mm）,且不得超过200C/h,最小可为50C/h;-升温时，加热区内任意s000 mm长度内的温差不得大于120 C;保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65C;升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化；一一炉温高于400C时，加热区降温速度不得超过6500/ 3C/h,且