容器管道锻件制造中的常见缺陷和预防对策讲座PPT.ppt

容器 管道锻件制造中的常见缺陷和预防对策 热加工和材料 换热器示意图 筒体螺纹下端根部应力最大 厚壁筒体的应力示意图 径向 切向 轴向 内 外 重要区筒体 内壁 两端焊接热影响区法兰 内壁 颈部 焊接区 一般加氢器示意图 煅焊结构反应器制造过程 压力容器用钢 压力容器受压元件用钢应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢 对标准抗拉强度下限值大于或者等于480MPa的低合金钢和奥氏体 铁素体不锈钢锻件 以及有 0 的低温性能考核的锻件 都应当采用炉外精炼 LFV AOD VOD等 工艺 甚至真空浇注工艺压力容器受压元件用钢应附有钢材生产单位的冶轧厂质量证明书原件碳素钢和碳锰钢在高于425 454 温度下长期使用时 应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向 铬钼钢在454 482 下也应考虑石墨化问题 奥氏体钢的使用温度高于525 时 钢中含碳量应不小于0 04 奥氏体型钢材的使用温度高于或等于 196 时 可免做冲击试验 对已列入本标准的标准抗拉强度下限值大于或等于540MPa的钢材和用于压力容器设计温度低于 40 的低合金钢钢材 如钢材生产单位无该钢材的生产和压力容器使用业绩 则钢材生产单位仍应按TSGR0004的规定通过技术评审 方可用于压力容器碳当量 0 45 需考核X bruscato 或J watanaba 系数 下列钢锻件应选用 级或 级 由设计院决定 a 用作容器筒体 封头的筒形 环形 碗形锻件 b 公称厚度大于250mm的CrMo MnMo类低合金钢锻件 c 标准抗拉强度下限值等于或大于515MPa且公称厚度大于200mm的低合金钢锻件 d 使用温度低于 20 且公称厚度大于200mm的低温用钢锻件 钢锻件的使用温度下限应按下列规定 a 35钢锻件使用温度下限为0 35CrMo钢锻件使用温度下限为 10 b 20 16Mn和20MnMo钢锻件使用温度低于0 20 时 钢锻件应按JB T4726的相应规定进行 20 冲击试验 c 20MnMoNb钢锻件使用温度低于0 10 时 钢锻件应进行 10 冲击试验 d 20MnNiMo钢锻件使用温度下限为 20 屈强比工程上比较重视屈强比 这个值越小 表示材料屈服极限与强度极限的差距越大 即塑性越好 从而保证了使用中的安全可靠 一般屈强比大于0 7的材料在设计中和制造中应予以重视 大于0 8 0 85的材料要特殊对待 CrMo钢大都为0 8 0 85 例如12Cr2Mo1淬后690 回火时为0 8左右 600 回火即为0 85左右 碳锰钢为0 75 0 82 和CrMo钢一样 低温回火时高 一般多次淬火对提高屈服点有利 少量提高抗拉极限 强硬比强度与硬度 HB 之比 对调质钢来说 CrMo钢为3 2 3 3 碳锰钢为3 3 3 4在知道HB值后 从以上两个参数可大致判断性能水准例如 二又调质后HB必须大于185 一般最大模拟后跌3 40单位 16Mn在620 模拟后约跌4 10单位 另外 一般HB低的模拟后也跌得少 HB高的跌得多 这与调质后得到的相组织的结构和稳定性有关 淬火淬得好的件残余奥氏体少 转变产物完善 组织均匀且稳定 模拟后HB跌得少 质控技术基础高温拉伸屈服强度 按试验温度 比常温值下降20 100MPa许用应力和高温屈服的保险系数一般为1 5 2 7换热器管箱的进口段高温高压工况复杂 高度注意 一般高颈法兰等焊口端重要度高一些 必须确保 都要求MT一级 钻孔法兰一端注意密封面硬度 ASME规定法兰件不允许锻成圆棒后锯切加工交货 管板上下两端面要求探伤一级 大厚度管板JTS实施时注意平整 筒体两端200mm段及内壁50mm是重要区 管子内壁和两端是重要区 一般小直径管子内壁无法MT 外圆UT时注意观察近底波处波形变化 热处理件最大限度逼近零件尺寸加工 可运用开槽等方法加快厚壁件的冷却 试样模拟前后的硬度及其变化很重要 低温冲击不合格时先查硬度 