奥氏体不锈钢焊后消除应力的工艺探讨

1、2010年第3期奥氏体不锈钢具有许多优点,因为其组织状态为奥氏体,所以是非磁性的,没有淬硬性,韧性好,易于加工,尤其该类钢在氧化性环境中抗腐蚀性非常强,因而广泛用于化肥、石油、化工等行业中。当奥氏体不锈钢在腐蚀性介质中工作时,热处理是至关重要的一道工序,因为当材料中残留有拉应力时,材料在腐蚀性介质中会非常容易产生应力腐蚀裂纹。在腐蚀性介质中工作的奥氏体不锈钢焊件必须进行焊后热处理,同时奥氏体不锈钢的焊后热处理又具有一定的危险性。奥氏体不锈钢焊后消应力热处理温度为870900,而奥氏体不锈钢易发生敏化的温度范围在400800,与奥氏体不锈钢消应力处理温度区间重合。在消应力处理过程中,如果升、降温

2、阶段在400800,停留时间过长,会使碳化铬沿晶界连续析出,晶界附近贫铬,从而丧失钝性,晶界处于首先被腐蚀状态,即发生敏化。敏化的出现,使材料接触腐蚀液时,只沿晶界产生腐蚀,并且非常快地便浸入金属内部,形成晶间腐蚀。使结构和零部件的机械性能急剧下降。因此,对奥氏体不锈钢的焊后热处理应十分慎重。1用超载技术消除焊接残余应力1.1超载技术处理的概念对于承受载荷的结构物或构件,在其制造完成之后投入运行之前,在可以控制的条件下对其施加一个比其工作状态下的应力稍大外加载荷,这样的载荷可以加一次也可以重复多次使用,以提高结构物或构件的抗疲劳破坏或脆性破坏能力,这样的处理方法称为超载技术处理1。应用超载技术

3、处理的方法即水压法,这种处理方法很早就已采用,不过那时仅用作检查制造的质量。近年来,重新提出用超载技术处理,除了用于质量检查外,还可以用于消除焊接残余应力和减少构件内允许存在的缺陷。用超载技术消除焊接残余应力的方法属于机械消除残余应力的方法。在加载过程中,外加应力与局部存在的残余应力叠加,合成应力低于屈服极限时呈弹性变形,应力与应变成直线关系。当合成应力达到屈服限后,应力达到屈服限的局部地区开始发生塑性变形。随着外加应力值的增大,合成应力达到屈服限的范围增大,产生塑性变形的范围也相应增大。而在产生了塑性变形区域内的应力却没随外加应力的增加而增加。在外载卸除的过程中,屈服变形的区域同弹性变形区域

4、一起均以弹性状态恢复,原来存在的残余应力被消除。1.2用超载技术消除焊接残余应力的可行性华东石油学院不锈钢设备强化研究室以通过变形来强化奥氏体不锈钢为目的对奥氏体不锈钢的机械性能进行了一系列研究,并对小型奥氏体不锈钢压力容器作了超载实验,得出6个结论。(1奥氏体不锈钢以过冷拉或者超载处理以后,屈服极限有显著的提高,与此同时,塑性指标及冲击韧性并无明显下降。(2超载处理可以提高不锈钢的疲劳强度。(3超载处理能有效地消除有害的焊接残余应力,对于焊后不作消应力处理的不锈钢设备,进行超载处理就是相应的进行了消除焊接应力处理。(4超载处理不影响奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感度;相反,提高了抗应力腐蚀裂纹的能

5、力。(5在高温下,经超载处理后,钢材仍维持较高的机械性能。(6不锈钢容器焊后进行超载处理时,焊缝同时发生强化。由于焊缝金属的屈服极限较高,其变形对于母材略为减小。但强化处理以后,焊缝与母材均可达到相近的水平。从实验结果可以看到,奥氏体不锈钢可以通过超载处理来消除焊接残余应力。消除焊接残余应力对奥氏体不锈钢来说有0.5%1.0%的变形量即足够,而1973年国际焊接学会对奥氏体不锈钢受压容器上所采用的超载处理进行强化技术作了鉴定,认为在奥氏体不锈钢上可以采用10%的变形率来提高其机械强度。由此看来,奥氏体不锈钢完全有可能通过超载处理来消除焊接残余应力2。1.3奥氏体不锈钢超载处理技术将供货状态的钢

