关于钢制压力容器焊后消除 应力热处理有关问题的讨论

关于钢制压力容器焊后消除应力热处理有关问题的讨论摘要：本文对钢制压力容器焊后是否需要消除应力热处理，焊后消除应力热处理方法的选择，热处理最短保温时间的确定进行了分析，并针对安全技术规范和标准的相关内容进行了讨论关键詞:压力容器焊后消除应力热处理相关安全技术1.前言有关钢制压力容器焊后消除应力热处理，至今国内尚无专业标准。目前对钢制压力容器焊后消除应力热处理要求的有关内容仅分散在《压力容器安全技术监察规程》、GB150“钢制压力容器”、GB151“管壳式换热器”、JB/T4709“钢制压力容器焊接规程”以及JB/T10175－2000“热处理质量控制要求”、GB/T9452－2003“热处理炉有效加热区测定方法”等安全技术规范和标准之中。因而在使用过程中出现了理解上的不一致和偏差。为了满足钢制压力容器焊后消除应力热处理的要求，保证钢制压力容器的安全质量，本文将重点讨论钢制压力容器焊后消除应力热处理中常见的一些问题，并就此提出笔者的认识和看法。2.哪些压力容器及主要受压元件需焊后消除应力热处理？哪些压力容器及主要受压元件需焊后消除应力热处理？笔者认为：应按照GB15010.4.1款和GB1516.4、6.8款（指拼接管板、管箱和浮头盖）判定。凡符合GB15010.4.1款和GB1516.4、6.8款规定的压力容器及主要受压元件均应进行焊后消除应力热处理。3.采用何种消除应力热处理方法？需进行焊后消除应力热处理的压力容器，应按照《容规》第73条、第74条规定选择热处理方法，进行焊后消除应力热处理。按照压力容器有关安全技术规范和标准，压力容器焊后消除应力热处理方法可分为以下四种：⑴炉内整体焊后消除应力热处理；⑵炉内分段焊后消除应力热处理；⑶焊后局部消除应力热处理；⑷使用现场整体消除应力热处理。由于炉内整体消除应力热处理的效果好，因此在条件具备的情况下，应优先选用炉内整体热处理方法。对于球形储罐和大型压力容器可採取使用现场整体消除应力热处理方法。由于焊后局部消除应力热处理的效果较炉内整体消除应力热处理差，因而《容规》和标准对局部消除应力热处理方法的应用作出了较为明确的限制。目前局部消除应力热处理只限应用于B、C、D类焊接接头以及球形封头与园筒连接的A类焊接接头。4.怎样确定压力容器焊后消除应力热处理最短保温时间？笔者认为：压力容器焊后消除应力热处理最短保温时间应按照JB/T4709第8章确定。值得注意的是GB15010.4款将A、B类焊接接头处钢材厚度δs作为确定焊后热处理厚度，也就是说，GB150是按照钢材厚度δs确定焊后热处理最短保温时间的。而JB/T4709则将压力容器焊后消除应力热处理厚度δPWHT作为确定压力容器焊后消除应力热处理规范参数的依据，也就是将δPWHT作为确定焊后消除应力热处理最短保温时间的厚度。压力容器焊后消除应力热处理的目的是为了消除焊件的残余焊接应力，以保证焊件的使用性能及稳定尺寸，保证焊件的安全使用。因此，决定焊后消除应力热处理厚度的规范参数是焊缝厚度而不完全是A、B类焊接接头处钢材厚度。显而易见JB/T4709的规定较之GB150的规定更为具体，更为合理且符合实际。但是JB/T4709－2000标准的8.2.2.3款有印刷错误。其间将“焊缝”两字漏掉。应将原条文“接管、人孔与壳体组焊时，在接管颈部厚度、壳体厚度、封头厚度、补强板厚度和连接角焊缝厚度中取较大者”的内容，更正为：“接管、人孔与壳体组焊时，在接管颈部焊缝厚度、壳体焊缝厚度、封头焊缝厚度、补强板焊缝厚度和连接角焊缝厚度中取较大者”。如图：有一台钢制压力容器，壳体材料为16MnR，厚度36mm，接管材料为16MnⅢ，厚度65mm，对于此结构，焊后消除应力热处理需最短保温时间t计算如下：接管壳体⑴按照JB/T4709的8.2.2.3款修改前条文计算δPWHT＝65mmt＝（2＋1/4×（65－50）/25）h＝2.15h＝129min⑵按照JB/T4709的8.2.2.3款更正后条文计算δPWHT＝36mmt=36/25h=1.44h=86.4min从以上两例可以看出，两者之间相差42.6min。