再查晶粒度和微观组织 转变产物 夹杂物等等 由一次要因得出的结论查工艺 母材等方面的二次要因现在产品氢氧量准确确定比较困难 应加强夹杂物 尤其是氧化物类 的甄别试板是最重要的锻件 应高度重视锻造 热处理工序质量 经常碰到的材料质量问题 2U 和16Mn厚壁件抗拉强度低 1U 20 冲击值跳跃 出现魏氏组织 或铁素体过多 筒体端头近内壁夹杂超标 厚壁锻件探伤时杂波多 尤其是16Mn 锻件表面质量差 缺少加工余量 疏松 二重和太原科技大学解剖的234t双包合浇2U V真空锭 中径3m 身高4m VCD精炼 Ai Ti终脱氧 表面激冷层40mm 短柱晶区240mm 沿半径测柱状晶平均宽42 45mm 长11 38mm 无A偏析区 正偏析点在冒口下1m朝上 冒口下450mm沿轴向有宽20 30 长1400mm的疏松带 最大疏松孔径20mm 一般为2 5mm 无二次缩孔 钢锭缺陷示意图 材料影响 关于筒体某一端头近内壁处夹杂物环形分布 主要原因凝固时沉淀的底部沉积锥未冲去而打进本体 这部分约占锭身的5 7 钢锭肩部的上浮夹杂物小区域也会导致筒体端头外径处呈现点状夹杂区域 造成这种现象的原因可能是是钢锭原始缺陷区大 锻件利用率高 没有切底与气割肩部 目前都用实心冲子或小直径空心冲子冲孔 无法真正去除大量夹杂物 对策开坯镦粗后空心冲从底部端向冒口端冲孔可反挤去一些夹杂区 相应改善夹杂物集中的现象 空心冲直径约为钢锭底径的1 3或1 3强 合锻件布料时将空心件置于尾部 实心件置于头部钢锭浇注温度等浇注参数要到位 以利于夹杂物上浮锭模高径比要控制好 一般1 5以下 太高不利于夹杂物上浮 锭模预热初锻时镦粗后先大进砧量拔长再开坯 端部打出鼓形再斩掉 不能先锯头尾 少掉整体预镦粗拔长 开坯前的大压缩量能打碎柱状晶 压实疏松 改善偏析 形成纵向结构 挤出沉积锥 改善皮下组织 为随后的成形打下基础 成分影响性能的方面 C Si偏析或T 2处的 A 偏析影响所有性能S P量及Sb As Sn高 P Cu或P Sn高2U的C靠上限 Mn尽量控制在0 50 1U的气体和S P要低 防止化合物过多而影响低温冲击16Mn的C控中限 0 17 Mn控中上限有低温冲击要求的Si控低限 终Al0 015 0 035 Mo控中上限Cr V控中限 组织影响冲击1严防产生魏氏组织 正常100 局部魏氏组织100 正常500 魏氏组织500 影响魏氏组织形成的因素 1 冷却速度过快和过慢都会导致魏氏组织的形成 2 加热温度过高 粗大奥氏体晶粒将促进魏氏组织形成 3 亚共析钢碳含量为0 10 0 4 时较易形成魏氏铁素体 4 终锻温度过高 停锻之后 锻件内部晶粒会继续长大 形成粗晶组织 例如亚共析钢的终锻温度若比A3高出太多 锻后奥氏体晶粒将再次粗化 在一定范围的冷却速度下 魏氏组织容易在粗大晶粒的奥氏体中产生 它是由在一定晶面析出的铁素体和珠光体所构成 5 调质的水淬温度高 水温低 冷速快 易出现魏氏组织 可阶梯式加热 先高后低 或出炉后空冷后再淬 2用较低温度下的变形来改善铁素体形态形变诱导铁素体一般呈等轴状的形貌 形核地点一般在奥氏体晶界 随着变形温度的降低和变形量的增大 形核地点向奥氏体晶内扩展 且形变诱导铁素体的转变量也增加 但转变量不会超过该温度下的平衡量 先共析铁素体的形态受变形温度和冷却速度的影响 随着冷却速度增加 铁素体形态由等轴状向针状和魏氏组织形态转变 变形温度降低 有利于得到等轴状的铁素体 变形对魏氏组织铁素体的形成有抑制作用 使形成魏氏组织的临界冷却速度增大 随着变形温度的降低和变形量的增大 变形后冷却过程倾向于得到等轴状的铁素体加珠光体的组织 降低变形温度和增大变形量同样有利于细化铁素体晶粒 但容易造成组织不均匀 3晶粒加热 约2 5级 1级晶粒度 约4 5级晶粒度 促使奥氏体晶粒长大的因素 主要是加热温度 一般含碳量增加 晶粒长大 晶粒长大倾向性增大 凡是能形成稳定碳化物的元素如钨 钛 钒 钼 铌等 都能够抑制奥氏体晶粒的长大 而锰和磷会促使奥氏体晶粒的长大 所以锰钢加热时特别要注意防止晶粒的长大 Al含量很重要 