压力容器焊后热处理的标准及其评价.pdf

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1、?化 炼油机械!#年压力容器焊后热处理的标准及其评价%日&成田国郎!前言“消除应力退火”、“消 除应力热处理”、“退火去应力”和“应力退火”等说法,都可简称为(,近 些年来,又被称之为“焊后热处理”%简称为)+,&。这种热处理方法,早就用来作为一种提高压力容器和管道等焊制产品质量的手 段,而且在国内%指日本,下 同一译注&外的法规、规范和 技术标准里作了相应规定。焊后热处理这种工艺,虽然已有很长久的使用历史了,但是,对一台制造 中的设备或构件,是否需要焊后热处 理,或采用怎样的热处理条件才算合适,过去都是凭经验来确定的。在钢材和焊接技术取得飞速进展的今天,如果还采用老办法来决定取舍,那就满足不

2、了要求了。为此,国际焊接学会%+&第委员会,早在.?年代就把这个问题提出来了,欧洲国家对低合金钢的焊后热处理共同进行了实验研究,该委员会组织了“消除应力热处理”委员会,研究焊接接头的焊后热处理问题,并对有关间题进行了汇总。在此期间,在 国 际焊接学会调查研究的基础上,国 际标准化组织第!技术委员会%!.?/,01&制定了“锅炉及压力容器”推荐标准草案%!?!&,美国234规范和英国5标 准相继进行了修订,我国%指日本一译注&的规范和技术标准也进行了修订。日本高压 力技术协会%+)6&在建立的同时,就 组 织 了消除应力 退火%(&委员会,并于!7 7年提出日本高压技术协会标准+)6一!?8%,

3、&一!7#草案。继 之,又第二次组织了(委员会,进行共 同研究,并基于 调查和研究的结果,在!?9年.月 组 织出版了“消除应力专题讨论会资料”。其后,根据社会形势的变化,再次研究了来 自国际焊接学会工作小组的最后报告,!?7年,第三 次设置 了(委员会,并根据第二 次(委员会的资料进行了再 次讨论。事后把“?焊后 热处 理施工方法”以及 与“?碳素钢和高强度钢,低温用碳素钢及镍钢!锰铝钢及锰 钥镍钢!#钥钢及铬钥钢!超厚钢板焊后热处 理条件”有关 的推荐标准汇 总成了日本高压技术协会标准%&()一+,)一一./一,与此同时,还把一般性概念,标准的编制说明,国际焊接学会最后报告的节译内容,回火

4、参数的考虑以及耐消除应力退火裂纹钢的开发情况等汇 编成了“消除应力 退 火标准及其编制说明”一书,并公开发行。以下就焊后 热处理及其有关问题作一概述,其详细情况还可参阅其它图书。01焊后热处理的定义焊后热处理,广义地说,就是焊完之 后对焊接区或焊接构件进行的热处理,其内容包括2完全退火、固溶热处 理、正火、淬火回火等。但如果从狭义方面说,则是指消除应力退火。以下,只讲这种狭义的焊后热处理。中国工业检验检测网http:/第!9卷第7期化工炼劫机械?!。从焊后热处理”的定义来看,还不能说是明确的,而确切的说法应该是:为 了改善 焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响,把焊接区及其有关部位在金属相

5、变温度点以下,进行充分均匀的加热,然后又均匀的冷却。其 中,改善焊接接头的性能是最重要的,故“消除应力”这一说法,国内外都改称为“焊后热处理”。尚 温化伸试验 下“。二9!8;!?一“时的应力门温 垃伸试吮一夕产产?卢卢卢卢卢卢卢卢卢卢卢卢卢卢卢?一 二二三巡 脚邢臻数数数声声卜卜 黔竿7瞥/?川?、一/声声声声声声护护护护 一一一刁刁圳圳 一月、8?翩洲 耐%、日日晌助月?、习?焊后热处理的目的图!#。的应力释放试验结 果%材料成 分&!(,)!,!+,+!,./作为消除残余应 力 和变形的措施的焊后热处理,其目的是&?降低焊接残余应力!?稳定结构尺寸,改善母材、焊接区和构件的性能,降低焊接

