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关于焊后消氢及热处理

日期:2022-02-20 07:59:01


刘明强

焊接前必须预热重要部件、合金钢和厚部件的焊接。焊前预热的主要作用如下:

(1)预热可以减缓焊接后的冷却速度,有利于扩散氢在焊缝金属中的逸出,避免氢裂纹。同时,也降低了焊缝和热影响区域的硬化程度,提高了焊接接头的抗裂性。

(2)预热可以降低焊接应力。均匀的局部预热或整体预热可以降低焊接区域焊接工件之间的温差(也称为温度梯度)。低了焊接应力,另一方面降低了焊接应变率,有利于避免焊接裂纹。

(3)预热可降低焊接结构的约束度,尤其是角接头。随着预热温度的升高,裂纹的发生率下降。

预热温度和层间温度的选择不仅与钢和焊条的化学 成分有关,还与焊接结构的刚度、焊接方法和环境温度有关。此外,预热温度在钢板厚度方向的均匀性和焊接区域的均匀性对降低焊接应力有重要影响。局部预热的宽度应根据焊接工件的约束程度确定,一般为焊接区域周围壁厚的三倍,不小于150-200毫米。若预热不均匀,不但不减少焊接应力,反而会增加焊接应力。

焊后热处理有消氢、消除焊接应力、提高焊缝组织和综合性能三个目的。

焊后消氢处理是指焊缝未冷却至100℃以下是低温热处理。一般规范加热到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着。

关于焊后消氢及热处理

在焊接过程中,由于加热和冷却的不均匀性,以及部件本身的约束或外部约束,焊接工作结束后,部件中总是会产生焊接应力。部件中焊接应力的存在会降低焊接接头区域的实际承载能力,产生塑性变形,严重损坏部件。

消应力热处理是降低焊接工件在高温下的屈服强度,以达到放松焊接应力的目的。常用的方法有两种:一种是整体高温回火,即将焊件整体放入加热炉中,慢慢加热到一定温度,然后保温一段时间,最后在空气中或炉内冷却。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,即只加热焊缝及其附近区域,然后缓慢冷却,降低焊接应力峰值,使应力分布相对温和,部分消除焊接应力。

部分合金钢材料焊接后,焊接接头会出现硬化组织,使材料的化材料的力学性能。此外,在焊接应力和氢的作用下,这种硬化组织可能会对接头造成损坏。如果经过热处理,接头的金相组织得到改善,焊接接头的塑性和韧性得到提高,焊接接头的综合力学性能得到提高。

300消氢处理~在400度的加热温度范围内保温一段时间。其目的是加速焊接接头中氢的逸出,消氢处理效果优于低温后热处理。焊接后和焊后热处理、及时后热和消氢处理是防止焊接冷裂纹的有效措施之一,厚度超过100mm厚壁压力容器等重要产品部件在焊接过程中,应进行2至3次中间消氢处理,防止厚板多层焊氢积聚引起的氢裂纹。

在压力容器设计中考虑热处理

热处理作为一种传统而有效的改善和恢复金属性能的方法,在压力容器的设计和制造中一直是一个相对薄弱的环节。压力容器包括四种热处理:焊后热处理(消除应力热处理)、提高材料性能热处理、恢复材料性能热处理、焊后氢处理。本文重点讨论了压力容器设计中广泛使用的焊后热处理的相关问题。

1.奥氏体不锈钢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降低高温下的屈服极限,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,同时提高焊接接头和热影响区的塑性和韧性,提高抗应力腐蚀能力。这种消除应力的方法广泛应用于碳钢和低合金钢制压力容器,具有体心立方晶体结构。奥氏体不锈钢的晶体结构是面心立方体。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动表面,因此具有良好的韧性和应变强化性能。此外,在压力容器的设计中,不锈钢的选择往往是为了防止腐蚀,满足温度的特殊要求。此外,不锈钢与碳钢和低合金钢相比价格昂贵,因此壁厚不会很厚。因此,考虑到正常操作的安全性,没有必要对奥氏体不锈钢制压力容器的设计提出焊后热处理的不稳定要求。如果存在不稳定的材料使用和其他相关单位的影响设计,则不稳定。对比实验,提出可行的热处理方案,确保压力容器的综合使用性能不受影响。否则,如果不充分考虑热处理对奥氏体不锈钢压力容器的需求和可能性,简单地比较碳钢和低合金钢,并对奥氏体不锈钢提出热处理要求,往往是不可行的。在现行标准中,对奥氏体不锈钢压力容器焊接后热处理的要求相对模糊。GB150-89钢制压力容器10.4.1.3.规定:除图纸另有规定外,冷成型奥氏体不锈钢封头不得热处理。至于其他情况,热处理是否可能因不同人的理解而异。GB钢制压力容器150-1998.4.1.规定容器及其压力元件符合下列条件之一的,应进行热处理。第二项和第三项是:装有液化石油气、液氨等应力腐蚀的容器和装有毒性极高或高危介质的容器。只有10.4.1.1.f)规定:除图纸另有规定外,奥氏体不锈钢焊接接头不得进行热处理。分析标准表达的层次,这一要求应理解为主要针对第一项中列出的各种情况。上述第二项和第三项的情况可能不包括在内。因此,建议在适当的时候添加10.4.1.1.f)”改为用“10.4.1.4的表达方式。这可以更全面、更准确地表达对奥氏体不锈钢压力容器焊接后热处理的要求,使设计师能够根据实际情况决定奥氏体不锈钢压力容器是否需要热处理以及如何进行热处理。第74条第99版《容量规则》明确规定:奥氏体不锈钢或有色金属压力容器焊接后一般不需要热处理。如有特殊要求,应在图纸上注明。

