壓力容器的熱處理

一、壓力容器在制造過程中，將帶來以下問題：由于過量的冷卷、冷矯形等冷加工引起的冷作硬化。由于焊接引起的焊縫區(qū)組織和性能的變化。由于焊接產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及由此而導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。壓力容器焊接時，當(dāng)母材相鄰區(qū)域產(chǎn)生一溫差大于100度的急劇溫度梯度時，在鐵素體鋼或相當(dāng)?shù)钠渌牧现幸鸩痪鶆虻乃苄詰?yīng)變，而在隨后的冷卻過程中，將產(chǎn)生一個峰值應(yīng)力達到屈服點的殘余應(yīng)力場。另外，由于壓力容器制造中的不均勻塑性應(yīng)變導(dǎo)致在彈性-塑性材料中產(chǎn)生殘余應(yīng)變，而殘余應(yīng)變可以是來自機械的（主要是冷卷、冷矯形等冷加工）熱力的（主要是焊接過程產(chǎn)生的），或者兩者兼有的原因，也就是熱機械的原因。因此，在壓力容器加工完成的最終產(chǎn)品中將留下殘余彈性應(yīng)變場，并承受相應(yīng)的彈性殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在，將影響壓力容器的使用性能。為了消除焊接區(qū)峰值應(yīng)變，達到內(nèi)應(yīng)變均勻分布這一目的，可以采取多種方法，如機械震動法、焊后加熱法等。然而，由于壓力容器中許多潛在的問題主要來自焊縫區(qū)的冶金損傷，所以，采用機械方法以降低內(nèi)應(yīng)變的手段已經(jīng)不足以預(yù)防日后運行過程中可能出現(xiàn)的諸多問題。另外，金屬的氫脆現(xiàn)象已經(jīng)比較為人們所關(guān)注。氫進入鋼以后，機械性能會發(fā)生明顯的變壞。強度和塑性明顯降低，溶解于金屬晶格中的氫，使鋼在緩慢變形時發(fā)生脆性破壞。金屬材料中的氫可以是在金屬材料生產(chǎn)工藝過程中吸收的，如金屬在焊接時液態(tài)金屬吸收的氫保留在焊縫中，也可能是材料在氫環(huán)境中服役吸收的氫。對于焊縫中吸收的氫，比較有效的消除方法就是進行焊后熱處理，它既可以達到松弛和緩和焊接殘余應(yīng)力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接熱影響區(qū)，提高焊縫金屬的延性和斷裂韌性，也可以使焊接區(qū)及附近的氫等有害氣體擴散逸出。壓力容器采用的熱處理方法有兩類：一類為改善機械性能的熱處理，一類為焊后熱處理（PWHT）。廣義地說，焊后熱處理就是在工件焊完之后對焊接區(qū)域或焊接構(gòu)件進行的熱處理。起內(nèi)容包括消除應(yīng)力退火、完全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、低溫消除應(yīng)力、析出熱處理等。狹義地說，焊后熱處理僅指消除應(yīng)力退火，即為了改善焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力等有害影響，從而對焊接區(qū)及有關(guān)部位在金屬相變2溫度點以下均勻而有充分地加熱，然后又均勻冷卻的過程。許多情況下所討論的焊后熱處理實質(zhì)上就是焊后消除應(yīng)力熱處理。

　　二、焊后熱處理（簡稱PWHT）的目的： 1.松弛焊接參與應(yīng)力 2.穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，減少畸變。 3.改善母材、焊接區(qū)的性能，包括a.提高焊縫金屬的塑性。b.降低熱影響區(qū)硬度。c.提高斷裂韌性。d.改善疲勞強度。e.恢復(fù)或提高冷成型中降低的屈服強度。 4.提高抗應(yīng)力腐蝕的能力。 5.進一步釋放焊縫金屬中的有害氣體，尤其是氫，防止延遲裂紋的發(fā)生。

