压力容器制造中的热处理

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影响。a)完全退火完全退火是把钢件加热到Ac3以上30~50"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Ac3，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Ar3以下时，奥氏体中首先析出铁素体，继续冷却至Ar1，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，消除钢件中的内应力。b)去应力退火去应力退火是将钢件加热到Ac1以下100~200'C，保温一段时间(在压力容器制造中通常按1h/25mm计算)后，缓慢冷却的工艺方法，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中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Ac1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，实际生产中，钢件的再结晶温度一般取为Ac1以下50~100℃。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50~70℃，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AC1)以上30~50℃，经适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Ac1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(150~250℃)、中温回火(350~500℃)和高温回火(500~650℃)。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①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。奥氏体不锈钢一般不作焊后热处理，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条)。②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Ac1，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，可使焊接接头中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。③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，达到改善焊接焊接接头中的冷裂纹又称为延迟裂纹，是焊接时在Ar3以下冷却过程中或冷却以后所产生的裂纹，形成裂纹的温度通常在马氏体转变范围，约200~300℃以下。这种裂纹可以在焊接后立即出现，也可能延迟几小时、几天甚至更长的时间以后再发生。焊接接头中存在的氢、硬脆组织和应力是导致冷裂纹的主要因素。在许多情况下氢是引起冷裂纹的最活跃的因素，因此，冷裂纹也称为氢致裂纹。焊接时，焊接材料所含水份及其他含氢化合物被电弧的高温所分解，成为原子氢溶入到电弧下的金属熔池中。氢在熔融金属中的溶解度是比较大的，但是当液相金属凝成固相时，氢的溶解度便急剧降低，由于焊接接头处的冷却速度极快，使大部分的氢来不及逸出，而以过饱和状态固溶于凝固了的焊缝金属中。随着固相金属温度降低，特别是从奥氏体转变成铁素体后，氢的溶解度进一步降低，使焊缝金属中氢的过饱和程度更为增加。一部分过饱和的氢原子可以扩散至焊缝金属的表面而外逸到大气中，一部分氢原子扩散到焊缝及近缝热影响区内部的空隙中(例如气孔、非金属夹杂物周围的空隙等)，形成氢分子，体积急骤增大，使这些空隙部位处于高压状态，并在某些细小空隙的尖端产生高应力。此外，由于焊接应力(包括热应力、相变形成的组织应力以及拘束条件等引起的应力)的存在，也会在一些内部缺陷或表面缺陷的前沿产生应力集中。溶于钢中的氢原子在应力梯度的驱动下扩散到上述这些高应力部位而浓集起来，使此处的金属结合强度降低，如果这些部位存在硬脆组织，则当氢的浓度达到某一临界值时，就会在应力的作用下产生微裂纹，然后在扩散氢、应力和硬脆组织同时存在的条件下，微裂纹就逐步扩展成宏观裂纹。2)消氢处理的作用与工艺要求消氢处理就是在焊后立即将焊缝及其邻近的母材加热到较高温度，提高氢在钢中的扩散系数，使焊缝金属中过饱和状态的氢原子加速扩散逸出到大气中，从而防止冷裂纹的产生。对于冷裂纹敏感性较大的低合金钢(如δb＞540Mpa的高强度钢)和拘束度较大的焊件(如厚度大于38mm的低合金钢球壳、嵌入式接管与球壳的刘接接头等)，以及焊接试验确定需作消氢处理的焊接接头，应在焊后进行消氢处理。消氢处理必须在焊后立即进行。消氢处理的温度一般为200~350℃，保温时间与焊接接头的厚度有关，一般应不少于半小时。有消氢处理要求的焊接接头，如果焊接结束后立即进行焊后热处理，则可免做消氢处理。4．恢复或达到规定力学性能的热处理1)冷成形或中温成形受压元件的热处理冷成形或中温成形的受压元件，当成形时的变形量较大时，会产生明显的冷加工硬化，使材料的强度、硬度提高，塑性、韧性降低，同时还会产生较大的内应力。为恢复材料的力学性能，消除或降低残余加工应力，必要时应对冷成形或中温成形的受压元件进行热处理。对于碳素钢和低合金钢制受压元件，这种热处理相当于再结晶退火或消除应力退火。①冷成形或中温成形的受压元件是否需要进行热处理，主要取决于冷加工变形程度和受压元件的使用条件。通常以加工变形率作为衡量冷加工变形程度的指标。加工变形率ε按以下方法计算。