2、 爆炸不锈钢复合钢板容器热处理爆炸不锈钢复合钢板由于其优越的耐腐蚀性和机械强度的完美结合及其合理的成本性能,在压力容器行业的应用越来越广泛,但该材料的热处理问题也应引起压力容器设计师的注意。压力容器设计师通常更注重复合板的技术指标是其组合率,而复合板的热处理问题往往很少被考虑或认为应由相关的技术标准和制造商考虑。金属复合板爆炸加工的过程本质上是在金属表面施加能量的过程。在高速脉冲的作用下,复合材料倾斜到基底上,在金属射流状态下,复合金属与基底金属之间形成锯齿形的复合界面,实现原子之间的组合。爆炸后的基底金属实际上个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。不管是Q235系列钢材还是16MnR,爆炸加工后检测其机械性能指标,均呈现上述应变强化现象。在这方面,钛钢复合板和镍钢复合板都需要爆炸复合板,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:根据供需双方的协议,热扎或热处理也可以交付。GB4733-94《压力容器爆炸不锈钢复合钢板》规定:复合钢板需要热处理、校平、切割或切割。根据需方的要求,复合表面可以酸洗、钝化或抛光,也可以在热处理状态下供应。这里没有提到如何进行热处理。造成这种情况的主要原因仍然是上述奥氏体不锈钢晶间腐蚀的敏化区。GB8547-87《钛-钛规定在钢复合板中-消除应力热处理的热处理系统为: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,很难明确规定爆炸复合奥氏体不锈钢板的热处理。我们的压力容器设计师应该有一个清晰的认识,给予充分的关注,并采取相应的措施。首先,复合不锈钢不得选择1Cr18Ni9Ti,原因是低碳奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9 相比,其碳含量高,更容易敏化,降低其抗晶间腐蚀能力。此外,当爆炸复合奥氏体不锈钢板制成的压力容器外壳和密封件在恶劣条件下使用时,如高压、高压波动、极高危介质时,应选择00Cr17Ni14Mo这种超低碳奥氏体不锈钢可以最大限度地降低敏化的可能性。并应明确提出复合板的热处理要求,并与相关方协商确定其热处理系统,以实现基材具有一定的塑性储备,复合材料具有所需的耐腐蚀性。

由于制造商条件和经济利益的限制,许多人探索了用其他方法取代压力容器的整体热处理。虽然这些探索是有益和有价值的,但它们并不能取代压力容器的整体热处理。在目前有效的标准和程序中,对整体热处理的要求尚未放宽。在各种替代整体热处理的方案中,典型的有:局部热处理、锤法消除焊接残余应力、爆炸法消除焊接残余应力和振动法、热水浴法等。局部热处理:在GB钢制压力容器150-1998.4.5.3中规定:“B、C、D类焊接接头,球形封头与圆筒相连的A局部热处理方法可用于类焊接接头和缺陷焊补部位。这一规定意味着气缸上A不允许使用局部热处理方法,即整个设备不允许使用局部热处理方法,其中一个原因是焊接残余应力不能对称消除。锤法消除焊接残余应力:即通过人工锤,在焊接接头表面添加一层压力应力,部分抵消残余拉应力的不利作用。原则上,该方法可以抑制应力腐蚀开裂。但由于在实际操作过程中没有定量指标和更严格的操作程序,此外,对比使用的验证工作还不够,也没有被现行标准所采用。爆炸法消除焊接残余应力:将炸药制成胶带,粘附在设备内壁的焊接接头表面,其机制与锤法消除焊接残余应力相同。据说该方法可以弥补锤法消除焊接残余应力的一些不足,但两个条件相同的液化石油汽车储罐分别采用整体热处理和爆炸法消除焊接残余应力进行比较试验,一年后发现前者焊接接头完好无损,爆炸法消除焊接残余应力储罐焊接接头出现许多裂纹。这样,流行的爆炸法消除焊接残余应力的方法就会保持沉默。还有其他方法可以消除焊接残余应力,由于各种原因尚未被压力容器行业所接受。简而言之,压力容器焊接后的整体热处理(包括炉内分段热处理)虽然能耗大,周期长,但在实际操作中由于压力容器结构等因素,仍面临各种困难。


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