ASME B31P-2017 制造过程的标准热处理 条款解读

ASMEB31P-2017制造过程的标准热处理条款解读本文对ASMEB31P-2017主要条款作系统解读，含预热温度、PWHT温度与保温时间、豁免条件、局部热处理几何要求，以及回火焊道与断裂力学两条替代路径。文中数值取自该版正文图表，可用于方案编制与内部培训；正式判定仍以标准正式文本及合同约定为准。一、标准身份与版次核对项目核对结果标准号与名称ASMEB31P-2017《StandardHeatTreatmentsforFabricationProcesses》（制造过程的标准热处理），属ASMEB31压力管道体系标准版本身份首版，不是对旧版标准的替代。前言说明：2011年B31标准委员会认为各B31分篇之间预热与PWHT规则不一致，由B31制造与检验技术委员会提出编制本标准，经B31委员会与ANSI审查后通过关键日期ANSI批准：2017年11月15日；签发日：2018年5月15日；版权年2018；当时预告下一版为2021年现行状态已被ASMEB31P-2023取代（2023版更名为《StandardHeatTreatmentsforPiping》），ASME官方将其列为历史版本；下一版计划2028年。合同或规范指定2017版时，仍按2017版执行勘误ASME记录显示该版无增补与勘误文本结构正文8章＋附录A—E（均为非强制）＋表格6张＋图9张＋表格化表单2张；正文与附录合计约29页，前置部分至第x页二、适用范围：管的是哪四类热处理标准适用于满足ASMEB31各分篇要求的管道组件与管线，覆盖四类热处理：预热（preheating）：焊前对母材加热，用于降低局部硬度、减少氢致裂纹，并减少焊缝区结露可能。焊后热处理PWHT：回火焊后硬化区、降低焊接残余应力。成形后热处理PFHT：热弯后恢复性能；冷弯后消除应变影响（高温服役时冷应变会劣化蠕变断裂性能）。合同规定的热处理：如奥氏体化、固溶等非标准热处理，合同可要求，本标准只给管控框架。三条边界必须记住：不覆盖材料规范热处理。原文明确：按材料或产品规范进行的热处理不在本标准范围内，由相应材料规范管辖。预热在标准里被单独说明。原文注释：预热通常不视为一种热处理，但它是B31各分篇的强制要求。不覆盖锅炉与压力容器本体。它服务于B31管道体系；容器、锅炉按BPVC相应分卷。三、温度测量与温度控制条款规定3.1.1预热测量可用热电偶、测温笔、光学高温计或其他合适器具；须确认焊前达到并在焊接全过程中保持3.1.2层间温度如需控制上限，测量器具与预热相同3.1.3PWHT测量必须用直接附着于表面的热电偶测温，以保证温度均匀并受控；不得使用非接触式测温装置3.2.2热电偶固定允许低能电容放电焊直接固定，能量输出不超过125W·s；须编WPS但不需评定；固定处仅做外观检查4.1.1预热范围焊点四周各方向至少达到规定温度，范围为3in.（75mm）与1.5倍公称厚度两者取大；外径小于1½in.（38mm）的小管可减至管径或1in.（25mm）取大；定位焊同样适用4.1.2炉内处理能用炉子时应用炉子；分段入炉时加热段重叠不少于12in.（300mm）且炉外部分需屏蔽；禁止火焰直接冲击工件；热电偶应布在最薄与最厚件上4.1.3局部处理环向整圈加热，焊缝位于加热带中心；浸泡带宽度不小于最厚件公称厚度的3倍；接管与附件焊缝每侧外延不少于母管公称厚度的2倍；受热部位不得超过母材下临界转变温度；P-No.15E必须执行附录B4.2升温与降温800°F（425°C）以上：升、降温速率均不得超过600°F/h（335°C/h）除以最大厚度（in），且任何情况下不超过600°F/h（335°C/h）；部分材料按表6.1.1-1有更严冷却要求四、焊接预热（一）温度取值（表5.1-1摘录）P-No.／材料条件最低预热温度P-No.1碳钢%C≤0.3050°F（10°C）P-No.1碳钢厚度＞1in.（25mm）且%C＞0.30200°F（95°C）P-No.3Cr≤0.5%低合金钢厚度≤½in.