ASME MC級(jí)部件焊后熱處理

董永志，晏桂珍

（1.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東海陽265118；2.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東海陽265118）

ASME MC級(jí)部件焊后熱處理

董永志1，2，晏桂珍1，2

（1.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東海陽265118；2.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東海陽265118）

探討ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷第Ⅰ冊(cè)NE分卷MC級(jí)部件焊后熱處理溫度范圍，模擬焊后熱處理的目的意義。結(jié)合焊后熱處理的預(yù)期目的、材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程建造等綜合考慮制定焊后熱處理的工藝參數(shù)及加熱方式，并提出局部焊后熱處理加熱方式可借鑒ASME第Ⅷ卷第Ⅰ冊(cè)。

ASME；鋼制安全殼；焊后熱處理；模擬焊后熱處理

0 前言

AP/CAP系列核電站鋼制安全殼的設(shè)計(jì)、建造采用ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷第Ⅰ冊(cè)NE分卷[1]（簡(jiǎn)稱ASMEⅢNE），規(guī)范系統(tǒng)地制定了鋼制安全殼材料、設(shè)計(jì)、制作、檢測(cè)、檢驗(yàn)等規(guī)則。本研究以ASMEⅢNE焊后熱處理相關(guān)規(guī)定為例，介紹焊后熱處理（Post weld Heat Treatment，PWHT）、模擬焊后熱處理（Simulated Post weld Heat Treatment，SPWHT）、PWHT的豁免、PWHT工藝參數(shù)及加熱方式的選擇，并對(duì)相關(guān)條款進(jìn)行探討，以期獲得對(duì)規(guī)范全面、正確的理解，為鋼制安全殼容器焊后熱處理的施工提供指導(dǎo)。

1 PWHT的溫度閾值

ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅸ卷（簡(jiǎn)稱ASMEⅨ）QG-109.2關(guān)于PWHT的定義是焊后進(jìn)行的任何熱處理[2]。根據(jù)定義，強(qiáng)調(diào)的是焊接完成或過程中停止焊接后的所有加熱，包括較低溫度的后熱（149℃～316℃）[3]和較高溫度的熱處理。本研究將重點(diǎn)討論較高溫度的熱處理，以下稱“焊后熱處理（PWHT）”。

ASMEⅢNE-4623規(guī)定PWHT在425℃以上任意小時(shí)間隔的升降溫速率的允許范圍，可知在425℃以下升降溫速率不限，也可推斷425℃以下的熱處理不屬于NE分卷PWHT范圍，425℃以上的所有熱循環(huán)均應(yīng)符合升降溫速率要求，且計(jì)入PWHT累計(jì)時(shí)間，ASME規(guī)范解釋INT.Ⅲ-1-98-39進(jìn)一步確認(rèn)該推斷的正確性[4]。

ASMEⅨ適用范圍是ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范和ASME B31壓力管道焊接工藝評(píng)定的通用卷，當(dāng)其他建造卷有不同規(guī)定時(shí)，其他卷的條件優(yōu)先執(zhí)行。綜上可知，ASMEⅨ定義的PWHT是廣義的PWHT，425℃以上的熱處理是ASMEⅢNE分卷的PWHT。

2 SPWHT的目的

PWHT有兩個(gè)主要目的：一是回火降低焊接接頭硬度；二是釋放焊接殘余應(yīng)力。除此之外，隨兩個(gè)主要目的而產(chǎn)生的益處是可以避免氫致裂紋、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸和改善延展性、韌性和抗腐蝕性能[5]。因此，基于預(yù)期目的確定PWHT工藝尤為重要。較高的PWHT溫度和過長(zhǎng)的PWHT時(shí)間將會(huì)對(duì)焊接接頭帶來不利影響，包括降低抗拉強(qiáng)度、降低蠕變強(qiáng)度和提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度[3]。PWHT對(duì)焊接接頭性能的影響主要基于材料和熔敷金屬的化學(xué)成分、材料本身的熱加工和機(jī)械加工工藝，某些金屬材料經(jīng)歷較高的溫度、較長(zhǎng)時(shí)間的PWHT，力學(xué)性能尤其是沖擊韌性有一定程度的降低，例如SA738Gr.B材料，在保溫溫度為600℃±5℃、保溫溫度為10 h的SPWHT后，沖擊韌性降低明顯[6]。這種情況下，有必要模擬產(chǎn)品在制造、安裝全過程的實(shí)際熱處理循環(huán)過程。

