#WPV热处理1003.docx

资源描述

#WPV热处理1003.docx

《#WPV热处理1003.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《#WPV热处理1003.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

#WPV热处理1003.docx

#WPV热处理1003

压力容器热处理有关要求

一、热处理相关专业知识

金属热处理工艺是将工件加热、保温、冷却，通过改变金属及合金表面的或内部的组织结构来控制其性能的工艺。

基本工艺方法有：

退火、正火、淬火、回火和化学热处理。

材料的组织结构与性能变化直接影响到其使用，在实际生产中根据不同需要可采用不同的热处理工艺方法。

<1）退火

将金属及其合金加热到一定温度，保温后在炉内缓慢冷却，使其组织结构达到或接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。

退火可从不同角度分类：

1）按退火的目的不同可分为：

均匀化退火<扩散退火）、完全退火、球化退火、消除应力退火和去氢退火等。

2）按退火时组织转变的特点可分为：

细化晶粒退火、再结晶退火、球化退火等。

3）按退火工艺方法可分为：

低温退火、不完全退火、完全退火、等温退火、高温退火等。

压力容器常用的退火工艺为消除冷加工残余应力的再结晶退火，即：

低碳钢、低合金钢加热到600℃以上，保温、炉冷至400℃以下空冷，详见NB/T47015-2018中的有关规定。

<2）正火（Normalizing-N>

正火是将工件加热到临界点Ac3以上适当温度并保持一定时间<使工件完全奥氏体化），然后在空气中冷却的热处理工艺。

正火所达到的效果与材料的成分及组织形态有关，过共析钢正火后可消除网状碳化物，低碳钢正火后切削加工性得到显著改善，所有材料经过正火后都可以消除内应力和细化晶粒，达到正常化的目的，具有好的综合性能。

许多锅炉压力容器用钢板都以正火状态供货。

<3）淬火（Quenching-Q>

淬火是将钢加热到临界温度Ac3以上，保温后快速<大于临界淬火速度）冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

钢经过淬火后强度、硬度和耐磨性提高，一定含碳量的淬火马氏体经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。

中碳钢、中碳合金钢经淬火加高温回火<调质处理），可得到较好的强度、塑性、韧性的配合。

如：

用35#钢和35CrMoA钢制作螺栓一般都要进行调质处理。

但因为马氏体硬而脆，韧性差内应力大极易产生裂纹，锅炉压力容器主体材料及焊缝的组织中一般不希望出现马氏体组织。

淬火根据分类的原则不同可以分为不同种类：

1）按加热温度不同可分为完全淬火、不完全淬火、二次淬火、循环加热淬火。

2）按淬火部位不同可分为整体淬火、表面淬火、局部淬火。

3）按冷却方式及条件不同分为：

直接淬火、等温淬火、形变等温淬火。

<4）回火（Tempering-T>

回火是将淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，然后以一定的方式冷却，以获得所需组织和性能的热处理工艺。

回火的本质是淬火马氏体分解以及碳化物析出、聚集长大的过程，回火转变是典型的扩散型相变。

其目的主要是降低材料的内应力，提高韧性，通过调整回火温度，可获得不同硬度，强度和韧性，以满足所要求的力学性能。

回火工艺按照回火温度及组织变化可分为时效硬化、低温回火<<250℃）、中温回火<350～500℃）、高温回火<>500℃）。

回火工艺按照回火部位可分为全部回火、局部回火。

压力容器及零部件的热处理分为：

改善或恢复材料力学性能的热处理和焊后消除应力热处理<焊后热处理）。

2．焊后热处理[SR

消除应力的焊后热处理[StressRelief（PWHT>-SR（P>]是焊后应用得最广泛的热处理方法。

这种热处理因为它不改变焊接接头显微组织，它的加热温度都在A1线以下，按其厚度进行保温以达到消除应力的效果。

如Q245R或Q345R等一般加热温度在600℃以上，当厚度不大于50mm时，每25mm厚保温1小时后随炉冷却至400℃以下空冷则可达到消除应力的目的。

二、压力容器及零部件热处理的法规标准

压力容器及零部件的热处理至今无一专业标准，压力容器及零部件热处理涉及到众多的压力容器法规标准。

其中涉及到固定式和移动式压力容器有：

《固定式压力容器安全技术监察规程》、《移动式压力容器安全技术监察规程》、GB150《压力容器》、GB151《钢制管壳式换热器》、GB12337《钢制球形储罐》、GB50094《球形储罐施工及验收规范》；、NB/T47015-2018《压力容器焊接规程》、GB/T25189-2018《压力容器封头》、JB/T10175-2008《热处理质量控制要求》、GB/T9452-2003《热处理炉有效加热区测定方法》等；涉及到气瓶的有：