4.压力容器焊后消除应力热处理质量控制4.1压力容器焊后消除应力热处理质量控制系统的控制环节和控制点压力容器焊后消除应力热处理质量控制系统共设5个控制环节9个控制点，见表1。表1控制环节控制点1.热处理工艺编制⑴热处理工艺编制⑵热处理工艺修改2.热处理准备⑴热处理设备和记录、控温仪表；⑵热电偶数量和布置3.热处理过程热处理温度－时间记录曲线4.热处理报告热处理报告5、热处理分包质量控制⑴分包方评价⑵分包协议⑶分包项目质量控制具体要求和内容见“中国化工装备协会”编写的“压力容器制造单位质量保证人员培训考核教材（2008版）”第十四章“热处理质量控制系统”。其中在“热处理准备”这个控制环节中，设置了热处理设备和记录、控温仪表、热电偶数量和布置两个控制点。在相应的程序文件中设有“热处理炉有效加热区测定方法”；在相应的工艺文件和质量记录表卡中设有“热处理炉有效加热区测定报告和检验合格证”上述质量控制要求保证了压力容器焊后消除应力热处理是在热处理炉有效加热区进行了测定并出具检验合格证之后才允许进行。带有热处理炉有效加热区示意图的检验合格证应悬挂在热处理炉明显位置。4.2热处理炉有效加热区的测定目前国内关于热处理质量控制要求的标准有两个：一个是JB/T10175－2000“热处理质量控制要求”，另一个是GB/T9452－2003“热处理炉有效加热区测定方法”。另外JB/T6049－1992“热处理炉有效加热区测定”已经作废，并入到GB/T9452－2003之中。在JB/T10175－2000标准中，规定了热处理人员、作业环境、设备及仪表、工艺材料、工艺、技术文件与资料等质量控制的基本要求。JB/T10175标准将热处理炉按有效加热区保温精度（炉温均匀性）要求分为六类，其控温精度、仪表精度和记录纸刻度等要求如表2所示。表2热处理炉按保温精度分类及其技术要求热处理炉类别有效加热区保温精度℃控温精度℃记录仪表指示精度％记录纸刻度（分辨力）（1）℃/㎜Ⅰ±3±10.2≤2Ⅱ±5±1.50.5≤4Ⅲ±10±50.5≤5Ⅳ±15±80.5≤6Ⅴ±20±100.5≤8Ⅵ±25±100.5≤10（1）允许用修改量程的方法提高分辨力。JB/T10175规定：热处理炉的每个加热区至少有两支热电偶，一支接记录仪表，另一支接控温仪表，安放在有效加热区内，其中一个仪表应具有报警功能。每台热处理炉必须定期检测有效加热区，检测周期见表3，检测方法按GB/T9452的规定，其保温精度应符合表2要求。应在明显位置悬挂带有有效加热区示意图的检验合格证。热处理炉只能在有效加热区检验合格证规定的有效期内使用。表3热处理炉有效加热区检测周期及仪表检定周期月热处理炉类别有效加热区检测周期仪表检定周期Ⅰ13Ⅱ66Ⅲ66Ⅳ66Ⅴ1212Ⅵ1212在GB/T9452－2003“热处理炉有效加热区测定方法”中同样将热处理炉按照保温精度分为六类，其分类方法和技术要求与JB/T10175－2000标准完全一致。在GB/T9452－2003标准中，也有热处理炉有效加热区的测定周期及炉温仪表检定周期的要求，与JB/T10175－2000标准基本一致，见表4。表4热处理炉有效加热区推荐测定周期及仪表检定周期单位为月热处理炉类别有效加热区测定周期仪表检定周期Ⅰ13Ⅱ66Ⅲ66Ⅳ66Ⅴ1212Ⅵ1212注1：利用率较低的热处理炉，其测定周期可适当延长。注2.仅用作退火、正火和消除应力等预备热处理的加热炉，以及经连续三个周期检测合格，使用正常的热处理炉，其测定周期可延长一年。GB/T9452列出了热处理炉凡属下列状况之一者，均应测定有效加热区：⑴.新添置的热处理炉首次应用于生产；⑵.经过大修或技术改造的热处理炉；⑶.热处理炉生产对象或工艺变更，需要改变保温精度时；⑷.控温或记录热电偶位置变更时；⑸.