ASMEⅢNE-2211規(guī)定除名義厚度小于等于50 mm的P-No.1組號(hào)1和2的材料外，鐵素體鋼材在安全殼容器的制作和安裝過程中需要進(jìn)行熱處理時(shí)，用作拉伸和沖擊試樣的材料應(yīng)采用與安全殼容器相同的方法進(jìn)行熱處理，且試驗(yàn)材料在一種溫度或幾種溫度下的總保溫時(shí)間至少應(yīng)為該材料在實(shí)際PWHT時(shí)一種或幾種溫度下的總時(shí)間的80%。ASMEⅢNE-2431.1（c）規(guī)定焊接材料PWHT按產(chǎn)品焊縫金屬的熱處理?xiàng)l件進(jìn)行，保溫時(shí)間至少為產(chǎn)品焊縫金屬最長(zhǎng)熱處理時(shí)間的80%；ASMEⅨQW-407.2規(guī)定焊接工藝評(píng)定的PWHT時(shí)間應(yīng)當(dāng)和焊縫在產(chǎn)品中經(jīng)歷的熱處理基本上相當(dāng)，在一種或幾種溫度下累計(jì)時(shí)間不少于產(chǎn)品焊縫所用時(shí)間的80%，該變素被SMAW、GMAW、GTAW、SAW等焊接方法變素表列為補(bǔ)充重要變素。

上述是金屬材料、焊接材料及焊接接頭的SPWHT過程，目的是模擬安全殼容器材料在熱成形、焊接接頭的PWHT及返修后的PWHT等不同階段，不同溫度下的熱處理循環(huán)的累計(jì)時(shí)間，確保材料和焊接接頭的力學(xué)性能滿足使用要求。

3 PWHT的豁免

ASMEⅢNE-4622.3基于材料的類型和名義厚度確定是否進(jìn)行PWHT。針對(duì)組合焊縫（坡口焊縫+角焊縫）的形式，如圖1所示，ASMEⅢNE未直接定義該類焊接接頭的名義厚度，ASME規(guī)范解釋INT.Ⅲ-1-83-186說明對(duì)于該類焊縫的名義厚度按坡口焊縫定義，即名義厚度是指坡口高度。

圖1 組合焊縫形式Fig.1 Type of combined welds

ASME表NE-4622.7（b）-1免除強(qiáng)制性PWHT是基于名義厚度、最低預(yù)熱溫度、材料的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)材料厚度小于等于38 mm，碳含量小于等于0.3%、預(yù)熱溫度大于等于95℃時(shí)，A類和B類焊縫可以免除PWHT。當(dāng)材料厚度增加到44.5 mm，只有SA299、SA516、SA537、SA738材料，且w（C）≤0.24%、預(yù)熱溫度大于等于95℃時(shí)，滿足下述兩個(gè)條件之一也可免除PWHT：

（1）材料的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)溫度低于最低金屬使用溫度（LSMT）5.6℃，沖擊能量值滿足ASME表NE-2332.1-2規(guī)定。

（2）材料的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)溫度為L(zhǎng)SMT，沖擊能量值滿足ASME表NE-2332.1-2的值加7 J。

AP/CAP1000系列核電站鋼制安全殼的材質(zhì)為SA738Gr.B調(diào)質(zhì)熱處理的碳錳硅鋼板，除了插入板（因補(bǔ)強(qiáng)需要）和筒體第一圈（因抗腐蝕需要）壁厚大于44.5 mm外，其他筒體部分、上封頭、下封頭壁厚為41.3～44.5 mm。這一設(shè)計(jì)充分利用了免除PWHT規(guī)則，只需對(duì)名義厚度超過44.5 mm的焊縫進(jìn)行PWHT，從而能夠在滿足規(guī)范要求并確保性能的前提下，降低施工成本和縮短建造周期[7]。

