锅炉压力容器常用钢材焊后热处理规范各参数的确定

锅炉压力容器常用钢材焊后热处理规范各参数的确定 摘 要：焊后热处理是焊制承压设备的一项重要工艺和环节。焊后热处理是指焊制后，为消除焊接残余应力，改善焊接接头的组织和性能，将焊件均匀加热到金属相变点以下的某个温度值（或区间），并保持一定的时间，然后均匀冷却的过程。这里所述的温度值、时间是指焊后热处理规范参数中的保温温度和保温时间。确定保温温度和保温时间是制定焊后热处理工艺的关键所在。GB/T30583-2014承压设备焊后热处理规程原则上对焊后热处理保温温度和保温时间给予规定，我们应该认真执行。焊后热处理工艺规程是一个专业性和实践性非常强的技术文件，工艺人员应根据各钢材的特性，结合设计文件、制造工艺和质量管理情况来拟定焊后热处理工艺规程。本人就此谈一点自己的看法。 关键词：锅炉 压力容器 钢材 参数 中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）10-0202-02 一、问题提出 1.焊接对接接头的组织和性能影响 焊接是焊件在局部区域受高温热源和局部约束应力共同作用下，经过加热和冷却形成焊接接头。由于焊接时加热温度很高，加热和冷却速度很大（4100/s），焊接接头各个位置经受非常不均匀加热和冷却过程，使焊接接头中存在焊接残余应力，焊缝区和热影响区化学成分、金相组织都有很大变化，与母材相比均有不同程度降低。为了满足承压设备安全使用，改善焊接接头组织和性能，需采用焊后热处理工艺。 2.焊后热处理主要作用 焊后热处理是改善焊接接头使用性能的有效工艺措施，其主要作用如下： 2.1消除残余应力；2.2提高抵抗应力腐 蚀的能力；2.3 改善组织并提高其稳定性；2.4提高冲击韧性、强度和抗蠕变性能； 2.5降低焊接接头的硬度。 二、影响焊后热处理效果的主要参数 1.焊后热处理的保温温度的影响 1.1保温温度对消除残余应力的影响 钢材在不同温度下具有不同的屈服强度值，一般情况下，钢材屈服强度值随着温度的升高而降低。在某一?囟认拢?残余应力高于钢材屈服强度值时，焊接接头会产生塑性变形而松弛使残余应力降低。为了使残余应力降低到一定程度（一般认为降低80%90%），需对焊件加热到一定温度，使焊接接头金属的屈服强度值降低到某一值时，焊接接头金属才能产生一定的塑性变形，从而获得消除残余应力的效果。是焊后热处理最关键工艺参数，对焊后热处理的效果影响最大。 1.2保温温度对降低焊接接头中氢含量的影响 钢材在不同温度下对氢的溶解度不同，一般情况下，氢在钢材中的溶解度随着温度的上升而增大，当温度在200以上时，氢在钢中大大活跃起来，从钢材中逸出，使钢中扩散氢含量降低。因此，焊后热处理的保温温度达到某一值时，才能使焊接接头中的扩散氢加速逸出，从而降低氢含量，防止产生冷裂纹。 1.3保温温度对恢复钢材性能的影响 因冷加工产生塑性变形会使金属晶粒破碎、拉长、压扁而产生畸变，从而使钢材强度、硬度增高，塑性和韧性降低。为了恢复钢材的性能，应将钢材加热至某一温度（一般加热到450以上），在该温度下，晶粒将产生再结晶，如此，钢材的性能得以恢复。 1.4保温温度对改善焊接接头的组织和性能的影响 马氏体转变区（低温转变区） 马氏体是碳、合金元素在-Fe 中的过饱和固溶体。当钢高温奥氏体化后，若快速冷却至马氏体点（Ms）以下时，由于-Fe在低温下结构不稳定，便转变为-Fe；但冷却速度过快，钢中的碳、合金元素来不及扩散，保留了高温时奥氏体的成分。马氏体处于亚稳定状态，由于碳、合金元素在-Fe中过饱和，使-Fe的体心立方晶格发生畸变，形成了体心正方晶格。马氏体具备很高的硬度（约为640760HBW），很脆，冲击韧度低，断面收缩率和断后伸长率几乎等于零。