压力容器焊后热处理分析

2010年第12期广东化工第37卷总第212期·141·压力容器焊后热处理分析何敏(广东省石油化工专用设备四会制造厂有限公司，广东四会526200)[摘要]文章分析压力容器制造过程中焊接应力的产生、特点和危害，论述了进行焊后热处理的目的、必要性及焊后热处理综合效果的考虑。[关键词]压力容器；焊接应力；焊后热处理；综合考虑[中图分类号]TH[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2010)12-0141-02AnalysisofPostweldHeatTreatmentforPressureVesselHeMin(GuangdongPetrochemicalExclusiveEquipmentSihuiFactoryCo.,Ltd.,Sihui526200,China)Abstract:Thepaperanalyzedthecause,characteristic,harmofweldstressduringpressurevesselmanufacturingprocess,andmadeadiscourseaboutthepurpose,necessity,considerationoncomprehensiveeffectofpostweldheattreatment.Keywords:pressurevessel；weldstress；postweldheattreatment；thinkcomprehensively压力容器在制造过程中常采用的热处理方法一般有两类：一类为改善金属材料力学性能的热处理，另一类为焊后热处理。下面重点对压力容器焊后热处理进行分析。广义地讲，焊后热处理是指焊后能改变焊接接头的组织和性能，或降低残余应力的过程。包括退火、完全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、消除应力热处理、析出热处理等。狭义地讲，焊后热处理仅指消除应力热处理，即为了改善焊接接头的组织和性能，消除焊接残余应力等影响，将焊接接头及其邻近局部在金属相变点以下温度均匀加热到足够高的温度，并保持一定的时间，然后缓慢冷却的过程。在压力容器技术文件和标准中的焊后热处理，主要指“消除应力热处理”。1焊接应力的产生、特点和危害1.1焊接应力的产生压力容器焊接是局部快速加热至高温后又快速冷却的过程，焊接接头区与母材间存在较高的温度梯度，加热时，高温金属的热膨胀受到周围冷态金属的拘束，产生了热应力，冷却时，焊接接头金属受周围冷态金属的约束而无法自由收缩，从而形成了残余应力，可见焊接应力是因焊接接头区与周边部位变形不协调而产生的。1.2焊接应力的特点焊接应力的特点是在某些情况下量值可能很大，接近、达到甚至超过材料的屈服极限，这一点已为大量的焊接应力实测结果所证实。焊接应力在压力容器应力分类中属于二次应力，具有“自限性”。它对压力容器强度的危害，小于因介质压力产生的一次应力。1.3焊接应力的危害过大的残余应力会加速已有缺陷的扩展、新缺陷的萌生以及造成压力容器应力状态的紊乱，过大的焊接残余应力的存在还会造成应力腐蚀开裂。应力腐蚀是腐蚀破坏中的一种类型，从已统计的数字来看，应力腐蚀占各种腐蚀破坏中的40%。焊接应力由于量值较大且焊后一直存在，当处于腐蚀环境，不论是否使用，都会产生应力腐蚀开裂，多数应力腐蚀裂纹位于焊接接头部位就是证明。另外，金属的氢脆现象已经比较为人们所关注，氢进入钢以后，机械性能会发生明显的变坏。强度和塑性明显降低，溶解于金属晶格中的氢，使钢在缓慢变形时发生脆性破坏。金属材料中的氢可以是在金属材料生产工艺过程中吸收的，如金属在焊接时液态金属吸收的氢保留在焊接接头中，也可能是材料在氢环境中服役吸收的氢。对于焊接接头中吸收的氢，比较有效的消除方法就是进行焊后热处理，它既可以达到松弛和缓和焊接残余应力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接热影响区，提高焊接接头金属的延性和断裂韧性，也可以使焊接区及附近的氢等有害气体扩散逸出。2焊后热处理的目的焊后热处理系将焊缝全部或局部均匀加热到规范规定的温度保持一定时间，并按规范控制升温和冷却的速度，以减少升温和冷却产生的温度梯度。