4 PWHT工藝參數(shù)的選擇

一個(gè)完整的PWHT循環(huán)包括升溫、保溫和降溫，一般的建造規(guī)范限制升降溫速率、保溫溫度區(qū)間及保溫時(shí)間。

4.1 升降溫速率的規(guī)定

ASMEⅢNE-4623規(guī)定在425℃以上根據(jù)材料厚度限制加熱速率和冷卻速率，是基于加熱和冷卻過程中材料厚度方向上產(chǎn)生的溫度梯度會(huì)引起不均勻的膨脹和收縮，限制升降溫速率的目的是限制產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，當(dāng)采用局部PWHT時(shí)，在可能的情況下采用雙面加熱方式是PWHT的一個(gè)良好實(shí)踐。

ASMEⅢNE-4623基于厚度計(jì)算得到的加熱速率和冷卻速率在任意間隔小時(shí)內(nèi)不能超過222℃，也沒有必要低于56℃，即當(dāng)材料厚度超過100mm（4〞）時(shí)，加熱和冷卻速率不超過56℃/h，符合規(guī)范要求。

4.2 PWHT保溫溫度的規(guī)定

ASMEⅢNE-2121規(guī)定了鋼制安全殼容器承壓材料的規(guī)范和等級(jí)，這些材料按ASMEⅨQW-420材料分組的原則，屬于P-No.1（碳鋼和低合金鋼）、P-No.8（不銹鋼）、P-No.34（銅和銅合金）、PNo.42、43、45（鎳和鎳合金）。ASMEⅢNE-4622.1規(guī)定了PWHT的保溫溫度及時(shí)間如表1所示，可知ASMEⅢNE對(duì)P-No.8、34、42、43、45材料既不要求也不禁止進(jìn)行PWHT。對(duì)于P-No.1材料的PWHT的保溫溫度區(qū)間為595℃～675℃，ASME B31.1[8]表129.3.1提供了P-No.1材料的下轉(zhuǎn)變溫度近似值為725℃，由此可知ASMEⅢNE PWHT的最高保溫溫度低于下轉(zhuǎn)變溫度50℃，是一種典型的低于下轉(zhuǎn)變溫度的焊后熱處理，首要目的是釋放焊接接頭的殘余應(yīng)力。

對(duì)于某些材料，如淬火加回火（調(diào)質(zhì)）狀態(tài)的材料，PWHT會(huì)降低沖擊韌性。為盡量減少PWHT對(duì)材料原有性能的影響，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般規(guī)定調(diào)質(zhì)材料PWHT的最高保溫溫度不超過材料實(shí)際回火溫度，如GB/T 30583[9]。另外一種更加嚴(yán)格的設(shè)計(jì)是，PWHT最高保溫溫度低于材料回火溫度15℃，進(jìn)一步限定最高保溫溫度。同時(shí)，又不能低于規(guī)范要求的最低保溫溫度。這樣PWHT的保溫溫度區(qū)間限定在一個(gè)狹窄的溫度區(qū)間內(nèi)，對(duì)PWHT尤其是傳統(tǒng)的履帶式陶瓷加熱片方式的局部PWHT帶來了較大困難。需要說明的是上述兩種設(shè)計(jì)均不是ASMEⅢNE的原意，ASMEⅢNE分卷從金屬材料、焊接材料及焊接接頭的SPWHT確定PWHT的具體保溫溫度范圍。