6、热影响区的硬度!提高焊缝金属的塑性!#提高断裂韧性!消除有害气体!3改善蠕变特性,4提高耐蚀性,4改善疲劳强度等。在这 些项 目中根据其所确定的重点项目不同,可以作出进行或不进行焊后热处理 的决定,或相应 改变其实施时的施工条件。51焊后热处理的效果及有关问题51降低残余应 力和防止变形由于焊接而产生的残余应力,可以用焊后热处理来降低。这种现象可用应力释放的试验结果来表示,见图。由 该图左 侧可见,相当于常温 屈服点的残余应力,如果把温度提高,就降到该温度下的屈服点以下。表明这种情况6用7表示8与高温屈服点6弹性极限应力86用必表示8是一致 的。将各温度点的应力值移到右侧保温时间为7的地方,如

7、在该温度下维持一定时间,那末应力6应变8就要降低6如 曲线所示8。两小时之后,就降到保温0小时的地方。这就是姗变6高温松驰8 现象。降低残余应力,对于高温强度低 的材料,主 要是通过加热降低高 温屈 服点来达到!而对于高温 强度高的材料,则通过保温来达到,但这种材料的主要问题还是蠕变。正如该图所示,在低温下 即使保温两小时,也比高温下保温时间为7时的应力要高。由此可知,应力释放的效果很小。该图的右端是冷却后的残余应力,可知在冷却过程中应力又会再次发生并升高。这种应力值为低温侧冷却速度和构件结构尺寸所控制,甚至有时也会达到屈服点。对那些带接管的需进行局部焊后热处理的地方,由于这种再次发生的应力容

8、易升高,此时则需特别注意其成为最终应力的问题。变形也有同样的情况,即由于形状、尺寸和冷却条件而会 引起有害的变形,在某些场合,还存在断裂的危险。为了防止断裂,应在加热条件和补强等 方面采 取正确的措施。510改普母材、焊接区及构件的性能698焊接热影响区的软化焊后热处理的主要作用之 一,就是软化由于焊接而被硬化了的热影响区6%:;8。这一点,对。钢来说,尤其重要。焊后热处理的温度越高,热影响区的软化效果标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载中国工业检验检测网http:/?9化二炼油机械!#扦00 厉,似0、“、毛1毕尽娜只州?己。只擎川越好,故钢管采用 这种条件处理

9、的较多。但是,热处理的温度太高,时间过长,往往会降低强度,或改变其它性能,因此,对厚板等进行热处理时,其保温温度和时间都必须慎重考虑。%+/稳定组 织稳定组织,也是焊后热 处理的 效果 之一。为 了使(2一,。钢等钢种组织稳定,即使对板厚较薄的情况,其保温时间也不能过短。此外,由于焊后热处理 是在钢材相变温度点以下进行的,对 焊接时因很大的输入热而引起明显的晶粒粗大化的情况,则达不到预期的好效果。%?/提高焊接区的塑性焊态下塑性不好的焊缝金属,可以通过焊后热处理来改善其性能。%)/除氢氢气,可以通过焊后热处理,或中%工序/间焊后热处理充分地消除。但是,由氢引起的低温裂纹往往是在焊后热处 理 之

10、前发生的,所以对那 些 即使适宜于焊后热处理的场合,也必须采用恰当的施焊工艺来防止低温裂纹的产生。趁焊接区还没有冷却之时就进行工序间焊后热处理,是很有效的办法。%/脆性破坏在研究是否 进行焊后热处 理 及其效果时,应把脆性破坏放在第一位来考虑。焊后热处理具有使焊缝纵向上达到屈服应力的残余应力降低的作用,而且多数场合还有恢复热影响区韧性和塑性的长处。但是,由于材料的不同,也有进行焊后热处理之后韧性反而降低了的情况。特别是淬火 回火钢或低温用34钢等有这种倾 向。因此,必须根据焊后热处理后降低残余应力的效果以及焊接区各部位%焊缝金属、热影响区、熔合线、母材一见图+/性 能改变情况 进行综合研究,才

11、能决定是否 采用焊后热处理以及采用怎样的热处理条件才算合适。大,淮金属%5,/热影响区67/8于材%9,/熔合线图+焊接区各部位的划分%/疲劳破坏焊接残余应力对疲劳强度 的影 响,不比对缺陷的影 响 明显。如图?所示,通常,在屈服线%平均应力:;或尸点的 下侧,虽然可以在设计条件?%:;,:/中附加以残余应力“&而达到?7%;或产点以上的&点时,则因残余应力的影响就会到达7点,因此,一 旦达到更右上侧的?点时,对无残余应力的场合是安全的,一旦存在残余应力就危险了。但通常,设计条件并不定在(位置上,对有疲劳强度问题的时候,象6(产那样具有低持久 强 度的焊接接头,一般也不常用。因此,把提高疲劳强