《钢制焊接气瓶》、《液化石油气钢瓶》等。

我们以涉及到固定式和移动式压力容器热处理的法规标准为主进行讲述。

三、压力容器及零部件热处理的方法

一、压力容器焊后热处理方法

压力容器热处理最常用的也是唯一的方法是焊后热处理[SR

对于碳钢和低合金钢焊接件，[SR

压力容器焊后热处理有三种方式：

1、整体焊后热处理

整体焊后热处理又分为炉内整体加热法和容器内部加热法。

条件许可时应优先采用炉内整体加热法。

炉内整体加热法是将容器装入封闭炉的有效加热内整体加热。

容器内部加热法是采取在容器内部加热，外部保温，多用于球罐和现场组焊需要热处理的大型压力容器。

2、整体分段焊后热处理

当容器的长度超过热处理炉的长度，无法整体加热时，允许分段加热进行热处理。

将容器分段装入炉内加热，加热各段重叠部分至少为1500mm，容器炉外部分采取保温措施，防止产生有害温度梯度。

3、焊后局部热处理

焊后局部热处理包括：

B、C、D、E类焊接接头、球形封头与圆筒连接接头以及缺陷焊补

部位，允许采用焊后局部热处理。

因为焊后局部消除应力热处理的效果较炉内整体消除应力热处理差，因GB150和NB/T47015对局部消除应力热处理方法的应用作出了较为明确的限制。

二、压力容器零部件热处理方法

压力容器零部件主要涉及的是凸形封头<以下简称：

封头）、多层包扎和钢带错绕容器内筒、筒节、换热器管板、换热器管箱和浮头盖、紧固件等。

压力容器零部件热处理方法有二种：

焊后热处理[SR

如15CrMoR钢板制封头，冷成形<冷冲压、冷旋压）或温成形的凸形封头加工过程：

经下料—拼缝—拼接对接焊缝SR

封头第一次热处理则是为了焊后消除焊接应力SR

该封头在PV制造过程中经历了：

又如15CrMoR钢板制封头，经下料—拼缝—拼接对接焊缝SR

封头第一次热处理则是为了消除焊接应力SR

该封头在PV制造过程中经历了：

又如S30408钢板制封头，封头所焊制的容器有耐蚀性能要求。

封头经下料—热<冲压）成形—恢复材料性能热处理

因为热成形破坏了封头材料的耐蚀性能，封头进行了恢复材料性能热处理

该封头在PV制造过程中经历了：

S热处理。

1、压力容器封头的热处理方法又分为碳钢和低合金钢制封头和奥氏体不锈钢制封头热处理。

碳钢和低合金钢制封头的热处理方法有恢复材料性能热处理[正火、正火+回火、调质<淬火+回火）]、再结晶退火热处理

奥氏体不锈钢制封头的热处理方法有：

恢复材料性能热处理—固溶

2、多层包扎和钢带错绕容器内筒的热处理方法有：

焊后消除应力热处理[SR

3、筒节的热处理方法有：

焊后消除应力热处理[SR

4、紧固件的热处理方法有：

正火、正火+回火、调质<淬火+回火）。

四、压力容器焊后热处理工艺

1、怎样确定压力容器焊后热处理最短保温时间

压力容器焊后热处理最短保温时间和最低保温度是焊后热处理规范参数中最重要的参数。

而压力容器焊后热处理最短保温时间的确定，是一直以来都有争议的。

压力容器焊后热处理最短保温时间与被热处理的工件厚度成比例关系。

NB/T47015的4.6.2和GB150.4的8.2都将压力容器焊后热处理厚度δPWHT作为确定压力容器焊后热处理最短保温时间的依据，也就是将δPWHT作为确定焊后热处理最短保温时间的厚度。

压力容器焊后热处理的目的是为了消除焊件的残余焊接应力，以保证焊件的使用性能及稳定尺寸，保证焊件的安全使用。

因此，决定焊后热处理厚度的是焊缝厚度而不完全是A、B类焊接接头处钢材厚度。

显而易见将δPWHT作为确定压力容器焊后热处理规范参数的依据的规定更为具体，更为合理且符合实际。

2、焊后热处理厚度δPWHT的确定

<1）等厚度全焊透对接接头的δPWHT为焊缝厚度<不计余高），此时δPWHT与母材厚度相同。

<2）以对接焊缝连接的焊接接头中，δPWHT等于焊缝厚度；以角焊缝连接的焊接接头中，δPWHT等于角焊缝厚度；以组合焊缝连接的焊接接头中，δPWHT等于对接焊缝和角焊缝厚度中较大者。