表1 焊后熱處理保溫溫度和時(shí)間Table 1 PWHT Temperature and Time

ASMEⅢNE-4622.4（c）為P-No.1材料提供了另一種保溫溫度和保溫時(shí)間，當(dāng)不能按表1規(guī)定的溫度范圍進(jìn)行PWHT時(shí)，可采用在較低的溫度下以較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行PWHT，具體參數(shù)詳見表2。ASME B31.1、ASME第Ⅷ卷第Ⅰ冊(cè)（簡(jiǎn)稱ASMEⅧ-Ⅰ）也規(guī)定了同樣方法的PWHT工藝[10]，但實(shí)際操作時(shí)需要考慮設(shè)備的使用環(huán)境要求確定是否采用此種PWHT工藝，如ASME B31.3適用于煉油、化工、制藥、紡織等設(shè)備的管道，該規(guī)范不允許在較低溫度下進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，且規(guī)定局部PWHT應(yīng)進(jìn)行100%硬度試驗(yàn)，不允許超過硬度最大值[11]。

表2 另一種保溫溫度和保溫時(shí)間Table 2 Alternative Holding Temperatures and Times

5 PWHT的加熱方式

ASMEⅢNE關(guān)于PWHT可以采用爐內(nèi)加熱、局部加熱及安全殼容器內(nèi)部加熱的方式。對(duì)于尺寸較大的鋼制安全殼容器，如CAP1400核電站鋼制安全殼的內(nèi)直徑43 m、高度73.6 m，上、下封頭由82張瓣片，筒體由144張弧形板組成，按下封頭、3段筒節(jié)、上封頭按序進(jìn)行安裝，與鋼制安全殼容器內(nèi)部設(shè)備安裝并行施工，決定了鋼制安全殼容器不宜采用內(nèi)部加熱的方式，在此不進(jìn)行討論。

5.1 爐內(nèi)加熱

ASMEⅢNE優(yōu)先采用爐內(nèi)一次加熱的整體PWHT方式，當(dāng)容器或物項(xiàng)不能采用整體爐內(nèi)熱處理時(shí)，可采用爐內(nèi)多次加熱的方法。容器或物項(xiàng)加熱部位的重疊長(zhǎng)度至少為2 m，爐外部分保溫達(dá)到不致引起有害的溫度梯度。需要注意的是，分段熱處理時(shí)重疊部位及溫度在425℃以上的爐外部分進(jìn)行了兩次熱處理，應(yīng)累計(jì)到熱處理的總時(shí)間內(nèi)。

5.2 局部加熱

當(dāng)不能進(jìn)行整體熱處理時(shí)，ASMEⅢNE允許焊縫進(jìn)行局部PWHT。當(dāng)進(jìn)行局部PWHT時(shí)，應(yīng)沿容器或物項(xiàng)的整個(gè)圓周加熱一個(gè)環(huán)形帶。對(duì)這條規(guī)定曾出現(xiàn)不少分歧，例如插入式補(bǔ)強(qiáng)板與殼體焊縫或接管焊縫的局部PWHT，應(yīng)沿容器的整個(gè)圓周加熱一個(gè)環(huán)形帶，而不應(yīng)理解為沿著補(bǔ)強(qiáng)板或接管的圓周進(jìn)行加熱，ASME規(guī)范解釋Ⅲ-1-92-14可以進(jìn)一步證明該觀點(diǎn)。

當(dāng)容器直徑較大時(shí)，如CAP1400核電站鋼制安全殼，筒體需要分段制造和安裝，筒節(jié)上包括A類、B類、D類焊縫，受尺寸結(jié)構(gòu)的限制，從工程操作層面不宜進(jìn)行爐內(nèi)加熱，采用局部加熱是相對(duì)可行的方式。但采用“點(diǎn)狀”或分段局部加熱的方式時(shí)，ASMEⅢNE對(duì)這種情況未提供任何具體的指導(dǎo)。ASMEⅧ-ⅠUW-40（a）（3）提供了在組裝成整體容器之前加熱筒節(jié)或容器的局部，以便對(duì)縱焊縫或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊縫可以進(jìn)行局部PWHT，但在組裝成整體容器時(shí)的環(huán)焊縫，仍要求加熱帶環(huán)繞整個(gè)圓周布置。ASMEⅧ-ⅠUW-40（a）（8）允許其他形狀的加熱，但需借鑒成熟的經(jīng)驗(yàn)或進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種方法要考慮到溫度梯度以及PWHT過程中產(chǎn)生的應(yīng)力載荷等的影響。由此可知，ASMEⅧ-Ⅰ對(duì)大尺寸容器提供了較為詳細(xì)的局部PWHT的具體指導(dǎo)和思路。

