浅谈压力容器焊接缺陷及焊后热处理

浅谈压力容器焊接缺陷及焊后热处理一、前言压力容器在石油化工生产中占有十分重要地位。压力容器可以充当反应、交换能量、分离、塔器、贮存、运输等石油化工设备。它们具有炮炸危险，它们的安全运行直接关系企业生产和人身安全。所以压力容器产品质量历来受到国家高度重视。近十余年来，我国压力容器设计、制造，管理走上了法制管理轨道，产品质量正稳步提高。焊接质量高且稳定，焊缝表面美观平整。焊接成为压力容器生产关键工序，焊接的质量是保证压力容器质量非常重要环节。单焊接质量受多种因素影响：焊工技能、刚才化学成份、力学性能、焊接材料、焊接工艺及设备、环境等等都可以影响焊接质量。为了提高压力容器产品质量，国家通过取得制造许可证方可生产。对取得制造许可证厂家，制定焊接规程，方允许生产，焊工持证上岗，加强质量保证体系各个环节控制管理，目的就是要尽力避免减少质量隐患，以保证压力容器产品质量。随着石化工业飞速发展，压力容器正向大型化，高强度方向发展，对压力容器质量提出更高要求，促使压力容器焊接技术、工艺要不断提高。二、焊接缺陷1、焊接接头裂纹产生大家知道，焊接接头是一个组织不均匀体和力学性能不均匀体。施焊接过程焊接接头熔合线附近，温度在固相和液相之间，冷却后组织属于过热组织、晶粒粗大、化学成份和组织都极不均匀、强度上升、塑生降低。熔合线外侧为“过热区”，此域晶粒粗大，常出现魏氏组织和索氏体，因而韧性显著降低。过热区外侧为“正火区”，由于加热和冷却发生重结晶过程，得到细化细小均匀的铁素体加珠光体。再外侧是“不安全重结晶去”，加热温度在AC1-AC3之间区域，该区加热时钢中珠光体和部分铁素体转变为晶粒比较细的奥氏体，单仍保留部分铁素体，在冷却时奥氏体转变为细小铁素体和珠光体，而未熔入奥氏体的铁素体不发生转变，晶粒比较粗大，形成结晶颗粒大小均匀组织，并仍保留原始组织中的带状特性。由于热影响及区熔池的结晶和换热方向刚好相反，也即热影响区至融合线至焊缝为结晶方向，熔合线处最先结晶，熔池中心结晶最慢。使得熔池杂质由熔合线向中心移动，因而熔池中央处易产生夹渣缺陷，而熔合线处由于冷却速度快，易产生裂纹。焊接腐蚀裂接头可以由于钢材淬硬性产生裂纹，氢扩散产生冷裂纹，再热裂纹，晶间纹，以及由于焊接规范和工人技能因素产生焊接缺陷等。实践证明，裂纹对压力容器产品质量危害最严重。1）热裂纹，是由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象，偏析出的物质多为低熔点的共品和杂质，结晶过程以液态间层存在，由于熔点低，往往最后结晶凝固，凝固后强度也极低。当焊接拉伸应力足够大时，液态间层拉开或凝固后不久被拉断而成裂纹。2）冷裂纹，是指焊接时在A3的下温度冷却中或冷却至保温以后产生的裂纹。形成裂纹温度低，在马氏体转变范围，即在200-300℃以下，故称冷裂纹。有时焊后几小时或几天后，甚至长时间才出现裂纹，故又称为延迟裂纹。其危害性更大。冷裂纹往往由于电弧燃烧时空气侵入或药皮物质分解等，氢进入熔池熔于铁水中，因高温时铁水溶解大量氢气，在低温时溶解度大大降低，溶于铁水中氢从铁水中析出，氢扩散聚集到钢中缺陷处，产生局部压力增大，促使钢产生裂纹，所以冷裂纹又称为氢致裂纹。钢在轧制时内部存在严重层状非金属夹杂物，使厚度方向拉伸塑性很差，在板厚方向存在高拉压力，产生台阶状层状撒裂。3）再热裂纹，一些含、Cr、Mo、V、B等合金之素的钢材焊后不产生裂纹。在消应力处理时，或在一定温度下长时间使用后，沿热影响区晶界产生裂纹，称再热裂纹，简称SR裂纹。再热裂纹是由于第一次热后过程中过饱和和固溶的碳化物（主要是Cr、Mo、V的碳化物），在再加热时，再次析出，造成晶内强化，使滑移应变集中原先奥氏体晶界，当晶界塑性应为能力不足以承受松弛应力过程产生的应变时就产生再热裂纹。这类钢材在600℃附近有一敏感区。超过650℃时敏感性减弱。4）防止裂纹产生的方法为了防止裂纹产生，可以限制钢材和焊材S、P含量：调节钢材化学成份；细化焊缝晶粒；提高焊材碱度；改善偏析；控制焊接规范；提高焊缝系数，多层多道焊，采用小线能量；铸件断弧，减少弧坑。还可以选用低氢碱性焊条，焊条严格烘干，随用随取；选用合理焊接规范；焊后立即消氢；提高钢材质量，减少钢材层状夹杂物；财务降低焊接应力的各种工艺措施。减少残余应力和应力集中；预热机缓冷，焊后热处理。这些办法，只要运用得当都可以收到提高焊接质量，防止缺陷的作用。