压力容器热处理的几个问题

金属热处理工艺学和其他自然科学相同, 是随着生产力的发展而发展的, 同时和其他科学技术的发展紧密相关。热处理工艺是古代冶金技术发展的结果,是作为冶金技术的一部分, 逐渐发展而形成的一门科学。近年来我厂时常遇到一些问题: 在制造过程中,将本应针对而且只能针对零部件的预备热处理与产品的最终热处理混合使用, 分别不清, 造成了材料的组织和性能与原设计要求不符。主要体现在对碳钢和低合金钢制造的压力容器上为淬火 ( 加回火) 、正火 ( 加回火) 两种情况; 对奥氏体不锈钢体现在固溶 ( 加稳定化处理) 情况。

        　　GB150 4. 2. 4 中指出: “ 对容器制造过程中需要进行热处理的碳素钢和低合金钢钢板, 钢厂的交货状态可不用表4-1 ( 钢板的钢号、标准、使用状态及在一系列温度下的许用应力) 中的使用状态。 ”有关文献中对此也有强调指出, 应有资料证明相应钢材规范要求的热处理已经进行并检验合格。制造是依据设计进行的材料加工, 确保材料使用状态符合设计要求是对制造的基本要求。因此, 有必要明确理顺热处理目的和作用, 以及其对象间的对应关系。

        　　一、分析问题

            一般把热处理工艺分为最终热处理和预先热处理两大类。最终热处理的目的是使零件或产品达到设计使用的性能要求, 而预先热处理的目的则是消除或改善前工序引起的缺陷, 为后续工作做好性能与组织准备。同一种热处理方式在作用于不同的对象, 也就分别地称为最终热处理和预先热处理。例如: 当焊后热处理只针对零部件使用时, 它就是预先热处理; 而针对于整台产品使用时, 则为最终热处理。

        　　下面就提出在我厂出现的几种热处理形式。

        　　1. 焊后热处理

            (1) 焊后热处理。利用金属在高温下屈服强度的降低, 使应力高的地方产生塑性流变, 从而达到消除焊接残余应力的一种热处理, 属去应力退火 ( 低温退火)对碳钢和低合金钢制压力容器, 是将产品缓慢加热到500 ～ 650℃, 保温一定时间, 然后随炉均匀冷却。应力是弹性体晶格对变形的响应。

        　　焊后热处理可以起到:
　　① 改善焊接接头的塑性和韧性, 提高抗应力腐蚀能力。
　　② 消除焊接接头中的内应力和冷作硬化, 提高接头抗脆断能力。
　　③ 稳定焊接构件形状, 避免在焊后机加工和使用过程中的变形。
　　④ 促使焊缝中的氢向外扩散。
　　⑤ 有些压力容器对安全性能有较高的要求 ( 如盛装极度或高度危害介质) , 进行焊后热处理可以提高其安全裕度。

        　　焊后热处理具有多种作用, 有时可以与消氢处理、恢复及改善性能热处理合并进行, 可以消除封头、筒体等零部件冷成形及中温成形后的残余应力。

        　　(2) 消氢处理。焊后立即将焊接件加热到较高温度, 提高氢在钢中的扩散能力, 使焊缝金属中过饱和状态的氢原子加速扩散逸出, 以降低容器产生延迟裂纹可能性的一种热处理。通常加热到200 ～350℃, 保温时间与焊接接头厚度有关, 一般应≥0. 5h。需要消氢处理的容器, 如焊后随即进行焊后消除应力热处理, 可免做焊后消氢处理, 但要控制在16 ～ 24h。

        　　并不是所有金属材料焊接时都会产生延迟裂纹。延迟裂纹的产生与材料的强度级别和化学成分有关, 只有强度级别较高的低合金钢才可能发生这一现象。一般需要进行消氢处理的压力容器需要进行焊后热处理, 而需要焊后热处理的设备不一定都需要消氢处理。