形成AlN起到阻止晶粒长大作用 AlN和Al2O3在950 后逐渐融入晶内 失去机械阻碍物作用 晶粒开始长大 当变形温度高于再结晶温度100 以上 总变形量 35 时 锻前加热和中途回炉加热的温度尽量低 保温时间尽量别太长 以避免静态再结晶的晶粒严重长大 锻造速率低些 使动态再结晶完善 晶粒细小 均匀 锻造时改善宏观组织的方法加大锻比 改善锻造状态 进砧量 温度等等 筒体的常规锻造工艺在冲孔后为芯棒拔长 再芯棒扩孔 其断面缩减率应 3 5 用粗芯棒扩孔易打碎皮下枝晶组织 一般壁厚200mm的筒体在外径表面40 60mm与内径30 50mm是细化组织 中间组织渐粗 人孔法兰等两端厚壁上加样的锻件一定要用小砧 或赶铁 平整端面 压实取样区域 能合锻的可考虑合锻 这样钢锭选用时较大 锻造比较大 终锻温度对晶粒度的影响 晶粒大小对强度的影响晶粒大小对脆性转变温度的影响 晶粒度 不同微观组织的材料其冲击韧度随温度降低而减小 细晶细碳化物组织比细晶粗碳化物组织和粗晶粗碳化物组织韧脆转变温度低 同一温度下的断裂韧度好 而且晶粒尺寸对韧脆转变温度和断裂韧度值的影响要比碳化物尺寸显著得多 晶粒细化还有助于上B韧性提高 一点说明对汽轮机转子等要求持久性能高的一般要求晶粒稍粗一些 因为晶粒粗意味晶界总长度减少 而对以晶界粘性滑动产生失效行为的持久和蠕变性能来说 晶界少意味着被破坏的机会少 但对压力容器锻件来说常需考核低周疲劳 为提高此性能 常希望晶粒细一点 因为疲劳裂纹在细晶粒内向前推进时不但要受到相邻晶粒的阻碍 还要在一个晶粒到另一个晶粒时转向 这些都会阻滞裂纹的扩展 因而提高了抗疲劳性能 晶粒大小对晶间腐蚀敏感性的影响 一般来说 粗晶使晶界被腐蚀程度加重 抗应力腐蚀能力下降 但重量损失减少 因晶界总长度比细晶粒少 左图为A321粗细晶粒抗蚀性的比较 晶粒越细 抗蚀性能越好 晶粒越细 抗氢性能越好 相变中细化晶粒的方法 1 加改质元素 Nb Al V 使钢锭原始组织大大改善 形成抑制晶粒长大的 桩 或反复正火 减小初始晶粒 增加形核数 上图 1 2 加大变形量 恒温变形 增宽变形区间 工艺优化 打碎枝晶 改善枝间偏析 既增加形核数又提高转变驱动力 上图 2 3 3 热处理时加大冷速 变形时降低终止温度 850 750 二相区锻造 750 550 控轧 形变热处理TMCP 增大转变驱动力 上图 4 4 通过变形和热处理使较粗大夹杂物破碎 把第二相弥散分布 增加形核数 上图 3 第2点最重要 是动态再结晶细化的关键 不锈钢及超纯净电渣钢尤是 第3点也很重要 位错层更细密 使以后的晶粒更细 常见探伤时衰减过大的要因分析现象 1锻件在超声波探测时草状波严重 导致无法判别缺陷波 无法进行探伤 2锻件外周层衰减尚可 中心区域衰减严重 3 环类件径向探测尚可 平面上探测时较差或锻件的某一段圆周区段衰减严重 4 饼类件的R 2处出现严重草状波 一次要因 1未打碎钢锭柱状晶或未打碎原始铸态晶 有时可见排列整齐 发达的铸态二次枝晶晶干 枝晶方向排列特点同冶铸后钢锭结晶 2 局部粗晶 混晶 3 疏松 4 白点 或密集的夹杂性裂纹 波形可区分 二次要因 钢锭开坯前未镦粗 或镦粗比小于1 8 为使钢锭拔长时出铁快 进砧量小 锻件的砧下区域未压实 翻身压时未与前道错砧施压 使接砧区压实 加热温度高或保温时间长 引起过热 或过烧 出现高温魏氏组织 炉内温度场不均 单边红 靠喷嘴处温度过高使加热件局部晶粒迅速长大 成形时终锻温度高 外表温度 850 中心温度 950 容易得到粗大的奥氏体晶粒 而且冷却较慢 严重影响锻后奥氏体晶粒分解的再结晶行为 有时出现魏氏组织 某火次锻压量小于30 因达不到临界变形量而使晶粒粗大 锻后无热处理前预备性过冷转变 锻件冷至表温 450 再进550 待料炉 Mn P等粗晶元素的影响 热处理时加热速度很慢 使奥氏体形核率少 重结晶温度低 未很好固溶 冷却速度小 转变不彻底 无扩氢处理等等 钢锭夹杂物多 疏松极其严重 枝晶发达 本质粗晶特征明显 含氢量过高 强度低的原因 碳当量低 为提高韧性和抗蚀性 提高可焊性 降碳 