<3）不同厚度受压元件相焊时的δPWHT：

1）两相邻对接受压元件中取其较薄一侧母材的厚度；

2）如图6.1所示筒体内封头，则取壳体厚度或角焊缝厚度中较大者；

3）在壳体上焊接管板、平封头、盖板、凸缘或法兰时，除图6.2所示δf＞δo外，取壳体厚度；

4）接管、人孔等连接件与壳体、封头相焊时，取连接件颈部焊缝厚度、壳体焊缝厚度、封头焊缝厚度；或补强圈角焊缝和连接件角焊缝厚度中较大者；

5）接管与法兰相焊时，取接管颈在接头处的焊缝厚度；

6）当非受压元件与受压元件相焊时，取焊接处焊缝厚度；

7）管子与管板焊接时，取其焊缝厚度；

8）焊接返修时，取所填充的焊缝金属厚度。

<4）下列情况下，应按未经焊后热处理的压力容器或零部件中最大δPWHT，作为焊后热处理的计算厚度：

1）压力容器整体焊后热处理；

2）同炉内装入多台压力容器或零部件。

图6.1内封头焊接接构图（NB/T47015的图2>；

图6.2壳体厚度小于管板、平封头、盖板、法兰时的焊接结构示意图

3、GB150-2018、《固容规》、《移动容规》对压力容器PWHT要求

对于碳钢和低合金钢制压力容器，是否需要焊后热处理主要取决于容器盛装的介质、设计温度、母材类别、材料强度、材料厚度等因素。

表6.1GB150-2018、《固容规》、《移动容规》对压力容器PWHT要求

影响因素

类别

δPWHT

材料牌号及说明

介质

盛装毒性为高度或极度危害介质的容器

任意厚度

碳钢和低合金钢；如液氯储罐等

有应力腐蚀倾向的容器

任意厚度

如LPG储罐、液氨储罐等

设计温度低于-45℃

任意厚度

碳钢和低合金钢容器<-70℃09MnNIDR）

多层包扎容器

内筒A类焊接接头

任意厚度

碳钢和低合金钢容器

设计要求PWHT

按设计要求

碳钢和低合金钢容器

母材

Cr-Mo钢

任意厚度

*15CrMoR等

Mn-Mo钢/

Mn-Mo-Ni钢

任意厚度

（Fe-3-2>20MnMo。

（Fe-3-3>20MnMoNb、20MnNiMo、18MnMoNbR、13MnNiMoR

3．5Ni钢

任意厚度

（Fe-9B>08Ni3DR、08Ni3D

碳素钢、碳-锰钢

≥32mm

≥38mm<焊前预热100℃以上）

（F-1-1>碳素钢、P265GH。

（F-1-2>Q345R、16Mn、P355GH。

（F-1-3>Q370R；

Rm≥540MPa的C-Mn钢

≥32mm

≥38mm<焊前预热100℃以上）

（Fe-1-4>07MnM0VR、07MnNiVDR、07MnNiMoDR、12MnNiVR、08MnNiMoVD；

C-Mn低温钢

≥25mm

C-Mn-Mo低温钢

＞20mm<设计温度≥-30℃的低温压力容器）

任意厚度<设计温度＜-30℃的低温压力容器）

C-Mn-Ni低温钢

＞20mm<设计温度≥-45℃的低温压力容器）

任意厚度<设计温度＜-45℃的低温压力容器）

铁素体钢

＞10

注：

*12Cr1MoVR、12Cr1MoV:

（Fe-5A>12Cr2Mo1R、12Cr2Mo1。

（Fe-5B>1Cr5Mo:

（Fe-5C>12Cr2Mo1VR、、12Cr2Mo1V、12Cr3Mo1V。

4、GB151-1999对压力容器PWHT要求

表6.2GB151-1999对压力容器PWHT要求

影响因素

种类

δPWHT

材料牌号及说明

拼接管板

拼接焊接接头

任意厚度

碳钢和低合金钢

有应力腐蚀要求

冷弯成型U型接管

任意厚度

碳钢和低合金钢

有分程隔板的管箱、浮头盖

管箱、浮头盖

任意厚度

碳钢和低合金钢

管箱开孔大于1/3圆筒内直径

管箱

任意厚度

碳钢和低合金钢

5、压力容器常用钢号的预热和PWHT条件

表6.3列出了压力容器常用钢号的预热和PWHT条件。

表6.3压力容器常用钢号的预热和PWHT条件

材料类别、组别

钢号

预热条件

焊接接头厚度mm

最低预热温度℃

PWHT条件焊接接头厚度mm

PWHT温度℃

Fe-1-1

Q245R

＞30

＞32

＞38<焊前预热100℃）

≥600

Fe-1-2

Q345R

＞30

Fe-1-3

Q370R

＞25

Fe-1-4

07MnMoVR

12MnNiVR

＞25

≥600<调质钢的PWHT至少低于回火温度30℃）

Fe-1-2

16MnDR

16MnD

＞30

＞25

≥600

Fe-3-1

12CoMo

＞16

任意厚度

≥600

Fe-3-2

20MnMo

任意厚度

≥600<调质钢的PWHT至少低于回火温度30℃）

Fe-3-3

18MnMoNiR

13MnNiMoR

Fe-4-1

15CrMoR

14Cr1MoR

120

≥650

Fe-4-2

12Cr1MoVR

120

Fe-5A

12C2Mo1R

200

≥680

Fe-5B-1

1Cr5Mo

150

Fe-6

0Cr13

任意厚度

200

任意厚度

≥760

Fe-7

0Cr13

——

不预热

＞10

≥730

Fe-8

S30408

——

不预热

——

Fe-9B

08Ni3DR

——

不预热

任意厚度

≥600

Fe-10H

S21953

——

不预热

——

注：

Fe-8和Fe-10H类母材焊接接头既不要求，也不禁止采用焊后热处理。

6、压力容器焊后热处理规范

<1）压力容器常用钢种焊后热处理推荐规范

表6.4压力容器常用钢种焊后热处理推荐规范

钢质母材类别

Fe-1

Fe-3

Fe-4

Fe-8

Fe-10H

最低保温度℃

600

650

见注

相应焊后热处理厚度下最短保温时间h

≤50mm

δPWHT/25，最少为15min

＞50mm～125mm

2+<δPWHT-50/100）

δPWHT/25

＞125mm

5+<δPWHT-125/100）

注：

Fe-8和Fe-10H类母材焊接接头既不要求，也不禁止采用焊后热处理。

当低碳钢和某些低合金钢焊后热处理温度低于上表规定的最低保温度时，最短保温时间按下表规定。

表6.5焊后热处理温度低于规定最低保温温度时的保温时间

比上表规定最低保温温度再降低温度数值℃

降低温度后最短保温时间h

备注

1）

1）、2）

110

1）、2）

1）最短保温时间适用于焊后热处理厚度δPWHT不大于25mm的焊件，当δPWHT大于25mm时，厚度每增加25mm，最短保温时间则就增加15min。

2）适用于Fe-1-1和Fe-1-2组。

<2）碳素钢和低合金钢低于490℃和热过程，高合金钢低于315℃的热过程均不作为焊后热处理对待。

<3）在保温过程中，除另有规定外，各测温点的温度允许在热处理工艺规定温度的±20℃mm内波动，但最低温度不得低于上述二表中规定的最低保温度。

<4）调质钢焊后热处理温度应低于调质处理时和回火温度，其差值至少为30℃。

<5）不同钢号钢材相焊时，焊后热处理温度应按焊后热处理温度较高的钢号执行，但温度不得超过两者中任一钢号的下临介点Ac1。

<6）非受压元件与受压元件相焊时，应按受压元件的焊后热处理规范执行。

<7）对于碳素钢和低合金钢，当采用气电立焊时，任一焊道厚度大于38mm时，焊接接头应进行细晶粒化处理

<8）对于有再热裂纹倾向的钢号，在焊后热处理时应防止产生再热裂纹。

如Fe-1-4组钢材。

<9）奥氏体高合金钢制压力容器及零部件一般不推荐进行焊后热处理。

<10）焊后热处理应在压力实验之前进行。

<11）焊后热处理用加热设施，应保证焊件受热处理各部位均匀加热。

<12）焊后热处理前应提前提出焊后热处理方案，其中应包括加热源与焊件之间热平衡计算和防止焊件变形措施。

五、压力容器零部件的热处理

