WPV热处理1003.docx
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WPV热处理1003
WPV热处理20211003
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操纵其性能的工艺。
差不多工艺方法有：
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截了当阻碍到其使用，在实际生产中依照不同需要可采纳不同的热处理工艺方法。
（1）退火（Annealing）
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稳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：
平均化退火（扩散退火）、完全退火、球化退火、排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排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（JB/T4709）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刻（使工件完全奥氏体化），然后在空气中冷却的热处理工艺。
正火所达到的成效与材料的成分及组织形状有关，过共析钢正火后可排除网状碳化物，低碳钢正火后切削加工性得到显著改善，所有材料通过正火后都能够排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。
钢通过淬火后强度、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，能够具有专门高的弹性极限。
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钢制作螺栓一样都要进行调质处理。
但由于马氏体硬而脆，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样不期望显现马氏体组织。
淬火依照分类的原则不同能够分为不同种类：
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：
直截了当淬火、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，保持一定时刻，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、集合长大的过程，回火转变是典型的扩散型相变。
其目的要紧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：
改善或复原材料力学性能的热处理和焊后排除应力热处理（焊后热处理）。
2．焊后热处理[SR（PWHT）]
排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。
这种热处理由于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排除应力的成效。
如Q245R或Q345R等一样加热温度在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℃以下空冷则可达到排除应力的目的。
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（JB/T4709）《压力容器焊接规程》、GB/T25189-2018《压力容器封头》、JB/T10175-2018《热处理质量操纵要求》、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独的方法是焊后热处理[SR（PWHT）]，压力容器焊后热处理的目的是排除焊接残余应力。
关于碳钢和低合金钢焊接件，[SR（P）]是防止产生焊接冷裂纹及稳固尺寸的有效方法。
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纳炉内整体加热法。
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，承诺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，承诺采纳焊后局部热处理。
由于焊后局部排除应力热处理的成效较炉内整体排除应力热处理差，因GB150和NB/T47015对局部排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
压力容器零部件要紧涉及的是凸形封头（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（P）]和复原材料性能热处理。
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（P）—封头冷成形—封头复原性能热处理SR—出厂—与筒体焊接——容器焊后整体热处理SR（P）。
封头第一次热处理则是为了焊后排除焊接应力SR（P）；封头第二次热处理是再结晶退火热处理（SR），目的是为了排除冷加工应力，复原材料性能（SR）；第三次热处理也是为了排除焊接应力SR（P）。
该封头在PV制造过程中经历了：
SR（P）+SR+SR（P）热处理。
又如15CrMoR钢板制封头，经下料—拼缝—拼接对接焊缝SR（P）—热（冲压）成形—复原材料性能热处理（N+T）—与筒体相焊—焊后炉内整体热处理[SR（P）]。
封头第一次热处理则是为了排除焊接应力SR（P）；由于热冲压成形破坏了封头材料的供货热处理状态，为使封头材料的使用热处理状态和供货热处理状态一致，封头进行了第二次热处理（N+T），复原材料性能；封头第三次热处理则是为了排除焊接应力SR（P）。
该封头在PV制造过程中经历了：
SR（P）+（N+T）+SR（P）热处理。
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—复原材料性能热处理（S）—与筒体相焊。
由于热成形破坏了封头材料的耐蚀性能，封头进行了复原材料性能热处理（S）。
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复原材料性能热处理[正火、正火+回火、调质（淬火+回火）]、再结晶退火热处理（SR）和排除焊接残余应力热处理[SR（P）]。
奥氏体不锈钢制封头的热处理方法有：
复原材料性能热处理—固溶（S）。
2、多层包扎和钢带错绕容器内筒的热处理方法有：
焊后排除应力热处理[SR（P）]。
3、筒节的热处理方法有：
焊后排除应力热处理[SR（P）]和再结晶退火热处理（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、如何样确定压力容器焊后热处理最短保温时刻
压力容器焊后热处理最短保温时刻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刻的确定，是一直以来都有争议的。
压力容器焊后热处理最短保温时刻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刻的依据，也确实是将δPWHT作为确定焊后热处理最短保温时刻的厚度。
压力容器焊后热处理的目的是为了排除焊件的残余焊接应力，以保证焊件的使用性能及稳固尺寸，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），现在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）两相邻对同意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）下列情形下，应按未经焊后热处理的压力容器或零部件中最大δPWHT，作为焊后热处理的运算厚度：
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（NB/T47015的图3）
3、GB150-2018、《固容规》、《移动容规》对压力容器PWHT要求
关于碳钢和低合金钢制压力容器，是否需要焊后热处理要紧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
阻碍因素
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；（Fe-9B）10Ni3MoVD