（13mm）且SMTS≤65ksi50°F（10°C）P-No.3Cr≤0.5%低合金钢其余情形（含SMTS＞65ksi）200°F（95°C）P-No.40.5%＜Cr≤2%全部250°F（120°C）P-No.5A／5B铬钼钢SMTS≤60ksi（414MPa）300°F（150°C）P-No.5A／5B铬钼钢SMTS＞60ksi（414MPa）400°F（200°C）P-No.6马氏体不锈钢全部；层间温度上限600°F（315°C）400°F（200°C）P-No.9A／9B镍合金钢全部250°F（120°C）／300°F（150°C）P-No.10I27Cr钢全部；层间温度维持300—450°F（150—230°C）300°F（150°C）P-No.15E9Cr-1Mo-V（CSEF）全部400°F（200°C）其他所有材料—50°F（10°C）上表为摘录，完整分级与附加限制（含%Cr＞6.0%、SMTS分档等）以表5.1-1原文为准。若WPS或设计另有要求，取更高值。（二）异种钢与焊接中断异种P-No.焊接：预热温度取两者中要求较高者（第5.2条）。中断规则（第5.3条）：对P-No.3、4、5A、5B、6、15E，焊接开始后须一直维持最低预热直至完成PWHT；仅在同时满足下列条件才允许中断：已堆焊至少3/8in.（10mm）或已填满坡口25%（取小者）且焊道足以承力；P-No.3、4、5A可缓冷至室温；P-No.5B、6、15E须做焊后脱氢烘烤（用H4及更低扩散氢等级焊材可免）；冷却后恢复焊接前须外观检查无可见裂纹，并重新预热。五、焊后热处理PWHT（一）温度范围与保温时间（表6.1.1-1）P-No.（分组）保温温度范围保温时间P-No.1Gr.1—3碳钢1100—1200°F（595—650°C）控制厚度不大于2in.（50mm）：1h/in.（1h/25mm），最少15min大于2in.（50mm）：2h，另加超出部分每英寸15minP-No.7、10I、15E：1h/in.至5in.（125mm），超过部分每英寸加15minP-No.3Gr.1、21100—1200°F（595—650°C）P-No.4Gr.1、21200—1300°F（650—705°C）P-No.5AGr.11250—1400°F（675—760°C）P-No.5BGr.11250—1400°F（675—760°C）P-No.6Gr.1—3马氏体不锈钢1400—1475°F（760—800°C）P-No.7Gr.1、21350—1425°F（730—775°C）；1200°F（650°C）以上区间冷却速率不大于100°F（55°C）/h，之后须较快冷却以防脆化同P-No.1的算法（含5in.规则）P-No.8Gr.1—4奥氏体不锈钢除非WPS要求，不要求PWHT（表6.1.1-3表述为既不要求也不禁止）按WPSP-No.9A／9B1100—1200°F（595—650°C）／1100—1175°F（595—630°C）按P-No.1的算法P-No.10H双相不锈钢不要求，除非WPS要求；如做，按表注固溶处理（S31803／S32205为1870—2010°F，即1020—1100°C）按WPSP-No.10I27Cr1350—1500°F（730—815°C）1h/in.至5in.，超过部分每英寸加15minP-No.15E9Cr-1Mo-V1300—1425°F（705—775°C）；厚度不大于½in.（13mm）时下限可降至1250°F（675°C）1h/in.至5in.，超过部分每英寸加15min其他所有材料按WPS规定按WPS（二）上限、异种钢与高铬焊材温度上限可突破：表列上限为推荐值，可超过，但不得超过任一材料的下临界转变温度（表6.2-1近似值：P-No.1为1340°F／725°C；P-No.31350°F／730°C；1Cr-½Mo1375°F／745°C；1¼Cr-½Mo1430°F／775°C；2¼Cr-1Mo与3Cr-1Mo1480°F／805°C；5Cr-½Mo1505°F／820°C；9Cr-1Mo1475°F／800°C；9Cr-1Mo-V1470°F／800°C）。异种钢焊接：按要求较高温度者执行；非受压件焊于受压件时，最高PWHT温度不得超出受压件允许温度。