12、度作为主要目的的地方,焊后热处理并非是首先应中国工业检验检测网http:/第!9卷第7期化工考虑的 工艺措施。但是在容器接管等处,因形 状复杂,呈 三维应 力状态,根据结构和使用条件,炼油机械?能还要决定于焊后热处理的条件。否则反而又会给焊接区或焊接结构件带来如 下的不良后还:果。.!母材等的性能恶 化淬火 回火高强度 钢,如果在高于 回火温度的温度下进行焊后热处理,那末钢材就会失去调质 的效果,强度或 断 裂 韧性 都会 降低。为了防止这种现象的发生,对这类钢材所用的焊后热处理 温度,应以低于回火温度为原则。超厚板制长形圆筒体,由于 需经 工序间焊后热处理 和最终焊后热处 理的反复双重热表!

13、焊后热处理条件的决定因索一词川=温下6条件应该研究的 因素探鬓荞疆翁爵高瓜度以下!其它母材及焊 接区在使用时,其性能不能恶化的必要范围温的度保限温的温时的上?!应力降低 的效果 9硬化区的软化 氢气等气体的消除二妇莎材和焊接区在使用时,其性能不能恶化的必要范围 9缩短制造时间8保温时?8 !隆低应力的效果=司的卜89硬化区的软化 限8 氢等气体的消除一一一二丛丝组织的摘定.加热速.!如何防止厚工件加热温度的 不均匀性度的上.。9如何防止因形状、尺寸改变而产生的限?.。温度不均匀性变!炉形和裂纹的防止问题温神制问题 9缩短制造 时间问题内自勺速下热的加度限是以进行焊后热处理为好,实际生产中也 正

14、是这么做的。另外,对有腐蚀疲劳问题 的地方,在改善表面形状的同时,采用焊后热处理 也能取得良好的效果。%?&应力腐蚀裂纹等关于应力腐蚀裂纹,焊后热处 理具有软化材质%降低最高硬度&和降低残余应力的双重效果。这也 可以说是焊后热处理的主要目的,或主要效果。但是,由于焊接接头 的焊接工艺不 同,或构件的形状、尺寸有差异,或异 种材料的连接等原 因,焊后热 处理也有使用效果不佳的情况。异种材料除指不同母材外,还包括复合钢或异种焊接材料的使用等情况。对0一3。钢钢管等高温管线来说,为了提高其耐高温 氧化、高温腐蚀和抗老化的性能,则要采取措施以适 当降低高温 强度或蠕变特性,这可以选用较高的焊后热处理温

15、度来进行处理。%#&蠕变特性0一3。钢的蠕变特性,将受焊后热处理条件的影响。如短时蠕变强度,就会因高温长时间焊后热处理而有 降 低的倾向。为此,对压力容器这样的产品来说,同时还应考虑高温短时强度,故一般所用的焊后热处理温度都较低。但是,目前关于焊接区长期蠕变特性的资料还不多见,故包括母材在内的热处理条件都还需要进行研究。?冷却速?功日何防止厚工件冷 却温度的不 均匀性度的上?。9如何防止因形状、尺寸改变而产生的限温度不均匀性?残余应力再次发生及变形、裂纹防止叫题.焊后热处理存在的问题#。冷却速度的下限#!炉温控制问题#9母材及焊接区的性能#再生裂纹的防止问题 入 炉温度的上!如何防止因形状、尺

16、寸改 变而产生的温度不均匀性焊后热处 理 虽然可以改善焊接区的各种性能,但从另一方面,特别就淬火回火钢、低温用镍钢、超厚板钢等来看,能否改善性限?9变形和裂纹的防止问题!?出沪一!?!女?温度的上限?河防止因形状、度不均匀性尺寸改 变而产 生!?9 残余应力的再次发生及防止问题变形、裂纹标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载中国工业检验检测网http:/w w w.b z f x w.c o m?8 化工炼油机械!#年处理作用,故机械性能、断裂韧性、蠕变特性等都会降低。这种倾向可以用以下 回火参数来推断。),%9?=&式中:)一 回火参数,一加热温度,;,一保温时间,