降硅 炼钢时为防止CE出格 预先把碳控制在下限 对16Mn抗拉要求470MPa以上的应选用C Mn 6 0 37 0 40的钢锭奥氏体化温度低或回火温度高 回火参数Pt值高于常规最佳性能要求 如 2U 为20 5 20 8 有的是设计院的技术条件定的PWHT保温时间过长所致 Pt 20 8 强度急剧下滑壁太厚 T 2处冷速小于转变组织 贝氏体 要求的速度 CrMo钢大于250mm Mn钢大于150mm时易出现问题锻造主变形方向和取样方向不一致 各向异性 热处理固溶不好 未冷透 组织稳定性差 模拟后 走样 残奥分解后铁素体和珠光体量过多 强度 碳当量计算式 估算 C Mn 6 0 40 Pt计算 PWHT的影响 690 回火10h PWHT 26hPt 20 76 热处理影响 420 320 Pt值与屈服强度的关系 Pt值与冲击韧性值的关系 2U 回火参数计算 为降低回火脆性效应 在消除应力 获得较佳的综合力学性能的同时注意控制好不同材料 尤其是2 25Cr 1Mo类 的回火参数Pt值范围 计算时 应综合计算热处理时最后一次奥氏体化后的多次回火参数 并作出评价 折算举例如下 如2 Cr 1Mo V筒体性能热处理 720 12h 即第一回火 模拟焊后热处理 PWHT 705 8h 即第二回火 Pt T 20 lg 10 3 式中 T为回火绝对温度 k 为保温时间 h 则Pt1 720 273 20 lg12 10 3 20 932 将此折算到705 即20 932 705 273 20 lg 10 3 25 285 即720 下保温12小时相当于在705 下保温25 285小时 折合到最终回火温度上 总的Pt 705 273 20 lg 25 285 8 10 3 21 05 30 冷却时间的确定 冷却速度 170 空冷油冷水冷 不同直径在不同介质中的冷速 筒体 冷速 筒体端口内口纵裂原因 产生端面裂纹的主要原因 1 锻件冲孔过程中 最后芯料从锻件上撕裂 在下端面形成撕裂带 表面质量差 如不处理会在芯轴拔长及扩孔过程中形成裂纹2 镦粗冲孔过程中 坯料下端始终与平台接触 温度较低 在冲孔的拉应力作用下 坯料下端面会产生小裂纹 如不及时处理会在后续锻造过程中产生大的裂纹 3 在芯轴拔长和扩孔过程中 筒体端面温度最低 如果成形时间过长或终锻温度太低 在大变形情况下 端面会出现裂纹 4 以上平下V型砧芯轴拔长时 应力状态不良 环形坯料显椭圆型变形 引起附加应力 当旋转锻压时 坯料受该应力交变作用 结果造成端面开裂 见上图 5 芯轴拔长后端面缺陷较多 在未清理的情况下直接进行芯轴扩孔 导致芯轴扩孔过程中裂纹较多 扩孔时变形区高宽比 2 大压下量后形成近内径区环形折叠裂纹 主要是前道墩得太低 使冲孔后的壁厚和镦下高度之比太大所致 减少和预防端面缺陷的措施有 1 认真做好每火次后的吹氧清伤工作 特别注意冲孔后端面龟裂及金属撕裂带 2 制坯注意 镦粗时别一味追求锻比而镦得太低 冲孔时头冲不要冲得太深而引起坯料翘曲 3 芯轴拔长过程中 先拔两端后拔中间 避免端面在低于锻造温度的情况下成形 4 改用上 下V型砧芯轴拔长 由于变形和应力状态得到改善 附加应力减小 可以大大降低开裂的倾向而且生产率也得到提高 5 芯轴拔长后采用气割方式将端面找齐后再进行芯轴扩孔工序 6 严格控制芯轴拔长时及拔长前的加热温度和加热的均匀性 避免阴阳面的产生 7 芯轴拔长和扩孔过程中 依据材料 温度具体情况 选择合理的压下量和翻转角度 扩孔时有条件的话及时换大直径芯棒 1 避免锻前加热温度过高 尤其对含有V Ti Nb等元素的高淬透性钢 更应严格控制加热温度 2 避免锻件上存在小变形或临界变形的区域 尤其当坯料加热温度较高时 应使各部位均有足够的变形量 3 大锻件锻造后 在奥氏体区应缓慢冷却或在奥氏体温度下采用较长的保温时间 采用中间重结晶退火或长时间高温回火加退火 4 锻后热处理应尽可能获得铁素体一珠光体组织 将原始晶粒内的位向打乱 这是消除晶粒遗传的最有效的办法 但是 晶粒遗传主要出现在高合金钢中 而高合金钢的奥氏体极为稳定 例如Cr2Ni4