高铬焊材：用Cr＞3%的铁素体焊材的受压件焊缝与附件焊缝，必须做PWHT（第6.1.2条）。硬度检验：除设计另有规定，不要求用硬度试验验证热处理效果（第6.1.3条）。（三）降低温度、延长时间的替代（表6.1.1-2，仅P-No.1、3）低于规定下限的降幅所需保温时间限制50°F（30°C）2h表中时间适用于控制厚度≤1in.（25mm）；超过1in.每英寸加15min降幅超过100°F（55°C）仅限P-No.1Gr.1、2100°F（55°C）4h150°F（85°C）10h200°F（110°C）20h六、PWHT豁免与控制厚度（一）控制厚度怎么算（第6.4条）控制厚度取下列两者中的较小值：焊缝厚度（不含余高）；被连接材料中较厚者的厚度（非受压件焊于受压件时取受压件的厚度）。焊缝厚度：坡口焊取坡口处两对接端较厚者；角焊缝取喉厚；部分熔透焊取坡口深度；补焊取凹坑深度；支管连接按附录C图示算法确定。公称材料厚度：被连接受压材料中较厚者；如实测厚度，可按实测值逐接头判定保温时间或豁免。（二）豁免条件（表6.1.1-3摘要）P-No.可豁免范围必须同时满足的条件P-No.1Gr.1—3全部厚度、全部焊缝类型厚度＞1in.（25mm）须预热200°F（95°C）；厚度＞3/16in.（5mm）须多层多道焊P-No.3Gr.1、2控制厚度≤5/8in.（16mm）厚度＞½in.须预热200°F；母材含碳量≤0.25%；＞3/16in.须多层焊P-No.4≤5/8in.（16mm）已执行强制预热；含碳量≤0.15%；多层焊P-No.5A≤5/8in.（16mm）；角焊／承插焊喉厚≤½in.（13mm）已预热；管材含碳量≤0.15%；管壁≤5/8in.；多层焊；不承载附件与密封焊另有喉厚限制P-No.5B≤5/8in.（16mm）已预热；含碳量≤0.15%；多层焊P-No.6、P-No.7Gr.2、P-No.15E无豁免—P-No.7Gr.1全部含碳量≤0.08%；厚度≤3/8in.（10mm）；焊材为A-No.8／A-No.9／F-No.43成分P-No.8Gr.1—4、P-No.10H全部PWHT既不要求也不禁止P-No.9A／9B全部（9B限≤5/8in.）含碳量≤0.15%；9A限≤½in.且已预热；9B的WPS需用等厚或更厚材料评定P-No.10I厚度≤½in.（13mm）PWHT既不要求也不禁止化学成份取值的灵活性：豁免判定可用炉次分析或成品分析的实际成分，替代标准规定的上限成分（第6.3.2条）。通用豁免情形（第6.3.1条）：非铁材料焊缝（表6.1.1-1另有要求者除外）；表6.1.1-1与6.1.1-3已豁免者；后续制造中将被加热至下临界转变温度以上且WPS已按该温度范围评定者；按3.2.2用低能电容放电焊固定的热电偶点。七、成形后热处理PFHT与材料热处理热弯定义为在1300°F（705°C）以上进行的弯曲或成形；设计或规范可要求PFHT以恢复性能或蠕变强度，常见做法为正火加回火或其他恢复性处理。冷弯定义为在1300°F（705°C）及以下进行；冷应变会降低高温下的蠕变断裂性能，可要求亚临界热处理（按表6.1.1-1）、奥氏体材料的消除应力处理，或规范指定的正火加回火。材料热处理（第7.2条）：若热处理本身是材料规范的要求，本文不适用；仅当制造过程劣化了材料性能时，才按本标准补充规定。八、豁免与替代路径（第8章）第5、6章的预热与PWHT规则可以豁免或替代，但必须同时满足：制定标准的组织（业主／设计方）与主管监管机构双方同意；且WPS按ASMEBPVC第IX卷就所采用的替代方案完成评定。标准列举的豁免示例包括：对铁素体材料做奥氏体化PWHT、对奥氏体材料做消除应力；为改善耐蚀性而主动增加PWHT；在其他硬度或氢裂纹控制措施到位时采用不低于50°F（10°C）的低温预热；采用回火焊道替代；采用断裂力学分析替代。（一）替代路径一：回火焊道（附录D）WPS须按SectionIXQW-290评定；若规范或设计要求韧性试验，则评定须做韧性试验；若不要求韧性而要求硬度，则做硬度试验；两者都不要求时均不做。焊工与操作者按QW-300评定，手工或半自动回火焊道者须通过QW-290.6(e)的技能验证。