　　三、PWHT必要性的判斷：壓力容器有無焊后熱處理的必要，在設(shè)計上應(yīng)加以明確規(guī)定，現(xiàn)行的壓力容器設(shè)計規(guī)范對此有要求。焊制的壓力容器，焊接區(qū)存在著較大的殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的不利影響，在一定的條件下才表現(xiàn)出來。當(dāng)殘余應(yīng)力與焊縫中的氫相結(jié)合時，將促使熱影響區(qū)硬化，導(dǎo)致冷裂紋和延遲裂紋的產(chǎn)生。殘存在焊縫中的靜應(yīng)力或負載運行中的動載應(yīng)力與介質(zhì)的腐蝕作用相結(jié)合時，將有可能引起裂紋狀腐蝕，即所謂應(yīng)力腐蝕。焊接殘余應(yīng)力及由焊接引起的母材淬硬是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要因素。研究結(jié)果表明，變形和殘余應(yīng)力對金屬材料的主要影響，在于使金屬從均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，即轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg或穿晶腐蝕。當(dāng)然，金屬的腐蝕破裂和晶間腐蝕均出現(xiàn)在對該種金屬具有一定特性的介質(zhì)中。在殘余應(yīng)力存在的情況下，根據(jù)侵蝕性介質(zhì)的成分、濃度和溫度的不同，以及母材與焊接區(qū)的成分、組織、表面狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等存在的差異而有所不同，從而，使腐蝕破壞的性質(zhì)可能改變。焊接的壓力容器是否需要做焊后熱處理，應(yīng)從容器的用途、尺寸（特邊是壁板厚度），所用材料的性能以及工作條件等方面綜合考慮決定。有下列情況之一的，應(yīng)考慮焊后熱處理： 1.使用條件苛刻，如在低溫下工作有發(fā)生脆性斷裂危險的厚壁容器，承受較大載荷和交變載荷的容器。 2.厚度超過一定限度的焊制壓力容器。包括鍋爐、石油化工壓力容器等有專門規(guī)程、規(guī)范的。 3.對尺寸穩(wěn)定性較高的壓力容器。4.由淬硬傾向大的鋼材制造的容器。 5.有應(yīng)力腐蝕開裂危險的壓力容器。 6.其他有專門規(guī)程、規(guī)范以及圖樣予以規(guī)定的壓力容器。在鋼制焊接壓力容器中，在靠近焊縫的區(qū)域內(nèi)形成達到屈服點的殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力的產(chǎn)生與拌有奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有關(guān)。許多研究者指出，為了消除焊后的殘余應(yīng)力，650度的回火對鋼制焊接壓力容器能產(chǎn)生良好的影響。同時認為，如果在焊后不進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，就始終不能得到耐腐蝕的焊接接頭。一般認為，消除應(yīng)力熱處理屬于焊接工件被加熱到500-650度而后再緩慢冷卻的過程。應(yīng)力的降低起因于高溫下的蠕變，在碳鋼中從450度開始出現(xiàn)；在含鉬的鋼中，從550度開始出現(xiàn)。溫度越高，應(yīng)力越易于消除。但是一旦超過鋼材的原始回火溫度，鋼的強度便要降低。所以消除應(yīng)力的熱處理一定要掌握好溫度和時間兩個要素，缺一不可。然而在焊件內(nèi)應(yīng)力中，總是伴生著拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力，應(yīng)力與彈性變形同時存在。當(dāng)鋼材的溫度升高，屈服強度下降，原有的彈性形變會變成塑性形變，從而是應(yīng)力松弛。加熱溫度越高，內(nèi)應(yīng)力消除越充分。但溫度過高時將使鋼材表面嚴(yán)重氧化。另外，對于調(diào)質(zhì)鋼的PWHT溫度，應(yīng)以不超過鋼材原回火溫度為原則，一般比鋼材原回火溫溫度低30度左右，否則材料就會失去調(diào)質(zhì)效果，強度和斷裂韌性就會降低。這一點對于熱處理工作者來說，應(yīng)予以特邊關(guān)注。消除內(nèi)應(yīng)力的焊后熱處理溫度越高，鋼材軟化程度越大，通常加熱到鋼材的再結(jié)晶溫度，內(nèi)應(yīng)力就可消除，再結(jié)晶溫度與熔化溫度有密切關(guān)系。一般地，再結(jié)晶溫度K=0.4X熔化溫度（K）。熱處理溫度越接近再結(jié)晶溫度，消除殘余應(yīng)力越有效。

　　四、PWHT綜合效果的考慮焊后熱處理并非是絕對有利的。一般情況下，焊后熱處理有利于緩和殘余應(yīng)力，并對應(yīng)力腐蝕有嚴(yán)格要求的情況下才進行。但是，試件的沖擊韌性試驗表明，焊后熱處理對熔敷金屬和焊接熱影響區(qū)的韌性提高不利，有時在焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化范圍內(nèi)還可能發(fā)生晶間開裂。再則，PWHT是依靠在高溫下材料強度的降低來實現(xiàn)消除應(yīng)力的，因此，在PWHT時，結(jié)構(gòu)有可能失去剛性，對于采取整體或局部PWHT 的結(jié)構(gòu)，熱處理前，必須考慮焊件在高溫下的支承能力。所以，在考慮是否進行焊后熱處理時，應(yīng)將熱處理的有利和不利兩個方面綜合比較。從結(jié)構(gòu)性能上來看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，應(yīng)在綜合考慮兩方面的基礎(chǔ)工作上做出合理的判斷