17、小时。)值的求法,对有反复热处理的情况,假定,为定值时,则加上就行了但,为不同值时,由于上式括号内有常数项,故就不能一单纯 相加,而应该根据计算或 图表,找出与某一温度相 应 的保温时 间,再把这些 时 间加起来即 可。90一3。钢,、经高温长时间的焊后热处理之后,焊缝金属形 成粗大铁素体晶粒,进而使强度降低。对低温用钢,尽管还要取决于钢种或焊后热处理的条件,但断裂韧性的降低则是无疑 的。.9再热裂纹的发生对#?公斤级高强度钢、0一3。一一5钢、0一3一钢、0一3一5钢、9万0一63。钢等钢种来说,经焊后热处理后,焊缝热影响区就有发生裂纹的倾向。这种裂纹被称之为应力退火裂纹,或再热裂纹,是因焊

18、后加热而引起的。表9有关规范对娜后热处理沮度的规定及比较单位:)号二蒸)“钢.。!6一%!&2 34%!&2 345.?5 97.。一.。祖?皿?.7?7?士9?.#?79?%.&7?7?调质“强度钢一=一=一一!一丫=沮一1一1斑“一一比一一1一产1一1勺一、一一一1 1,上一八一1 甘一产、月2一一八!(1户乃,一内一丹匕一八一(一,.钢之 之%+/%之/之?一刀任三任娜一 +一+一(2一!7,.%?/之之+之 之?一。88%?/?.一斗?+!一(2,.钢(2一!7,.钢%?/七 之%?/+%?/之之之!(&一,.钢之 卜一一?98?皿八34钢之 之?8?8+注&%/降低温度,延长保温时间

19、时的替代条件有规定,+/添加提高 高温强度的(2、,。等合金元素的场合,%?/根据使用条件、使用环境及强度 设计 条件,%)/各种场合均规定有)的温度变化范围,%/当(。+写时。中国工业检验检测网http:/w w w.b z f x w.c o m第!9卷 第7期化工炼油机械?.咬,州 户 州目勺 目 向 ,目 ,尸 砂 门 ,目 ,叫,卜 由 叫 一 一一一,一一一,甲,户 州 月,自 卜一,甲,门 月,叫 喇 护一,曰 叫 冲 月 月 卜,户,一一一一的的曰/的扣的卜仪“曰/瞬囚闪囚?哪的闪卜的?蕊、一留?囚囚工的。?邸囚、卜%枷&的的 囚三御杖厂一、一妇国、的仗恻蛆侧窦一一0。一一。一

20、%。?一%/长崛 赵翎蛆任蛆账!到引 州引训到 !引引 曰引引州引:引引:引断洲翱酬嗯的卜3的帅的 的工的闪卜 /的卜瞬囚33的 哪%的/的工哪囚白哪7一 帅帅山立白哪 的囚_:卜3一曰,的闪的卜3白哪。的33囚凶囚卜岁的卜闪贯拐33 3的。出卜的。的闪一日国层 绍五名0呼 留白踢 疚闰屠的州?穷、卜况。澎甘旅测笠%邸 畏卜贯 只国屠的州?的之卜窝。迩甘卜囚哪 卜仪 的3 3闪叮,、一一百一子一次逻卫 哪的卜3的的臼、寸。鸽畏3闪3的川白,的_囚囚3一白弓 的囚.囚闪一扫的闪.闪3凶工的3一3长崛的。的、一州!曰!划钟拱密织霉朵贴麟呱雕洲公米荆鹤御划嵘衫宕蛆厄丹吩生的卜囚的一的3的卜闪 哪闪3

21、 的的囚%3/的闪的3%工/的闪一卜的3巴护目翻械侧京疾姐段价岔兴懈的3一抓0退的卜囚价卜口3的卜囚3闪场卜心3.的7 哪 3/的3一 岔兴砌的。%卜抓0工%叫/的一绝辑种裸曰的山国卑友纸0兴?冷嘱喇蒯侧 岔侧椒锁尔袍崛袋崛殴彩十友恶袋袍崛崛睡彩十友霉赐象铂找框崛壤崛鹰彩小友皿传姨崛哑彩小禽口份囚 的 哪名口/?二划岔侧恻希愈坦崛岔铡恻威二枢祠崛澎秘呆戏口职呆门琳张蝎岔厄岔标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载中国工业检验检测网http:/w w w.b z f x w.c o m化工炼油机械!#年表8有关规范对免作娜后热处理的最大板厚的规定及比较,单位:班米+)6?