定期或临时进行有效加热区检测时。热处理炉有效加热区是指经过温度测定而确定的满足热处理工艺规定的加热温度及保温精度的工作区间。热处理炉有效加热区测定的目的是:工件在装炉时，进入到热处理炉有效加热区内，然后进行热处理，从而保证工件在热处理过程中达到热处理工艺规定的加热温度和保温精度，保证了工件的热处理质量控制要求。压力容器的热处理炉大多属于GB/T9452－2003标准的周期式箱式热处理炉。GB/T9452标准在周期式箱式热处理炉有效加热区的检测点数量及位置的布置中，将热处理炉的宽度（b）限定为≤1.5m，而热处理炉的长度（L）限定为≥3.5m-5m，也就是说，适用于GB/T9452标准的周期式箱式热处理炉其最大宽度为1.5m，长度为5m，因而当周期式箱式热处理炉的宽度大于1.5m，或长度大于5m时则无法按此标准要求测定热处理炉有效加热区范围。实际情况是，目前国内大多数用于压力容器焊后热处理的周期式箱式热处理炉在宽度（b）上大于1.5m，或长度（L）上大于5m，一般在长、宽、高尺寸方面达到15m×4m×4m左右，在长和宽方面较大的超出了GB/T9452标准的尺寸限定。因此对用于压力容器焊后消除应力的周期式箱式热处理炉有效加热区的测定，GB/T9452－2003标准仅只能作为参考使用。GB/T9452标准中未明确测定热处理炉有效加热区的法定单位，也就是说，拥有热处理炉的企业可以自己测定，自行颁发热处理炉有效加热区检验合格证。在JB/T10175－2000和GB/T9452－2003标准中，对于有效加热区保温精度等级最低的第Ⅵ类热处理炉，有效加热区保温精度为±25℃，即加热区内最高与最低温度之差不大于50℃。而《容规》第73条4款和JB/T4709第8章中规定“不大于65℃（球形储罐除外）”,即±32.5℃。两者间有差异，《容规》和JB/T4709对此要求放宽。纵观上述两个标准（JB/T10175和GB/T9452），笔者认为这两个标准主要是为机械零部件（如轴类、齿轮类等）的热处理而编制的，适用对象是中小型热处理炉（长、宽、高为5m×1.5m×2m左右），热处理方法属于机械零部件的正火、退火、回火、淬火、调质和表面处理等，并不是为压力容器焊后消除应力热处理编制的。如果按照上述两个标准进行有效加热区测定，必然存在不少困难，其可操作性差，甚至于不可行。因此，有必要针对压力容器焊后消除应力热处理的实际情况，制定压力容器热处理质量控制要求和压力容器热处理炉有效加热区测定方法的标准。5、钢制压力容器用封头的热处理5.1钢制压力容器用封头的热处理应按JB/T4746－2002“钢制压力容器用封头”的6.4款的规定进行。5.2奥氏体不锈钢封头的热处理，除按JB/T4746－2002规定之外，笔者认为：⑴对于有应力腐蚀要求的奥氏体不锈钢封头在热冲压成型和冷旋压成型之后，建议进行固溶处理，用以恢复奥氏体钢板的供货状态（固溶状态），保证封头母材的抗应力腐蚀能力。⑵对于有晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢封头，在热冲压成型之后，也应进行固溶处理。6.结语6.1关于钢制压力容器焊后消除应力热处理，目前国内尚无专业标准。钢制压力容器焊后消除应力热处理要求分散在《容规》、GB150、GB151、JB/T4709、JB/T10175和JB/T9452等安全技术规范和标准之中；6.2钢制压力容器是否进行焊后消除应力热处理按GB150和GB151判断；焊后消除应力热处理的方法按《容规》执行；焊后消除应力热处理最短保温时间由JB/T4709确定；6.3按照压力容器热处理质量控制要求，热处理炉使用前应按照JB/T10175和JB/T9452标准进行热处理炉有效加热区测定，并具有有效加热区示意图的检验合格证。检验合格证应悬挂于该炉的明显位置；6.4压力容器（制造）质量保证体系中，热处理质量控制系统要求定期测定热处理炉的有效加热区。但目