6、板直接制作容器,焊接后按要求的屈服极限在水压试验中作超载处理,以消除焊接残余应力。超压处理时,应注意3个问题。(1在焊制容器时,按规范的要求,对所有开孔及接管,采用加补强圈或整体补强元件,以承受超压作用。每个接管的管端处焊接密封帽或盲板,以保证密封。水压试验时,按计算出来的强化应力进行加压,此时,壳体的最薄弱部位(焊缝热影响区、封头的过渡区、接管与开孔的拐角处在水压的作用下,首先出现屈服,引起塑性变形。但因奥氏体不锈钢的强化作用,这些薄弱部位的塑性变形立即受到阻碍,而将变形分布到容器的其它部位。如此反复交替的结果,就可以获得变形比较匀的容器。与奥氏体不锈钢焊后消除应力的工艺探讨赵大年(大庆石化

7、公司腈纶厂,黑龙江大庆163714炼油与化工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY53炼油与化工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY第21卷硫磺回收装置气风比的自动控制梁家庆(大庆中蓝化建有限公司,黑龙江大庆163713某炼油厂硫磺回收装置由齐鲁石化胜利炼油设计院设计,处理由溶剂再生和酸性水汽提来的酸性气。制硫单元采用二级Claus反应,高温掺合控制反应器入口温度,尾气处理单元采用SSR(专利技术硫回收工艺,尾气经过加氢还原、急冷、吸收,再经过焚烧炉后达标排放到大气,设计产工业硫磺1800t/a。1装置存在的问题装置在设计时,考虑原油低硫、高氮的特

8、点,设计负荷比较小。设计处理酸性气236.35m3/h,但是由于该厂原油加工能力的提高以及原油二次加工深度的增加,2006、2007年平均入炉酸性气都达到280300m3/h,总空气量都接近了570650m3/h,系统超负荷运行,致使装置运行不稳定1。2先进控制方案2.1总体控制方案应用SMART构成复杂控制器,其中主要包括采用复杂控制策略的压力控制器和气风比控制器。利用DCS系统中的OPC实现复杂控制器和DCS之间的数据交换,复杂控制器从DCS中接收过程参数,经过运算,得到控制数据,送给DCS,由DCS实现对过程的控制,复杂控制器的结构框图见图1。此同时,母材、焊缝和热影响区的金属均发生强化

9、,同时焊接残余应力得到消除。超压处理以后,将密封帽或盲板割去,以供焊接接管及法兰。(2当接管或开孔较少时,可以采用加厚壳体或封头的方法,在需要焊接接管的部位,局部加厚壳体或采用较厚的钢板焊接。先作容器的超载处理,处理后,再开孔及焊接接管。(3超压处理压力的确定。对于球形容器,超载水压处理的压力为:p=40.2t/(D+t对于圆筒体形容器,超载水压处理的压力为:p=20.2t/(D+t式中t容器壁厚,mm;p室温下进行超载处理的压力, kg/cm2;D容器直径,mm;0.2室温条件下的屈服强度, MPa。1.4超载技术在国外的应用奥氏体不锈钢采用超压处理进行强化的技术,在理论上是成熟的。国外对奥

10、氏体不锈钢采用强化处理的目的是进行钢材的强化,提高钢材的屈服极限,减小壁厚。此项技术瑞典Avcsta厂首先采用,该厂已生产了700台以上的经过超压处理的不锈钢设备。其中包括有硫酸蒸煮器、硝酸吸收塔、蒸发塔、反应器、纸浆酸类储罐、供水管线等。北欧三国(瑞典、芬兰、挪威检验协会、德国的技术检验协会和英国检验局等均早已同意在生产上使用经过强化处理的不锈钢设备。国际焊接学会经过鉴定,认为对不锈钢采用10%以内的变形量进行强化是可行的。由此看来,奥氏体不锈钢通过超载处理来消除焊接应力也是可行的。2奥氏体不锈钢的其它消除焊接应力方法2.1用振动法消除焊接残余应力采用振动法消除残余应力,在原理上与疲劳情况一

11、样,要考虑在交变应力作用下的残余应力的稳定性。在交变应力的作用下,材料内若产生塑性变形时,残余应力的松弛就可能发生。对焊接结构件用振动法消除残余应力的探讨性实验表明,只要没施加到足够高的振动应力,就不能达到去除残余应力的目的。2.2低温去除应力法该方法是把焊接部位用两侧可以移动的火焰进行加热,同时为了使焊接部位不被加热,而用火焰同时移动的喷水对加热部位进行急冷。这时的加热温度是200250。在进行移动加热时,由于加热部分的体积膨胀,就会在包括焊接部位的两侧区域产生应立场。因为一般在焊接部位上,存在有接近于一般屈服应力大小的拉伸残余应力,那么由这种加热而引起的拉伸热应力再附加其上时,就会由于这种叠加作用而使焊接部位产生塑性变形,残余应力也就会因之而下降。该方法可以消除残余应力的70%左右。3结束语奥氏体不锈钢因焊接而产生的应力,易使材料产生应力腐蚀裂纹。通过消应力热处理来消除材料冷加工及