22、!.?!6234234265.?597)号码素钢推荐标准,0=一05!一9#.?,#.?.#口一厅了一甘翻一,曰一甘0一3钢几/0一乞/:3钢!7,9?!,!79?!.9?!9。.!9。.!八1 9!/0一3钢0一63钢)8)?)2 5蕊八钢协定任。!.,9”表.降低保通盆度后的保温时间.。材料选用的原则最低保温温度,最 短保温时间,小时+9 9,一?,一7?,一?,一!9?%+&%!?+&注:%!&%&内的值仅适用于)类材料以及与)类相当的材料,%9&表中值的中间值可按比例法求 取,%&,和+按标准中最低保温温度和最短保温时 间的规定。表7焊后热处理的代用条件%2 34妞&一屁规芝暮磕蠢蒙刁

23、万覃低福度后丙夏澎爵犷焊接构件材料的选用,着重根据使用条件,大体上有两方面的考虑。其一是可焊性,其二是根据使用条件提出的性能上的特殊要求。对第一种是必须 考虑的对第二种,即对 高温强度、耐蚀性及低温特性等性能有要求的场合,既然采用焊接生产,就应该在符合上述特殊性能要求的材料 中选择可焊性好,又适用于焊接生产的材料。设计者在选材时,还必须很好地听取对第一、二两种要求都很熟悉的材料和焊接技术人员的意见,以便对可焊性以及与焊接有关的工序作充分考虑后才决定选取什么材料和规格。降低的温度度数时间一一一一断%&/9.8%小时&.?%9?#&9。%.7,!.?%#。&.9?%!&?!?、花:厚后热处理条件仅

24、限于得到承认 的场合。7 焊后热处理的计划和实施焊后热处理是焊接构件制造中的重要工序,但仅此一项还不能保证产品的质量,还必须有正确的设计,其它所有施工 工序亦必须有周密的计划,正确的实施方案和管理程序。另 一方面,就焊后热处理的计划和实施中国工业检验检测网http:/w w w.b z f x w.c o m第!9卷 第7期化工炼油机械来讲,在按法规或规范进行时,要使计划、实施和管理各条通道都畅通,也有困难的一面。表=8列出了焊后热处理条件的选用方法和国内外规范的比较。由这 些表可见,其中有各种各样的差别,旧的经验未列出,由于篇幅所限,此处亦不再详述,请参阅前述文献。从节能的观点出发,对焊后热

25、处理的关心虽然多起来了,但没有必要用焊后热处理的就不要用了,没有必要用高温和 长时间焊后热处理的,亦不要进行这样的处理。如果按上述要求需作焊后热处理,那就应采用正确的方案进行。对接管来讲,经常采用局部加热的焊后热处理,但其方案、设备、温度控制、检测方法等亦必须经过充分 研究和确定之后才能进行。熊志立译 自配管技术!?,!#9,?7#!林听校%上接第7?页&纹。当然,焊缝金属 强度能否降低,降低多少才合适,这要根据具体结构和钢种作具体分析。今考文献!%3=01_ 1,抽!9,!?,.79.7#冲=,!?#,9?9.。9,61 11=_ 1=)_ =1)1,抽.,!?#,98!。%=1_ 1=,怕

26、.,!?,!9?.一!89.。8%3=1_ 1,抽8,!#9,!#9?9。冲.,!#9,97 79?9。.!6 0正一!9!一?。7时再来等,8313 5钢再热裂纹的产生条件”+一正一9?一#!了再热裂纹课 题协作组,“压力容器用钢再热裂纹研究的综合报告”,!#!,#薛东林等,“压力容器用钢堆焊层下再热裂纹敏感性”,!#!一!?合肥通用所,“压力容 器用高强度钢再热裂纹的研究”,!?,!?林佩珍,5+.和5+#钢再热裂纹试验,!#!,.!王英珠等,“压力容 器用低合金高强度钢消除应力裂纹的研究”%第一报&,!#!,!?!9孙永玲等,“压力容器用低合 金高强度钢消除应力裂纹的研究”%第三报&,!#!,!?!艾宝瑞等,“压力容器用低合金高强度钢消除应力裂纹的研究”,!#!,!?!8国外焊接,掩.,!?,9?97!.%化工与通用打6械,饨9,9?.,.7?冲,!?#.7?。!7%5=1_1=,滩#,!7?,88?8.7。!?=1 _1=,抽!,!7,!?.9.。标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载中国工业检验检测网http:/