压力容器制造工艺对钢材性能的影响.docx

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压力容器制造工艺对钢材性能的影响

压力容器制造工艺对钢材性能的影响

{冷、热加工塑性变形

压力容器制造焊接组焊接工艺

热处理（必要时）热处理

研究冷或热压力加工造成的塑性变形、焊接工艺和热处理对钢材性能的影响。

221塑性变形

材料在载荷下的变形：

①弹性变形；②塑性变形或永久变形

材料在塑性变形中内部性能的变化：

1应变硬化；②热加工和冷加工★

③各向异性；④应变时效

一、应变硬化（见应力-应变曲线图）

从该曲线可以看到，从d卸载后，d‘g表示消失了的弹性变形，而od'表示不再消失的塑性变形。

比较，可见在第2次加载

卸载后，在短时间内再次加载，则应力应变关系按照ddf变化，到了d以后，按照def变化。

到d以前材料都是弹性的，以后才出现塑性变形。

相当于形成了新的材料曲线时，其比例极限提高了，但塑性变形和延伸率却有所减低。

表明在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高,而塑性减低。

这种现象称为应变硬化。

（加工硬化、冷做硬化）一一材料力学

应变硬化经退火，可消失。

加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低

二、冷加工和热加工

从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。

热加工或热变形：

凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形。

特点：

热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶

消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。

冷加工或冷变形：

在再结晶温度以下进行的塑性变形。

特点：

冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。

由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。

钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。

例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。

在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。

三、各向异性

金属材料力学性能产生方向性

热加工

金属再结晶

纤维组织

非金属夹杂物

b、垂直方向的塑性和韧性降低

c、变形越大，性能差异越明显

第二项合金

因势利导：

纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。

压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力。

与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。

四、应变时效

经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。

冷加工应用举例：

筒节冷卷、封头冷旋压。

应变时效危害：

发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。

降低应变时效的措施：

一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。

减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。

222焊接※

焊接：

是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节。

通过加热或（和）加压，使焊件达到原子或分子结合的一种加工方法。

焊接方法：

①熔焊（压力容器制造中应用最广）

2压焊

3钎焊

熔焊机理：

融化的母材-

填充金属

冷却结晶后

形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体

焊接技术:

各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理

论的总称

焊接接头:

用焊接方法连接的接头。

一、焊接接头的组织和性能

焊接接头组成：

焊缝、熔合区、热影响区。

1、焊缝

由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。

因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。

2、熔合区：

焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。

组织：

熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性

性能：

塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一。

3、热影响区：

是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组

织和力学性能变化的区域。

组织及性能：

在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。

以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：

过热区：

对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火钢，常在此区产生裂纹；

正火区：

焊接接头中组织和性能最好的区域；

部分正火区：

力学性能不均匀。

此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。

五、焊接接头检查

a、破坏性检查

b、非破坏性检查

1外观检查直观检验

直观检验

量具检验

2密封性检验：

（用水、气、油等）

3无损检测：

射线透照检测（测表面和近表面缺陷）

表面检测（测表面和近表面缺陷）：

磁粉检测渗透检测涡流检测

1.超声检测：

对裂纹型（面型）缺陷敏感；

射线检测：

对气孔型（体型）缺陷敏感。

2.磁粉检测：

适用于铁磁性材料，不适用于非铁磁性材料（如不锈钢）；涡流检测：

适用于导电材料，不适用于非导电材料；

渗透检测：

适用于金属材料和致密性非金属材料，不适用于疏松的多孔性材料。

223热处理

压力容器制造中的热处理：

焊后消除应力热处理

改善综合性能热处理：

固溶处理

稳定化处理

一、焊后消除应力热处理

目的：

尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，改善

焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。

应用：

①当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。

②由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一般

不进行热处理对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，此时应精心设计热处理工艺并严格执行。

二、改善综合性能热处理

1、固溶处理

将合金加热到一定温度并保持足够长时间，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后在水中或空气中快速冷却，以抑制这些被溶物质重新析出，从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为固溶处理。

目的：

提高合金的韧性和抗腐蚀性。

2、稳定化处理：

目的：

稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。

例如，含钛或铌的奥氏体不锈钢在850〜900C温度范围内加热适当时间，使钛或铌以碳化物的形式析出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。

由于焊接残余应力受多种因素的影响，在实际工作中常常需要通过实验测定残余应力的大小和分布。

焊接残余应力的影响焊接残余应力对焊件有6个方面的影响。

①对强

度的影响：

如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。

在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。

焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数、应力循环特征系数_和循环应力的最大值cm：

：

有关。

其影响随

应力集中系数的降低而减弱，随“工/“二的降低而加剧（例如对交变疲劳强度的影响大于脉冲疲劳），随d:

:

的增加而减弱。

当6心接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。

②对刚度的影响：

焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。

焊件的刚度会因此而降低。

③对受压焊件稳定

性的影响：

焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力

相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此

而降低。

残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。

残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。

④对加工精度的影响：

焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。

焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。

⑤对尺寸稳定性的影响：

焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。

焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。

⑥对耐腐蚀性的影响：

焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。

焊接变形焊接过程中引起的焊件变形直接影响焊件的性能和使用，因此需

要采用不同的焊接工艺来控制和预防焊件的变形，并对产生焊接变形的构件进行矫正。

变形的种类焊接变形有7种形式（图4）。

①纵向收缩变形：

沿焊缝长度方向的收缩。

②横向收缩变形：

垂直于焊缝方向的横向收缩。

③角变形：

绕焊缝轴线的角位移。

④挠曲变形：

构件中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。

⑤失稳变形：

薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形；⑥错边变形：

焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边。

⑦扭曲变形：

由于装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。

焊接变形的预防和控制焊接变形的大小与焊缝的尺寸、数量和布置有

关。

首先从设计上合理地确定焊缝的数量、坡口的形状和尺寸，并恰当地安排焊缝的位置，对于减少变形十分重要。

在工艺上采用高能量密度的焊接方法和小线能量的工艺参量，例如多层焊对减少焊缝的纵、横向收缩以及由此引起的挠曲和失稳变形是有利的。

但多层焊对角变形不利。

采用合理的装配、焊接顺序、反变形和刚性固定可以减少焊接变形。

焊接变形的矫正焊接变形常采用机械方法矫正。

对于由长而规则的对

接焊缝引起的薄板壳结构的变形，用钢轮辗压焊缝及其两侧，可获得良好的矫正效果。

利用局部加热产生压缩塑性变形使较长的焊件在冷却后收缩的火焰矫正法，具有机动性强、设备简单的优点，得到广泛采用。

近几年管板焊缝处经常开裂，管束泄漏，虽然多次采取了补焊措施，但由于补焊技术措施不当，补焊后焊缝又未进行热处理，因此越补裂纹越多，以至造成蒸汽带水、汽温偏低，威胁了安全和经济发电。

该减温器管板直径~30mm，厚度6=53mm，20号钢。

减温器管束、钢管直径。

25mm，

管壁厚6。

=3mm，由于管板厚、体积大、热容量大，而钢管柬管径小、管壁薄、热容量小，因此焊接时，两种母材冷却速度不一，而在近焊缝处，由于焊接应力作用下，极易产生冷裂纹，或者虽在当时不产生裂纹，但由于频繁的温度波动，又产生了新的裂纹，造成泄漏。

为些我们在新减温器管板与管束的焊接中采取一些措施。

保证了焊接质量，顺利完成了新减温器的制作

工作。

在大型管板与小管径焊接我们采取了如下措施：

（1）焊条的选用过去

补焊用普通结422低碳钢焊条。

这次选用碱性低氢型焊条结507。

焊缝中氢含量过高，不仅会在焊缝中形成氢气孔和白点，更严重的是造成氢脆，使焊缝金属塑性明显下降，并表现出缺口敏感性，断裂强度降低，在一定条件下会诱发冷裂纹。

结507焊条脱氢性能好。

因此有利于提高焊缝金属的塑性，防止冷裂纹的产生。

（2）焊条烘干施焊前将焊条在250C温度严格烘干1〜2小时，随烘随用。

焊前应消除焊件上的铁锈、油污、水分等杂质。

采用直流焊机反极性接法，即焊条接正极。

（3）焊前工件的预热，预热温度维持在

150—2ooC鉴于工件预热与焊接须同时进行，采用一般的热处理炉是无法进行的，如采用氧炔火焰预热也很难使这样大而厚的工件达到均匀的预热温度，而且工作条件也不允许。

为此我图1电阻加热炉简图电源们自做了一台简易电阻加热炉（如图1），电阻炉四周装矽藻砖，炉底垫耐火砖，电阻丝放在四周矽藻槽内，电阻炉容量是18kW。

为了控制加热炉的温升速度，利用了一套化验室的加热炉的温度控制器。

将工件如图1所示置于加热炉后，管

束处理部分用石棉绳缠绕包扎、封严，防止散热。

（4）施焊焊接工作由2名

持证熟练焊工承担，站于加热炉两侧，对u型管的两个焊头对称同步”焊接,用短弧操作，一层焊完后，再焊一层退火焊道。

焊件温度不得低于15OC,

否则应停止焊接。

工件焊接全部完成后，将炉盖盖上，石棉绳缠绕严密，对焊件进行回火处理，消除焊接热应力。

回火温升外的速度控制在每分钟60cc,升至650C,保温一段时间。

回火保温时间按以下经验公式计算求得。

taDb式中t一回火保温时间。

一加热系数，min/mm,a取1.5min/mmD一工件厚度，53mm6一附加时间，b取15mln代人公式中得：

t=1.5X53+15=94

.5分钟，约1小34分30秒。

保温1小时30分钟

后将电炉电源切断，让工件在炉内自行冷却24小时或更长些时问后再取出

工件。

减温器大型厚管板热处理后的情况如下：

（1）减温器大型厚管板热处理后用5倍放大镜肉眼观察所有焊缝接头表面，未发现有气孔、砂眼和裂纹。

（2）减温器管束（含焊缝）进行了冷态水压试验，试验压力6.5MPa,不泄漏。

（3）现已投入运行28800小时，多次检修拆开检查所有焊接处未发现有泄漏。

⑷蒸汽品质有了明显的改善，汽温合格不偏低，过热器管束、汽轮机叶片不结盐垢。

通过上述实践，可得出以下结论：

为了保证焊接质量，消除20

号钢大工件焊接热应力，必须采用合理的焊接工艺，选用性能良好的焊条，焊条要烘干，焊前要预热（预热温度150〜2oocc），焊后要进行600〜650C回火的热处理，这对消除焊缝热应力会取得理想的效果。

从以上实践看，在没有现成热处理设备的小型火电厂、化工厂、造纸厂、纺织厂、机械厂、修理厂等，可以因地制宜，就地取材，制作简易加热炉，采用简易办法是可以消除大工件焊缝热应力，保证焊接质量，为企业节约了资金，增加了效益。