至于未焊透，未熔合、夹渣、气孔、焊缝表面缺陷如咬肉，焊缝尺寸等都可以通过无损探伤检查，定出缺陷的位置，采取合理、有效返修工艺，认真操作，也可以达到消除焊缝缺陷，保证产品内在质量目的。三、焊后热处理焊后热处理可以消除残余应力防止变形也就是说可以松弛焊接残余应力，稳定尺寸和形状。焊后热处理也可以改善母材，焊接区结构件的性能：具体说：可以软化热影响区，增加焊缝金属延性，提高断裂韧性，排出有害其如氢，提高抗腐蚀性能，改善蠕变性能和提高疲劳强度。但是，焊后热处理工艺选择不当，反而会使焊接接头性能降低。因此焊后热处理成为眼里容器制造重要环节。焊接接头焊后热处理应用最广的是高温回火、正火及固熔化处理。高温回火可以解决因焊接和变形给压力容器质量带来的不良影响。1、焊后热处理可以松弛焊接残余应力随着热处理温度升高和保温时间延长，焊接区残余应力相应降低，当温度升高到超过550℃，残余应力可以认为完全消除。不过保温时间影响不如温度升高影响来的明显。2、焊接接头热影响区淬硬区软化由于残余应力大大降低，回火改善了金相组织，提高塑性和韧性，故而淬硬性降低，使焊接接头淬硬区软化。3、焊接接头氢减少。热处理时，焊接接头温度升高，氢不断增加扩散速度，向外逸出，一般说在加热300℃以下，保温2—4小时，可达到区氢目的，何况加热到550—650℃时，去氢目的完全达到。4、对焊缝金属抗拉度的影响；焊后热处理，对焊缝金属抗拉强度响与热处理温度和保温时间有关，热处理温度越高，保温时间越长，焊缝金属常温抗拉强度就越低，并且合金成份含量越高，碳当量越大，强度降低的比率也越大。5、对焊缝金属冲击韧性影响：过分的热处理对任何钢种都引起冲击值下降。对Cr-Mo、Cr-Mo-V及绝大部分珠光体，马氏体耐热钢恰当得焊后热处理可以提高冲击韧性。对某些高度强度钢会经过热处理后冲击值下降。对碳素钢、Mn-Nb-Ni钢，焊后热处理后冲击值基本无变化。6、对脱碳层宽度影响；热处理温度越高，保温时间越长，脱碳层狂度越大，这是因为碳化物形成时元素含量不等，引起碳扩散，碳向含量低一侧扩散，产生脱碳层，异种钢接头尤为严重。回火是将焊件加热到500—650℃时，碳化物进一步聚集，得到铁素体和细粒渗碳体的混合物组织一回火索氏体，称高温回火，所得组织有良好强度、弹性、塑性和韧性。正火是将焊件加热到Ac或Acm以上30—50℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。目的改善组织，细化晶粒。单一正火不能消除焊后残余应力。固熔热处理，将钢加热到920—1150℃并快速冷却，使奥氏体焊接接头在450—850℃内晶界析出碳化物或脆性相重新熔入奥氏体中去，将它快速固定下来，以得到均匀固熔体。从而消除其晶间腐蚀。也提高焊接接头耐蚀性、机械性能，消除加工硬化。固熔热处理应整体均匀加热，不采取局部加热法。为了达到预期焊后热处理效果，一定要认真研究，选择合适的焊后热处理工艺是十分重要的。四、焊后热处理焊后热处理工艺参数应从以下考虑：a、焊件进炉时炉内温度，b、加热时温度上限和下限，c、加热速度上限和下限，d、保温时间上限和下限，e、冷却速度上、下限，f、出炉温度，I、升温过程被加热焊件各部位温差，h、保温时被加热焊件的各部位温差，i、炉内气氛。由此可见影响热处理因素很多，选择应持慎重态度，不可随意选取。1、加热温度，应遵循设计时规定和运作条件之间的大致关系：设计规定条件式中：Tmin—焊后热处理温度下限℃。Tmax—焊后热处理温度上限℃。To—焊后热处理温度最佳值℃。Td—设计上允许的与焊后热处理温度最佳值相对应温度范围℃。Tm—焊后热处理操作时指示温度℃。TR—由于热处理炉或方法造成的焊后热处理被加热件的温度误差℃。2、保温时间：要在设计极端和加热温度同时规定。由于焊后热处理目的不同，由所侧重故保温时间是不能完全一样的。保温时间对于稳定组织是重要的，单保温时间过长可能使母材性能恶化，对于钢，如果长时间在高温下保温，会使焊缝金属产生粗晶粒铁素体而降低强度。对低温3.5Ni钢及9%钢长时间高温下保温会使断裂韧性下降。故保温时间要依据不同钢种有不同选择。3、冷却速度：如果冷却速度过大，会因热应力作用产生变形或裂纹，并且易引起残余应力再生。尤其对结构负责，厚度尺寸变化大焊件或具有不连续部分的结构工件更要慎重限制冷却速度计出炉温度。就压力容器而言，当壁厚很大时，冷却速度不宜选用50℃/h以下数值。最好选用（℃/h）（t—板厚）对于钢，当板厚超过100mm时，如果焊后热处理冷却速度缓慢，易产生高温回火脆性，韧性、强度反而降低，因此，操作中必须十分注意。