原则上是将焊件整体或局部加热到A1线(铁碳合金状态图)以下某一温度进行保温，然后炉冷或空冷，并严格控制出炉温度。压力容器焊后热处理的目的可大致归纳如下：(1)松弛焊接残余应力。(2)稳定结构的形状和尺寸，减少畸变。(3)改善母材、焊接区的性能，包括：①提高焊接接头金属的塑性；②降低热影响区硬度；③提高断裂韧性；④改善疲劳强度；⑤恢复或提高冷成形中降低的屈服强度。(4)提高抗应力腐蚀的能力。(5)进一步释放焊接接头金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的发生。3焊后热处理必要性的判断压力容器有无焊后热处理的必要，在设计上应加以明确规定，现行的压力容器设计规范对此有要求。焊制的压力容器，焊接区存在着较大的残余应力，而残余应力的不利影响，在一定的条件下才表现出来。当残余应力与焊接接头中的氢相结合时，将促使热影响区硬化，导致冷裂纹和延迟裂纹的产生。残存在焊接接头中的静应力或负载运行中的动载应力与介质的腐蚀作用相结合时，将有可能引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。焊接残余应力及由焊接引起的母材淬硬是产生应力腐蚀裂纹的重要因素。研究结果表明，变形和残余应力对金属材料的主要影响，在于使金属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀，即转变为晶间或穿晶腐蚀。当然，金属的腐蚀破裂和晶间腐蚀均出现在对该种金属具有一定特性的介质中。在残余应力存在的情况下，根据侵蚀性介质的成分、浓度和温度的不同，以及母材与焊接区的成分、组织、表面状态、应力状态等存在的差异而有所不同，从而，使腐蚀破坏的性质可能改变。焊接的压力容器是否需要做焊后热处理，应从容器的用途、尺寸(特别是板材厚度)，所用材料的性能以及工作条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理：(1)使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂危险的厚壁容器，承受较大载荷和交变载荷的容器。(2)厚度超过一定限度的焊制压力容器。包括锅炉、石油化工压力容器等有专门规程和规范所规定的。(3)对尺寸稳定性要求较高的压力容器。(4)有淬硬倾向大的钢材制造的容器。(5)有应力腐蚀开裂危险的压力容器。(6)其他有专门规程、规范以及图样予以规定的压力容器。在钢制焊接压力容器中，在靠近焊接接头的区域内形成达到屈服点的残余应力。这种应力的产生与拌有奥氏体的组织转[收稿日期]2010-09-15[作者简介]何敏(1956-)，男，广东兴宁人，本科，化工机械工程师，主要研究方向为化工机械设计、制造。广东化工2010年第12期·142·期变有关。许多研究者指出，为了消除焊后的残余应力，650℃的回火对钢制焊接压力容器能产生良好的影响。同时认为，如果在焊后不进行适当的热处理，就始终不能得到耐腐蚀的焊接接头。一般认为，焊后消除应力热处理属于焊接工件被加热到500~650℃而后再缓慢冷却的过程。应力的降低起因于高温下的蠕变，在碳钢中从450℃开始出现；在含钼的钢中，从550℃开始出现。温度越高，应力越易于消除。但是一旦超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和时间两个要素，缺一不可。另外，对于调质钢的焊后热处理温度，应以不超过钢材原回火温度为原则，一般比钢材原回火温度低30℃左右，否则材料就会失去调质效果，强度和韧性就会降低。这一点应予以特别关注。4焊后热处理综合效果的考虑焊后热处理并非是绝对有利的。一般情况下，焊后热处理有利于缓和残余应力，并对应力腐蚀有严格要求的情况下才进行。但是，试件的冲击韧性试验表明，焊后热处理对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利，有时在焊接热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。再则，焊后热处理是依靠在高温下材料强度的降低来实现消除应力的，因此，在焊后热处理时，结构有可能失去刚性，对于采取整体或局部焊后热处理的结构，热处理前，必须考虑焊件在高温下的支承能力。