由于过饱和碳合金元素使马氏体晶格畸变，因此马氏体的比体积较奥氏体大，钢中马氏体形成时产生很大的相变应力。 贝氏体转变去区【中温转变区：指Ms（230550）温度区间】 Ms（230350）温度区间，马氏体受热开始分解析出渗碳体，析出速度较慢，数量不多，析出渗碳体以细小颗粒状分布于针状铁素体内部，显微镜下的形貌呈针状，错位密度大，碳化物分布均匀，具有较好的综合力学性能。 350550温度区间：钢的组织是渗碳体分布于条状铁素体之间，显微镜下形貌呈羽毛状，称为羽毛状贝氏体，也称为上贝氏体，其强度和韧性等力学性能都较差。 珠光体转变区（高温转变区，指550A1以下温度区间） 钢在珠光体转变区时，由于加热温度高，碳、合金元素活动能力较强，能充分形成渗碳体，同时形成铁素体和渗碳体的机械混合物-珠光体。渗碳体以层状分布在铁素体基体上，转变温度不同，铁素体与渗碳体片层厚度不同。 综上所述，焊后热处理保温温度对消除残余应力、降低焊接接头中的扩散氢含量，改善焊接接头的组织和性能其决定性作用。 2.焊后热处理保温时间的影响 2.1在焊后热处理过程中，焊件由于有厚度，其表面和内部温度要达到均匀需要一段时间。焊件由于结构原因，外部部件和内部部件温度达到均匀同样需要一个时间段。当焊件厚度较大或结构较复杂，由于在加热时存在温差，会造成焊件内部存在较大温差应力，为了使温差应力降低到可接受程度，防止产生裂纹和造成过大残余变形，因此亦需延长加热和保温时间。总之，焊后热处理时必须设定充足的均温时间。 2.2碳钢、低合金钢的C曲线显示，焊件加热到某一温度值后，组织转变分为三个时间段：A、孕育时间段；B、组织转变时间段；C、转变结束时间段。由钢的C曲线可知，保温温度不同，三个时间段值均不相同。在曲线的“鼻尖”（大约550）附近时，孕育时间段和组织转变时间段最短。温度的升高或降低其孕育时间段和组织转变时间段将增长。为了获得理想的组织和性能，焊后热处理保温温度确定后需要确定最短保温时间以满足其组织充分转变的需要，否则，时间短，组织转变不充分，就难以获得理想的组织和性能。 2.3焊接接头在焊后热处理保温温度和残余应力共同作用下，产生塑性变形进行松弛，降低残余应力，接头中扩散氢逸出，这个过程从开始至结束需要一个时间段来完成，这个时间的长短，决定了残余应力消除程度和扩散氢逸出的程度，对焊后热处理效果有重大影响。 综上所述，焊后热处理保温温度确定后，需确定一个足够时间段来完成组织转变，消除残余应力，降低扩散氢的含量。因此，焊后热处理最短保温时间是影响热处理效果的重要因素。 三、焊后热处理保温温度和保温时间确定应注意的问题 GB/T30583中4.4对钢制焊件焊后热处理最低保温温度和最短保温时间，以及降低保温温度和延长保温时间给以规定。但标准并没有对最高保温温度和最长保温时间，以及在什么情况下应降低保温温度和延长保温时间给以规定。由于焊后热处理工艺是个专业性和实践性非常强的工艺文件，它要求工艺人员应具一定专业知识和足够实践经验。工艺人员根据GB/T30583的规定，钢材适应热处理加工的工艺性能，结合产品设计文件，制造工艺条件和管理情况来拟定热处理规程，规程中应明确确定最低保温温度和保温时间（最短），为做好本项工作谈几个应注意的问题。 1.确定焊后?岽?理最低保温温度的方法 首先在设计图样上，依次找出各式各样的焊接接头以及各个接头的钢号、标准号、供货状态、厚度 ，按NB/T47014表1规定划定类别号、组别号；但应注意以下几个问题： 1.1设计文件上对各个焊接接头材料（板材、管材、锻件）规定材料供货状态，特别注意正火十回头、调质钢要求，根据相关材料标准上标明最低回火温度，当材料质保书上提供材料回火温度时，焊后热处理保温温度应低于材料标准或材料质保书上的回火温度。 1.2设计文件中规定焊后热处理保温温度时，应按设计文件规定确定保温温度。 