不銹鋼復(fù)合板焊后熱處理工藝研究

巢麗清

（江蘇特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院)

不銹鋼復(fù)合板焊后熱處理工藝研究

巢麗清*

（江蘇特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院)

不銹鋼復(fù)合板的覆層與基層的熱處理特性有較大差別。復(fù)合板的焊后熱處理要求既保障基層的機(jī)械性能，同時(shí)又不降低覆層的耐晶間腐蝕性能，因此制定科學(xué)合理的復(fù)合板熱處理工藝比較困難。通過對奧氏體不銹鋼和低合金鋼冶金現(xiàn)象及熱處理工藝的分析，對S30408+Q345R不銹鋼復(fù)合板制定了合理的熱處理工藝。研究表明，經(jīng)過熱處理之后的不銹鋼復(fù)合板能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

不銹鋼復(fù)合板中溫敏化熱處理焊接冶金現(xiàn)象機(jī)械性能晶間腐蝕

0 前言

某工程項(xiàng)目中一臺酯化反應(yīng)釜，其技術(shù)特性參數(shù)如表1所示。該酯化反應(yīng)釜主要用于生產(chǎn)化纖行業(yè)用的化纖原料顆粒，其內(nèi)筒的封頭為DHA 3300 mm×（18+3）mm碟形封頭，材質(zhì)為Q345R+304復(fù)合鋼板，由兩塊寬度為2050 mm的復(fù)合板拼焊而成。該封頭規(guī)格比較特殊，若采用熱壓需制備沖模，成本較大，因此其加工只能采用旋壓冷成形的方法。冷成形封頭會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，且反應(yīng)釜在運(yùn)行時(shí)很容易產(chǎn)生腐蝕及冷裂紋。因此，用戶特提出要對反應(yīng)釜進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。而封頭標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》第6.4.5.1款也規(guī)定：整板成形及先拼板后成形的鋼制封頭，應(yīng)于冷成形后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

1 奧氏體不銹鋼的冶金現(xiàn)象

不銹鋼復(fù)合板有奧氏體復(fù)合板、馬氏體復(fù)合板及雙相鋼復(fù)合板，奧氏體復(fù)合板在壓力容器行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。奧氏體不銹鋼金相組織類型及其所受到的熱加工和機(jī)械加工是其耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能和塑性、韌性的決定性因素。

表1 酯化反應(yīng)釜設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.1 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕

當(dāng)奧氏體不銹鋼足夠長時(shí)間地處于425～870℃之間的溫度時(shí)，碳化鉻便會在奧氏體晶粒的邊界上優(yōu)先沉淀析出，這種類型的沉淀析出被稱之為中溫敏化。經(jīng)過中溫敏化的材料暴露在腐蝕介質(zhì)中，便會發(fā)生晶間腐蝕。

1.2 σ相脆化

σ相脆化是不銹鋼在565～925℃溫度范圍內(nèi)長時(shí)間形成的，σ相的存在明顯降低了鋼的塑性和韌性。促使σ相生成的因素主要包括如下幾項(xiàng)：前期冷加工、高鉻含量、鋼材處于σ相轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)的溫度和時(shí)間等。

從NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》“表5焊后熱處理推薦規(guī)范”中分析得知，低合金鋼、碳素鋼的熱處理溫度通常在580～660℃之間，正好處于425～870℃的中溫敏化區(qū)和565～925℃的σ相形成的溫度區(qū)區(qū)間內(nèi)，如果按碳素鋼與低合金鋼的熱處理規(guī)范進(jìn)行熱處理，極易使復(fù)合板中304覆層形成晶間腐蝕及σ相析出，從而損害產(chǎn)品的使用壽命。學(xué)術(shù)上對奧氏體不銹鋼的焊后熱處理有不同的看法，考慮到奧氏體不銹鋼焊后熱處理的實(shí)際效果，故有關(guān)技術(shù)規(guī)范將焊后熱處理的強(qiáng)制性要求刪除了[1]。

ASME規(guī)范規(guī)定，除非另有規(guī)定或采購方和制造廠之間另有商定外，所有奧氏體不銹鋼復(fù)合板都應(yīng)進(jìn)行熱處理，熱處理包括將材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋垢矊又秀t的碳化物固溶，然后單張板各自進(jìn)行空冷[2]。

2 不銹鋼復(fù)合板熱處理工藝

通過以上分析可知，不銹鋼復(fù)合鋼板其基層與覆層的熱處理特性有較大差別，熱處理溫度經(jīng)常相互矛盾。碳素鋼和低合金鋼的焊后熱處理為低溫回火（中溫），但此溫度因覆層受敏化溫度影響會使其抗晶間腐蝕的能力降低，而奧氏體不銹鋼需要固溶或在穩(wěn)定化溫度下進(jìn)行熱處理（高溫），否則就不能保證基層的機(jī)械性能和覆層的耐晶間腐蝕性能。