1、封头热处理

封头又分为碳钢和低合金钢制封头、奥氏体不锈钢制封头。

因为封头有四种成型方法：

热冲压、冷冲压、热旋压、冷旋压。

根据成形是否加热，又可将封头的成形方式分为：

热成形<热冲压）、冷成形<冷冲压、冷旋压）和温成形<热旋压）。

对于碳钢和低合金钢制封头的热处理方法有：

正火

固熔

2、碳钢和低合金钢制封头热处理

<1）热成形（热冲压>封头的热处理

封头热成形过程对封头母材应当视为热加工的过程，也可以说相当于热处理的加热过程。

碳素钢和低合金钢制封头经热成形后，封头是否要经过热处理，这是由封头母材的使用状态和热成形温度范围的控制所决定。

GB/T25198的6.4.3条：

“当钢板供货与使用热处理状态一致时，则热成形封头在热成形过程中不得破坏供货时的热处理状态，否则应重新进行热处理”。

“对供货与使用状态均为正火的钢制封头，若其热成形的终止温度不低于材料的正火最低温度，热成形后可不再进行正火处理。

”也就是说：

对供货与使用状态均为正火的钢制封头，若其热成形的终止温度低于材料的正火最低温度，热成形后应进行正火处理。

1）对于供货和使用状态均为热轧状态的钢制封头，经热加工成形后，一般可在热加工状态下使用，不需要进行热处理。

2）对于供货和使用状态均为正火状态的钢制封头<如Q345R正火板），如能控制热成形的加热温度在正火温度范围或略高于正火温度，热成形的终止温度不低于材料的正火最低温度的，热成形后可不再进行正火处理。

否则，需重新正火处理，并制备母材热处理试件。

3）对于供货和使用状态均为正火＋回火状态的钢制封头<如15CrMoR），热成形后需重新进行正火＋回火处理,并制备母材正火＋回火热处理试件。

4）对于供货和使用状态均为调质状态的钢材，热成形后应进行调质处理，且需带母材调质热处理试件。

对于压力容器用碳素钢和低合金钢，钢的临界点和正火加热温度上下限范围列于状态图8.1中。

钢制压力容器封头所用碳素钢和低合金钢都属于亚共析钢。

一般情况下，其退火温度范围：

＋30～50℃；正火温度范围：

＋40～80℃。

图8.1状态图

图8.1中

为加热下临界点、

为亚共析钢加热上临界点、

为冷却下临界点、

为亚共析钢冷却上临界点、r为r相<奥氏体）、α为α相<α铁素体）、P为珠光体、

为共析点<723℃）、

为α

←→γ

同素异构转变点。

从图1可以看出，

为碳素钢和低合金钢制封头热成形时，在连续加热过程中，α

全部转变为γ

，得到全部奥氏体的临界点温度。

为碳素钢和低合金钢制封头热成形时，在连续冷却过程中，奥氏体开始转变的临界点温度。

碳素钢和低合金钢制封头热成形的加热温度是根据钢的临界点及工艺要求确定的。

同时，在防止钢加热时产生过热或过烧情况下，尽量提高加热温度，这样便于提高生产效率。

表8.1列出了部分常用钢材的临界点温度，以供参考。

表8.1部分常用钢材临界点温度范围一览表

序号

钢号

临界点<℃）

正火温度

<℃）

回火温度

<℃）

冷却方式

880

860

730

700

910-960

空冷

865

840

730

700

900-950

空冷

850

820

730

700

880-930

空冷

Q245R

865

830

730

700

900－950

－

空冷

Q345R

850

820

730

700

880－930

－

空冷

Q370R

840

810

730

700

880－930

－

空冷

15CrMoR

895

810

770

－

910－950

650－720

－

14Cr1MoR

870

780

760

680

930－980

650－710

－

12CrMo

880

790

720

695

920－930

650－720

－

12Cr2Mo1

880

790

770

690

980－1020

680－730

－

12Cr1MoV

945

－

820

－

960－980

740－760

－

根据长期生产经验的积累，笔者认为，对于碳素钢和低合金钢制封头，在热成形的加热过程中，如果加热温度控制在正火温度范围或略高一点，而热成形终止温度控制在

以上，然后空冷，这样封头的整个热加工过程既满足热成形工艺的要求，又可将封头热成形的加热和冷却过程视为正火热处理过程。

当然，如果按照GB/T25198：

“对供货与使用状态均为正火的钢制封头，若其热成形的终止温度不低于材料的正火最低温度，热成形后可不再进行正火处理”。

这样的规定就更为可靠，妥当，使得钢制封头热成形终止温度控制在

以上，且

展开阅读全文