1.3对有再热裂倾向材料进行焊后热处理时（一般采用G法和PSR法判定材料是否具有再热之倾向，再热裂纹产生温度区间为550-650，焊后热处理温度应大于660，一般采用67515。 1.4不同钢号或不同类别相焊时，焊后热处理温度按焊后热处理温度较高钢号执行，但温度不应超过两者任一钢号的下相变点A1。 1.5在产品或部件用钢材供货状态不同时，应按材料标准或材料质保书规定正火十回火或调质处的回火温度来确定焊后热处理温度。 初步确定焊后热处理温度后，结合产品或部件设计文件，相应规范和标准，制造条件和管理情况，确定焊后热处理温度，若焊后热处理温度低于GB/T30583表示规定最低保温温度时，应表2的规定降低温度档次来确定焊后热处理温度。 2.确定焊后热处理最短保温时间的方法 2.1确定焊后热处理保温温度值当不低于GB/T30583中表1所规定的最低保温温度时，按接头的焊缝金属有效厚度最大者和表1规定来确定最短保温时间。 2.2当焊后热处理保温温度低于表1规定最低保温温度时，应按表2规定相应降低温度后的保温温度所对应最短保温时间进行确定。 四、焊后热处理最短保温温度和保温时间确定 1.钢材生产单位、大专院校和科研单位对钢材焊接性能试验所确定焊后热处理保温温度和保温时间，我们应采纳 如：1.109MnNiDR钢制球罐用W707DRQ焊条焊接性能通过试验确定焊后热处理保温温度（58010），最短保温时间2h，试验单位：合肥通用机械研究院；哈尔滨焊接研究所。 1.216MnDR钢的性能及应用规定焊后热处理保温温度（62020），试验单位：武汉钢铁公司。 承压设备生产单位按NB/T47014和设计文件的规定进行焊接工艺评定验证预热处理规程制定焊后热处理保温温度和最短保温时间是否合理并确认 但应注意以下几点：2.1对于低温条件下使用的特种设备，焊评应增加设定的低温温度下的冲击韧度试验。2.2对于高温条件下使用的特种设备，焊评应增加设定的高温温度的持久强度试验。2.3对于有再热裂纹倾向的钢材，焊评应增加热处理后进行MT或PT检测。2.4对于使用在应力腐蚀中的特种设备，焊评应按设计文件规定进行耐应力腐蚀试验。 五、焊后热处理保温温度和保温时间的验证 承压设备是检验焊后热处理效果和参数是否合理的标本。应在首台承压设备上来检验热处理效果，检验、检测和试验项目如下： 1.有再热裂纹倾向的钢材，热处理后对所有焊缝及产品焊接件焊缝进行100%MT或PT检测，按NB/T47013的规定，级合格。 2.有延迟裂纹倾向钢材，标准抗拉强度下限Rm540MP钢制承压设备，热处理后应对所有焊缝进行布氏硬度检测，HB200。 2.1筒体和封头的A、B、C、D类接头，每个接头各测两组；（2）开口接管与筒体和封头的D类接头各测一组；（3）每组测三点：即母材、热影响区、焊缝金属各一点（在设备内表面检测）。 3.有条件单位最好对所有焊接接头，按GB/T7704-2008无损检测 X射线应力测定方法规定进行应力测定。残余应力消除应达到85%以上为合格。 4.产品焊接试件 产品焊接试件应与产品同炉进行热处理，按NB/T47016的规定制备试样和试验。 4.1各项力学性能值不低于材料标准或设计文件规定值为合格。4.2低温承压设备应按设计低温进行冲击试验，其值应不低于材料标准或设计文件规定值为合格。4.3耐热钢承压设备应按设计最高温度进行持久强度试验，其值不低于材料标准和设计文件规定值为合格。4.4按GB/T2654-2008焊接接头硬度试验办法规定进行硬度试验，测点按图1所示进行。 1.A区-母材 B区-热影响区 C区-焊缝 2.用布氏硬度计测量 3.测点间距：在A.C区为3?L 在B区为0.5 ?L 4.HBW200或220 . 在设计文件规定进行耐应力腐蚀试验时，应设计文件规定方法、标准进行试验。以上各项检验检