a)钢板成形零件的加工变形率单曲率成形(如钢板卷圆):ε=(0.5δ/Rf)(1-Rf/Ro)×100%（1-6-1）双曲率成形(如筒体折边、封头成形):ε=(0.75δ/Rf)(1-Rf/Ro)×100%（1-6-2）b)弯管时的加工变形率弯管时的加工变形率取以下两式计算结果的较大值: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—加工变形率，%;δ—钢板的名义厚度，mm;δA一管子弯曲前的实测平均壁厚，mm;δB—弯管段外侧的实测最小壁厚，mm;Rf—钢板或管子弯曲后的中心半径，mm;Ro—板或管子弯曲前的中心半径(对于平板或直管，Ro为无限大)，mm；r一管子的名义外半径，mm。②GB150、GB151规定下列冷成形或中温成形的碳素钢和低合金钢受压元件，应在成形后进行热处理:a)碳素钢、16MnR圆筒的厚度不小于圆筒内径的3%(相当于加工变形率ε≥3%);其他低合金钢圆筒的厚度不小于圆筒内径的2.5%(相当于加变形率≥2.5%);b)冷成形的封头;c)有耐应力腐蚀要求时，冷弯U形管的弯管段以及相邻的至少150mm长的直管段。③除了②中所述圆筒、封头和U形换热管外，其他形式的冷成形或中温成形的碳素钢和低合金钢受压元件(如筒体、锥体的折边段等)，可参照HG20584-1998中的有关规定确定是否需在成形后进行热处理。对于钢板成形的受压元件，原则上，双曲率成形时加工变形率大于5%;单曲率成形时加工变形率大于3%(仅适用于碳素钢和16MnR材料)或2.5%(其他低合金钢)，且符合下列条件之一者，应在成形后进行热处理:a)使用介质的毒性为极度危害或高度危害;b)介质对材料有应力腐蚀危害时;c)成形后厚度减薄大于10%;d)材料要求进行常温或低温冲击试验;e)板材的名义厚度大于16mm。④除图样另有规定外，冷成形的奥氏体不锈钢受压元件可不进行热处理。一般说来，冷加工变形程度过大时，例如加工变形率大于15%，或者介质对材料有应力腐蚀危害时，应在设计图样上提出对此类奥氏体不锈钢的冷成形受压元件进行热处理的要求。这方面的详细规定见HG20584-1998。此外，美国ASME规范规定，冷成形的奥氏体不锈钢受压元件在设计温度和加工变形率超过某一限度时，应进行成形后的热处理。举例来说，对于304型和316型奥氏体不锈钢受压元件，当设计温度在580℃至675℃的范围内，且加工变形率超过20%;或者设计温度超过675℃，且加工变形率超过10%时，就应在冷成形后进行热处理(详见ASME规范第Ⅷ卷第1分册UHA-44)。这方面的规定可供设计时参考。一冷成形的奥氏体不锈钢受压元件需作热处理时，一般应进行固溶处理或固溶处理加稳定化热处理。2)热加工受压元件的热处理热加工可能改变材料的供货状态，为确保受压元件的力学性能，应根据要求的钢材使用状态按以下原则对热加工的受压元件(如热成形的封头、筒体等)进行必要的热处理。a)受压元件所用钢材要求的使用状态为热轧状态时，热加工后一般可在加工状态使用，必要时可在热加工时带随炉加热的工艺试板，以验证热加工后材料的力学性能。b)若所用钢材要求在正火状态使用，热加工后，原则上应重新进行正火处理。如果热加工时的加热温度与钢材的正火温度相当(不应显著高于正火温度)，且随炉加热的热加工工艺试板评定合格，可不作随后的正火处理。c)若所用钢材要求在正火加回火状态使用，热加工后原则上应重新进行正火加回火处理。如果热加工时的加热温度与钢材的正火温度相当，且随炉加热的热加工工艺试板经回火处理后评定合格，则该受压元件热加工后可仅作回火处理。d)对于调质状态使用的钢材，受压元件热加工后一般应重新进行调质处理。e)奥氏体不锈钢的热加工受压元件应控制热加工终温在850℃以上，加工后应快冷(如鼓风或喷水冷却)。如有晶间腐蚀倾向试验要求，热加工后应对工件本身或热加工工艺试板进行试验评定，若试验结果不合格，则应进行固溶处理或稳定化热处理。3)高压紧固件的热处理高压紧固件，特别是高压容器的螺柱，通常采用40MnB、40Cr、35CrMoA、25Cr2MoVA和40CrNiMoA等合金调质钢。此类紧固件应通过调质处理(即淬火加高温回火)达到要求的力学性能。调质处理前应对坯料进行机械粗加工，必要时(例如坯料硬度过高，难以进行切削加工)，还应在机械粗加工前对坯料进行预备热处理(退火或正火加回火)，以降低硬度，便于切削加工，并使坯料的组织细化、均匀。4)热处理试件为使受压元件达到规定的力学性能而进行的热处理，如高压容器螺柱的调质处理以及要求在正火、正火加回火或调质状态使用的热加工受压元件的热处理，如果无法直接从热处理后的工件上割取力学性能试样，则必须制备热处理试件，以检查受压元件在热处理后是否达到要求的力学性能。对于钢板制造的受压元件，母材热处理试板应与受压元件一起进行热处理。试板的尺寸应满足力学性能试样的取样(包括复验取样)要求，且.不应小于3t×3t×t，其中t为钢板厚度。对于热处理后需做力学性能的紧固件，应按批做热处理试样。每批系指具有相同钢号、相同炉罐号、相同断面尺寸、相同制造工艺、同时投产的同类紧固件。5.奥氏体不锈钢的固溶处理与稳定化热处理1）奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的原因奥氏体不锈钢在450~850℃温度(通常称为敏化温度)长期停留时，会在晶界处析出铬的碳化物(Cr、Fe)23C6，使晶界附近奥氏体的含铬量降低到钝化所需的极限含量以下。这样的奥氏体不锈钢材料在可能引起晶间腐蚀的电解质中使用时，就会在晶界附近引起腐蚀，这就是奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。受到这种腐蚀的零件，就会因晶粒间的结合力被破坏而失去承载能力。晶间腐蚀是奥氏体不锈钢的一种最为常见和危险的破坏形式。2)固溶处理固处理是防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀的重要手段。固溶处理就是将奥氏体不锈钢材料或零件加热到1010~1120℃左右(具体温度随钢种而异)，经适当保温，使碳化物都溶入奥氏体，然后快速冷却(通常是水冷)至室温，获得单相奥氏体组织。由于固溶处理可消除晶界的贫铬问题，因此能有效防止奥氏体不锈钢的晶间