        　　消氢处理在有关文献中被称为脱氢处理, 即在工件组织不发生变化的条件下, 通过低温加热、保温, 使工件内的氢向外扩散进入大气中的退火。

            2. 正火

            正火是工业上常用的热处理工艺之一。正火既可作为预备热处理工艺, 为下工序热处理工艺提供适宜的组织状态, 例如为过共析刚的球化退火提供细片状珠光体, 消除网状碳化物等; 也可作为最终热处理工艺, 提供合适的力学性能, 例如碳素结构钢零件的正火处理等。此外, 正火处理也常用来消除某些处理缺陷。例如, 消除粗大铁素体块, 消除魏氏组织等。一般正火加热温度为Ac3 + ( 30 ～ 50) ℃, 保温一定时间 【 一般正火保温时间以工件烧透 ( 即心部达到要求的加热温度) 为准】 , 使奥氏体均匀化, 然后出炉在空气中或以其他适当方式冷却。必须指出, 正火是为了获得细珠光体组织, 对于某些合金钢, 空气冷却已超过其临界冷却速度, 从而发生了贝氏体或马氏体转变, 这时的 “ 空气冷却”已属于淬火而非正火了。

        　　在实际生产中, 正火加热温度常略高于上述温度。提高加热温度能够促进奥氏体均匀化, 增大过冷奥氏体的稳定性。在常用钢材的正火加热温度中, 如果正火作为预先热处理, 宜取上限温度, 这样有利于组织均匀化; 如果正火作为最终热处理, 则取下限温度, 可得到较细小的奥氏体晶粒。

        　　3. 固溶处理

            固溶处理是将奥氏体不锈钢加热到 1010 ～1120℃( 具体温度随钢种而异) , 经适当保温使碳化物尽量溶入奥氏体基体, 然后快速冷却至室温使碳化物来不及析出呈过饱和状态固溶在基体中, 以获得单相奥氏体组织的一种热处理。其次, 固溶处理是为了获得适宜的晶粒度, 以保证合金高温抗蠕变性能。奥氏体不锈钢的正常交货状态是固溶状态。

        　　在压力容器中, 固溶处理可以起到的作用有:

        　　(1) 对于非超低碳奥氏体不锈钢, 固溶处理是防止晶间腐蚀的重要手段。

        　　(2) 对于经热成形的受压元件, 可采用固溶处理达到恢复原有性能的目的。

        　　(3) 对于冷成形或使用工况改变了其奥氏体组织状况时, 可以根据实际情况通过固溶处理予以恢复。例如, 冷成形的奥氏体不锈钢受压元件, 在设计温度处于敏化温度范围, 并且加工变形率超过某一限度时, 应进行成形后的热处理 ( 对于304 型和 316 型奥氏体不锈钢受压元件, 当设计温度在 580 ～ 675℃, 且加工变形率超过20% 时; 或者设计温度超过 675℃, 且加工变形率超过10% 时, 应在冷成形后进行热处理) 。再例如, 奥氏体不锈钢受压元件在深冷工况使用时, 可以采用冷成形后进行固溶处理的方式来恢复低温韧性。

        　　4. 稳定化处理

            稳定化处理: 为使工件在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内的热处理。根据 《 安全工程大辞典》 , 含钛或含铌的奥氏体不锈钢的一种提高抗晶间腐蚀能力的热处理方法。在奥氏体不锈钢冶炼时加入数倍于含碳量的钛或铌元素, 可在形成 Cr23 C6之前优先形成钛或铌的碳化物, 这些碳化物几乎不固溶于奥氏体中。在焊接从高温冷却时, 即使经过易析出 Cr23 C6的敏化温度区间 ( 850 ～ 450℃) 时, 也不会沿晶界大量析出 Cr23 C6 , 从而大大提高了抗晶间腐蚀的能力。为了使钢达到最大的稳定度, 还应进行稳定化处理, 即将构件加热至900℃使 Cr23C6充分溶解到奥氏体中, 而此时让钛和铌充分形成非常稳定的碳化钛和碳化铌, 然后在空气中冷却, 即使经过敏化温度时, 也无 Cr 23 C6在晶界析出。经稳定化处理后的奥氏体不锈钢便大大降低了晶间腐蚀的可能性。