所以，在考虑是否进行焊后热处理时，应将热处理的有利和不利两个方面综合比较。从结构性能上来看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，应在综合考虑两方面的基础工作上做出合理的判断。参考文献[1]陈泰炜．压力容器焊后热处理，2002．[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会．压力容器设计工程师培训教程，2005．(本文文献格式：何敏．压力容器焊后热处理分析[J]．广东化工，2010，37(12)：141-142)(上接第113页)表1水样CODCr值及去除率Tab.1ThedatumofCODCrandremovalrate时间/hCODCr值/(mg∙L-1)CODCr去除率/%050068.33134078.47228482.01323485.18420886.83517289.11614291.01711192.9788594.6298194.87107495.31116595.88126396.01136096.20145596.52155496.58MBR工艺，由于膜的高效截留作用，使MBR内保持较高的MLSS，抗冲击能力强，污染物去除率高。但其膜污染问题是个很大问题，本实验经历约1个月，膜通量从94.9L/m2∙h降至约42L/m2∙h。为保证出水和操作稳定，最好隔一段时间用水反冲1次，时间为30min，以减少能耗。参考文献[1]GonzalezMMJ，LuqueS，LvarezJRA，etal．Recoveryofphenolfromaqueoussolutionsusinghollowfibrecontac-tors[J]．MembrSci，2003，213：181-193．[2]赵天亮，陈芳媛，宁平，等．工业含酚废水治理[J]．环境科学与技术，2008，31(6)：64-65．[3]TomS，SimonJB，Jefferson．Membranebioreactorforwastewatertreatment．IWAPublishing，2000．[4]卜贻孙．理论COD与重铬酸钾法实测COD的关系[J]．煤矿环境保护，1998，12(4)：55-56．(本文文献格式：李文钊．MBR处理高浓度含酚废水研究[J]．广东化工，2010，37(12)：113)(上接第118页)见表10。从表中可看出，电解法对处理这种含酚废水效果明显。在72h时酚可达到废水三级排放标准，COD可达到废水二级排放标准，在96h时酚可达一级排放标准，COD可达到二级排放标准。在处理过程中，废水颜色先逐渐加深，24h时已为黑色。48h后开始变浅，至72h时基本无色。处理后废水pH为10～11。处理过程中，电流一直维持在38~40mA，电压则在30mV左右波动。据此估算处理每吨废水(处理72h至达三级排放标准)所需电量为0.72度。4结论与展望在文章讨论的因素中，高pH、高频率利于自由基的产生，高pH，高温有利于苯酚的降解，而低pH，低温以及CO32-、PO43-的存在不利于苯酚的降解，Cl-的存在虽有利于酚的去除，但却影响溶液中有机物总的去除量。通过对不同初始浓度苯酚的降解比较可知，电极电解效率随着初始浓度的增大而增大，因此本电极电解处理法适用于较大浓度废水的处理或作为其它方法的前处理，在其它方法无效时，也可作为低浓度废水的深度处理。随后的实际废水降解，表明本方法有着非常重大的现实意义和广阔的应用前景。参考文献[1]王惠君．二氧化铅电极的制备及其应用[J]．浙江海洋学院学报(自然科学版)，1999，18(2)：165-167．[2]黄彦瑜．浅谈自由基[J]．高等函授学报：自然科学版，2001，14(2)：29-33．[3]张乃东，郑威．羟自由基·OH在水处理中的应用[J]．哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2001，17(3)：22-24，28．[4]扈胜禄，李坚斌，黄伟，等．水的高级氧化技术—自由基反应[J]．矿产与地质，2003，17(1)：82-86．[5]刘冬莲，黄艳斌．·OH的形成机理及在水处理