2.1 高溫?zé)崽幚砉に?/p>

既要保證復(fù)合板基層的力學(xué)性能，又要保證覆層的耐腐蝕能力，因此不銹鋼復(fù)合板的加熱溫度既要高于復(fù)合板的敏化溫度（425～870℃），又不能過高地超過基層的正火溫度（900～950℃），故將不銹鋼復(fù)合板封頭DHA 3300 mm×（18+3）mm的熱處理溫度確定在920～950℃。加熱前應(yīng)清除覆層表面的油污和含碳物。為避免增硫和增碳，在中性氣氛加熱爐中加熱，快速升溫，升溫速度≥200℃/h，均溫后以2 min/mm進(jìn)行保溫。保溫后將不銹鋼復(fù)合板封頭從爐內(nèi)移出，用冷水或壓縮空氣對準(zhǔn)覆層進(jìn)行快速冷卻。當(dāng)溫度降到425℃時(shí)，停止噴水或吹風(fēng)，在靜止空氣中冷卻。這樣既保證了覆層的耐蝕能力，又對基層進(jìn)行了消除應(yīng)力處理并保證基層處于正火狀態(tài)。該方法對加熱爐的熱處理能力及冷卻設(shè)備要求較高。

2.2 中溫?zé)崽幚砉に?/p>

低合金鋼與碳素鋼消除應(yīng)力熱處理的加熱溫度在580～660℃之間，如果降低加熱溫度，則需通過延長保溫時(shí)間來達(dá)到相同的熱處理效果。降低焊后熱處理溫度、延長保溫時(shí)間，其工藝應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 中溫?zé)崽幚砉に嚤貢r(shí)間

如果焊后熱處理溫度過低，則對消除應(yīng)力沒有多大作用，僅僅起到后熱緩冷及消氫處理的作用。本文提到的DHA 3300 mm×（18+3）mm的不銹鋼復(fù)合板封頭的熱處理保溫定在550℃，在中性氣氛的加熱爐中加熱，快速升溫，升溫速度為200℃/h，均溫后保溫時(shí)間不低于（18/25）×60=43 min（參照NB/T 47015—2011中表5）。保溫后不能隨爐冷卻，而應(yīng)將封頭從爐內(nèi)移出，在靜止空氣中冷卻至室溫，這樣就避開了中溫敏化溫度區(qū)，既保證了覆層的耐蝕能力，又對基層進(jìn)行了消除應(yīng)力處理。此方法對壓力容器的冷成形封頭進(jìn)行消除應(yīng)力以及整臺設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理均較適用[3]。

3 結(jié)語

不銹鋼復(fù)合板的覆層與基層的熱處理特性有較大差別。本文以不銹鋼復(fù)合板中基層材料、覆層材料各自的熱處理特性為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究。通過分析碳素鋼、低合金鋼以及奧氏體不銹鋼各自的熱處理作用和冶金現(xiàn)象，制定了能減少基層材料內(nèi)應(yīng)力并減少覆層奧氏體不銹鋼σ相脆化的高溫?zé)崽幚砉に嚭椭袦責(zé)崽幚砉に?。根?jù)企業(yè)熱處理設(shè)備的能力，進(jìn)一步研究了中溫?zé)崽幚韱栴}并制定了合理的熱處理工藝，有效避開了中溫敏化溫度區(qū)，從而既保證了覆層的耐蝕能力，又對基層進(jìn)行了消除應(yīng)力處理，滿足了產(chǎn)品對材料性能的要求。實(shí)踐表明，經(jīng)過熱處理之后的不銹鋼復(fù)合板能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

[1]GB 150—2011壓力容器[S].

[2]ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME-Ⅱ-A鐵基材料[M].北京：中國石化出版社，2010.

[3]李業(yè)勤.鋼制壓力容器封頭實(shí)用技術(shù)[M].北京:原子能出版社,1999.

Technological Research on Post-weld Heat Treatment of Stainless Steel Clad Plate

Chao Liqing

For stainless steel clad plate,the heat treatment properties of the cladding metal and the base material are quite different.The post weld heat treatment(PWHT)should ensure both the mechanical properties of the base and the intergranular corrosion resistance of the cladding layer,and it is difficult to propose an appropriate PWHT technology for the stainless steel clad plate.Based on the analysis of metallurgical phenomenon and heat treatment process of austenitic stainless steel and low-alloy steel,a reasonable PWHT technology for the stainless steel clad plate consisting of S30408 and Q345R was designed.The results showed that the comprehensive properties of the stainless steel clad plate after PHWT could meet the requirements of relevant standards.

Stainless steel clad plate;Middle temperature sensitization;Heat treatment;Welding; Metallurgical phenomenon;Mechanical property;Intergranular corrosion

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.013

2016-04-01)

*巢麗清，男，1981年生，工學(xué)碩士。無錫市，214023。