设计文件须明确授权采用回火焊道以省去预热或PWHT，且责任组织书面接受。（二）替代路径二：断裂力学评估（附录E）当规范或设计强制PWHT而现场不可行时，可基于"焊态韧性足够"这一前提逐案豁免，须完成工程临界评估（ECA），步骤为：按拟定检测方法与材料，假设一个可被NDE可靠检出的参考缺陷由管道设计规范导出一次应力；二次应力按达到焊缝金属屈服强度考虑（即视为未做PWHT）用API579-1/ASMEFFS-1或BS7910计算最低设计温度下所需的最小断裂韧性用ASTME1820或BS／EN／ISO15653等方法实测焊件断裂韧性证明焊件能达到该断裂力学要求证明所假设的参考缺陷可被可靠检出九、局部热处理的关键几何（附录B，非强制但常被引用）项目要求浸泡带SB最小宽度3t，焊缝居中；细分：≤NPS4（DN100）每侧1.5t；NPS4—8（DN100—200）每侧6t；＞NPS8（DN200）每侧10t。最少须包含焊缝金属、热影响区及两侧邻近母材加热带HB浸泡带宽度加2in.（50mm）；用于消氢时，每侧取t或2in.（50mm）中较小者梯度控制带GCB加热带宽度基础上每侧再加4t；壁厚变化、附件或连接法兰阀门时需在带内增设辅助热源轴向温度梯度加热带边缘温度不低于浸泡带边缘温度的一半；升降温期间加热带内最大温差250°F（139°C）（或受梯度限值约束，取更严者）控制区数量（表B-5.1-1）＜NPS6：1区，控温点在12点；NPS6—12：2区，12点与6点；NPS14—30：4区，12／3／6／9点；＞NPS30：按加热器实际布置确定，至少12点一个加热片布置加热片间隙：壁厚≤1in.时不超过3/8in.（10mm）；壁厚＞1in.时不超过壁厚的1/3；超限处须在间隙中心加监测热电偶；禁止加热片重叠保温以R值2—4°F·ft²·h/Btu（0.35—0.70°C·m²/W）为基准；≤1200°F（650°C）时至少1in.（25mm）厚，＞1200°F时至少2in.（50mm）；绑扎不得压缩至原厚度的3/4以下记录精度温度记录分辨率5°F（3°C），时间分辨率5min；须与热电偶编号布置图对应强制适用场景P-No.15E或其他CSEF钢的PWHT必须执行附录B；多温度区间重叠的异种钢焊接强烈建议执行十、热电偶使用要点（附录A）按最高使用温度选型：J型（铁-康铜）不得用于1400°F（760°C）以上；K型（镍铬-镍硅）不得用于2300°F（1260°C）以上。线径：一般不超过20AWG，低能电容放电固定时不超过22AWG，最小24AWG；两根线须分别贴附母材，间距约1/4in.（6mm）且不超过该值。拆除时应标记每个测点位置，必要时轻锉或打磨后做外观检查，打磨不得过量减薄。十一、执行清单（可直接并入ITP与热处理方案）判材质与分组：确认P-No.、Group、SMTS、含碳量与公称厚度，据此查表5.1-1与表6.1.1-1。算控制厚度：按6.4.1取焊缝厚度与被连接较厚材料厚度中的小值，据此定保温时间或判断可否豁免。核豁免：逐条对照表6.1.1-3的全部附加条件（预热、含碳量、多层焊、焊材A-No.），缺一条即不可豁免。定温控方案：炉内或局部；局部须出浸泡带／加热带／梯度控制带尺寸图与控制区划分，P-No.15E强制按附录B。定曲线：800°F（425°C）以上升降温速率≤600°F/h÷厚度（且≤600°F/h）；保温温度落在表6.1.1-1区间且不超下临界温度。热电偶布置：PWHT用直接附着式，禁用非接触测温；按控制区数量布点，另在浸泡带与加热带外缘设监测点。准备替代方案（如需要）：回火焊道按QW-290评定并取得设计授权；断裂力学按附录E完成ECA并取得业主与监管机构同意。归档：热处理曲线（5°F／5min分辨率）、热电偶编号图、WPS／PQR、豁免判定记录、见证与放行记录。十二、流传说法核对常见说法2017版原文口径结论"2017版替代了旧版标准"前言载明系2011年起为统一各分篇规则而新编，无被替代的前身版本更正：首版，非替代版"预热属于一种热处理"原文注明预热通常不视为热处理，但属B31各分篇的强制要求更正：属强制要求，非"热处理"概念"