        　　稳定化处理只适用于在晶间腐蚀环境下选用含稳定化元素 ( Ti 或 Nb) 奥氏体不锈钢的场合。压力容器制造中可以单独进行稳定化处理, 考虑到奥氏体不锈钢的正常交货状态是固溶状态, 因此稳定化处理是固溶处理后的追加热处理。

        　　稳定化处理在有关文献中被称为稳定化退火, 即为使工件中微细的显微组成物沉淀或球化得退火。例如,某些奥氏体不锈钢在 850℃附近进行稳定化退火, 沉淀出 TiC、NbC、TaC, 防止耐晶间腐蚀性能降低。

            5. 调质处理

            淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500 ～ 650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能、材质得到很大程度的调整, 其强度、塑性和韧性都较好, 具有良好的综合力学性能。调质处理后得到回火索氏体。回火索氏体 ( tempered sorbite) 是马氏体于回火时形成的, 在光学金相显微镜下放大 500 ～600 倍才能分辨出来, 其为铁素体基体内分布着碳化物 ( 包括渗碳体) 球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回火组织, 是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度, 碳化物也为稳定型碳化物, 常温下是一种平衡组织。

        　　调质常应用在中碳 ( 低合金) 结构钢和低合金铸钢中, 总之对力学要求高的结构零部件都要进行调质处理。调质处理的目的是使钢件有很高的韧性和足够的强度, 具有综合的优良力学性能。例如高压紧固件和地脚螺栓通常采用的 40MnB、35CrMoA 等合金钢通过调质处理才能达到要求的力学性能。

        　　针对我厂实际情况, 钢材在热加工之后可能会改变钢材的供货状态, 可根据设计要求的钢材使用状态对热加工后的受压元件进行必要的热处理。

        　　(1) 热轧状态使用的钢材, 热加工后的受压元件一般可不重新进行热处理。

        　　(2) 正火状态使用的钢材, 热加工后需重新进行正火处理。如果热加工时的加热温度与钢材的正火温度相当, 且随炉的热加工工艺试板经评定合格, 可不重新进行正火处理。

        　　(3) 正火加回火使用状态的钢材, 热加工后需重新进行正火加回火处理。如果热加工时的加热温度与钢材的正火温度相当, 且随炉的热加工工艺试板经正火处理后评定合格, 则该受压元件热加工后可仅进行回火处理。

        　　(4) 调质状态使用的钢材, 受压元件热加工后应重新进行调质处理。

        　　(5) 奥氏体不锈钢的热加工受压元件应控制热加工终了温度在850℃以上, 加热后应快冷。如有晶间腐蚀试验要求, 热加工后应对受压元件本身或热加工工艺试板进行试验评定, 若试验结果不合格, 则应进行固溶处理 ( 加稳定化热处理) 。

        　　热处理是使金属材料升温、保温然后冷却的过程,应从本质上把握加热温度、升温速度、保温时间和冷却速度对性能的影响。淬火 ( 加回火) 、正火 ( 加回火) 、固溶处理 ( 加稳定化处理) 有一个共同特点, 那就是在加热到要求的温度后, 经过一段时间的保温后要快速冷却, 以实现改善钢材微观组织和使其组织均匀性的目的。而压力容器因具有密闭空间难以实现快速冷却, 需要采用上述材料状态制造的往往是重要的压力容器, 确保设计文件要求的钢材供货状态不被破坏显得尤为重要。

        　　二、问题的解决

            (1) 如受压元件在加工过程中有可能改变了材料的组织状态和力学性能, 则在加工后应进行必要的热处理以恢复其供货状态。

        　　(2) 对设计部门而言, 选材需要综合考虑制造对其性能的不利影响因素, 以使材料最终使用状态符合设计选材需要。

        　　(3) 无论是 “ 预先热处理”还是 “ 最终热处理”都是金属的热处理工艺学在实际生产中的一种表述。但重要的不是概念的表述, 而是明确内涵, 理顺概念所对应的热处理对象。