C-Mn低温钢
≥25mm
（Fe-1-2）16MnDR（-40℃）、16MnD（-45℃）
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）
（Fe-3-2）20MnMoD（-40℃）
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）
（Fe-1-2）15MnNiDR（-45℃）、09MnNiDR（-70℃）、09MnNiD（-70℃）；（Fe-1-3）15MnNiNbDR（-50℃）
铁素体钢
（Fe-6）（Fe-7）S11306、S11348
＞10
注：
*（Fe-4-1）15CrMoR、14Cr1MoR、15CrMo、14Cr1Mo；（Fe-4-2）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
阻碍因素
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
50
＞32
＞38（焊前预热100℃）
≥600
Fe-1-2
Q345R
＞30
80
Fe-1-3
Q370R
＞25
80
Fe-1-4
07MnMoVR
12MnNiVR
＞25
80
≥600（调质钢的PWHT至少低于回火温度30℃）
Fe-1-2
16MnDR
16MnD
＞30
80
＞25
≥600
Fe-3-1
12CoMo
＞16
80
任意厚度
≥600
Fe-3-2
20MnMo
任意厚度
80
≥600（调质钢的PWHT至少低于回火温度30℃）
Fe-3-3
18MnMoNiR
13MnNiMoR
80
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（M）
任意厚度
200
任意厚度
≥760
Fe-7
0Cr13（F）
——
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，也不禁止采纳焊后热处理。
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举荐规范
表6.4压力容器常用钢种焊后热处理举荐规范
钢质母材类别
Fe-1
Fe-3
Fe-4
Fe-8
Fe-10H
最低保温度℃
600
600
650
见注
见注
相应焊后热处理厚度下最短保温时刻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，也不禁止采纳焊后热处理。
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，最短保温时刻按下表规定。
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刻
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刻h
备注
30
2
1）
55
4
1）
80
10
1）、2）
110
20
1）、2）
1）最短保温时刻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，最短保温时刻则就增加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，各测温点的温度承诺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）关于碳素钢和低合金钢，当采纳气电立焊时，任一焊道厚度大于38mm时，焊接接头应进行细晶粒化处理（N）。
（8）关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样不举荐进行焊后热处理。
（10）焊后热处理应在压力试验之前进行。
（11）焊后热处理用加热设施，应保证焊件受热处理各部位平均加热。
（12）焊后热处理前应提早提出焊后热处理方案，其中应包括加热源与焊件之间热平稳运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。
由于封头有四种成型方法：
热冲压、冷冲压、热旋压、冷旋压。
依照成形是否加热，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）。
关于碳钢和低合金钢制封头的热处理方法有：
正火（N）、正火+回火（N+T）、调质（淬火+回火、Q+T）、焊后排除焊接应力热处理[SR（PWHT）]或排除冷加工应力复原材料性能热处理（SR）；奥氏体不锈钢的封头热处理方法有：
固熔（S）、排除应力热处理（SR）。
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，也能够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，封头是否要通过热处理，这是由封头母材的使用状态和热成形温度范畴的操纵所决定。
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。
”也确实是说：
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）关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，一样可在热加工状态下使用，不需要进行热处理。
2）关于供货和使用状态均为正火状态的钢制封头（如Q345R正火板），如能操纵热成形的加热温度在正火温度范畴或略高于正火温度，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）关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）关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。
关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畴列于状态图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。
一样情形下，其退火温度范畴：
＋30～50℃；正火温度范畴：
＋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能够看出，
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依照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形下，尽量提高加热温度，如此便于提高生产效率。
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畴一览表
序号
钢号
临界点（℃）
正火温度
（℃）
回火温度
（℃）
冷却方式
1
10
880
860
730
700
910-960
-
空冷
2
15
865
840
730
700
900-950
-
空冷
3
20
850
820
730
700
880-930
-
空冷
4
Q245R
865
830
730
700
900－950
－
空冷
2
Q345R
850
820
730
700
880－930
－
空冷
3
Q370R
840
810
730
700
880－930
－
空冷
4
15CrMoR
895
810
770
－
910－950
650－720
－
5
14Cr1MoR
870
780
760
680
930－980
650－710
－
6
12CrMo
880
790
720
695
920－930
650－720
－
7
12Cr2Mo1
880
790
770
690
980－1020
680－730
－
8
12Cr1MoV
945
－
820
－
960－980
740－760
－
依照长期生产体会的积存，笔者认为，关于碳素钢和低合金钢制封头，在热成形的加热过程中，假如加热温度操纵在正火温度范畴或略高一点，而热成形终止温度操纵在
以上，然后空冷，如此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。
因此，假如按照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”。
如此的规定就更为可靠，妥当，使
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