鋼制安全殼容器的局部PWHT可借鑒“點(diǎn)狀”或分段的方式，但需要對(duì)點(diǎn)狀加熱的區(qū)域、分段的位置及方式，殘余應(yīng)力釋放效果以及熱處理變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)采用的熱處理工藝參數(shù)如加熱寬度、保溫層的寬度及厚度、加熱和冷卻速率等進(jìn)行驗(yàn)證，確保均溫帶范圍內(nèi)的溫度滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

（1）ASMEⅢNE鋼制安全殼容器PWHT是典型的低于下轉(zhuǎn)變溫度，以釋放焊接殘余應(yīng)力為主要目的熱處理。

（2）ASMEⅢNE建立了完善的SPWHT體系，有效地做到“事前”驗(yàn)證材料及焊接接頭在制造、安裝階段PWHT后的力學(xué)性能，建議國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)盡早引進(jìn)、制定類似規(guī)則。

（3）在制定PWHT的工藝參數(shù)及加熱方式時(shí)，需結(jié)合PWHT的預(yù)期目的、材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程建造綜合考慮，提出局部PWHT加熱方式可借鑒ASMEⅧ-Ⅰ。

[1]ASME.Boiler and Pressure Vessel Code，SectionⅢ，Rules forConstructionofNuclearFacilityComponents，Division 1，Subsection NE.Class MC Components[S].New York：ASME，2015.

[2]ASME.Boiler and PressureVessel Code，SectionⅨ，Qualfication Standard for Welding，Brazing，and Fusing Proce dures；Welders；Brazers；and Welding，Brazing，and Fusing Operators[S].New York:ASME,2015.

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[5]JosephW.McEnerney，PingshaDong.Recommended PracticesforLocalHeatingofWeldsin Pressure Vessel[J].Welding Research Council Bulletin，2000（452）：3-4.

[6]王勇，孫殿東，王長(zhǎng)順，等.模擬焊后熱處理對(duì)SA-738Gr.B鋼板組織及韌性的影響[J].壓力容器，2014，31（1）：10-14.

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[9] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 30583-2014，承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014：6.

[10]ASME.Boiler and Pressure Vessel Code，SectionⅧ，Rules forConstructionofPressureVessels，Division1[S].NewYork：ASME，2015：143-144.

[11]ASME.B31.3-2010，Process Piping[S].New York：ASME，2010：65-69.

Post weld heat treatment of ASME MC Components

DONG Yongzhi1，2，YAN Guizhen1，2
（1.Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Company，Haiyang 265118，China；2.Yantai Nuclear Equipment Engineering Technology and Research Center，Haiyang 265118，China）

The paper discusses on the PWHT temperature range and purpose of SPWHT of MC Components in ASME boiler and pressure vessel code sectionⅢdivisionⅠsubsection NE，establishes the process parameters and heat methods of PWHT in the view of the expected purpose of PWHT，material properties，structural characteristics and engineering construction etc.and brings forward the theory that the heat method of local PWHT can refer to ASME SectionⅧdivisionⅠ.

ASME；steel containment vessel；post weld heat treatment；simulated post weld heat treatment

TG441.8

B

1001－2303（2017）03－0059-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.11

獻(xiàn)

董永志，晏桂珍.ASME MC級(jí)部件焊后熱處理[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：59-62.

2016-11-23；

2017-03-06；

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（課題名稱：CAP1400鋼制安全殼關(guān)鍵制造技術(shù)研究）

董永志（1981—），男，遼寧阜新人，工程師，碩士，主要從事AP/CAP系列核電站設(shè)備焊接工藝及焊后熱處理工藝的研究工作。