壓力容器焊縫返修及焊后熱處理

劉杰

摘 要：壓力容器在檢修過程中，由于各種原因使焊縫焊接接頭出現(xiàn)一些超標(biāo)缺陷，通過返修予以消除。焊后熱處理是壓力容器焊縫返修的關(guān)鍵工藝，它不僅直接影響壓力容器的返修質(zhì)量，而且是保證壓力容器安全運(yùn)行的重要條件。本文就壓力容器焊縫返修及焊后熱處理進(jìn)行了討論分析。

關(guān)鍵詞：壓力容器；焊縫返修；焊后熱處理

1 工程概況

某裝置在進(jìn)行全面檢修過程中，環(huán)焊縫與縱縫十字交叉處附近施焊位置的特殊性容易造成明顯的應(yīng)力集中情況，并且該類設(shè)備在工作時(shí)，攪拌棒不斷的轉(zhuǎn)動，使得該處焊縫容易產(chǎn)生疲勞裂紋的傾向。因此檢驗(yàn)人員對該處焊縫做了重點(diǎn)檢查，在對焊縫表面清理后，對該焊縫做了目視檢查，在著色滲透檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)有20～30mm長條形裂紋缺陷。缺陷起源于焊縫處，缺陷取向與焊縫縱向幾乎平行，缺陷顯示呈直線狀細(xì)線條痕跡，中間稍寬，兩端尖細(xì)而顏色（或亮度）逐漸減淡至最后消失。需要對此缺陷進(jìn)行消除，設(shè)備焊縫局部返修，坡口尺寸受缺陷大小及現(xiàn)場操作條件影響較大，以下對現(xiàn)場開槽的坡口的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行應(yīng)力分析，得到開槽后坡口周邊的應(yīng)力分布，為制定返修方案提供參考。

2 應(yīng)力分析

（1）建立數(shù)值模型：確定缺陷位置，將缺陷完全刨除，并將刨槽打磨成型，槽深26mm，長40mm。設(shè)備主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸較大，坡口尺寸與筒體尺寸相差較大，為方便計(jì)算含坡口的圓柱面簡化為平面，且數(shù)值模型具有對稱性，其中模型高750mm，長為450mm。

（2）網(wǎng)格劃分及應(yīng)力分析：將建立好的數(shù)值模型導(dǎo)入應(yīng)力分析軟件，首先進(jìn)行劃分網(wǎng)格，由于坡口尺寸與筒體尺寸相差較大，因此需要對坡口周邊進(jìn)行網(wǎng)格加密，節(jié)點(diǎn)數(shù)為360184，網(wǎng)格數(shù)量為156584，對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量不影響應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，設(shè)定對稱邊界條件，壓力邊界條件，頂部筒體重力影響，底面設(shè)置為固定邊界條件，設(shè)置好后并進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果可得應(yīng)力分布及變形量大小，坡口周圍存在應(yīng)力集中，坡口棱角分明，應(yīng)力集中越大，因此在現(xiàn)場返修過程中應(yīng)圓滑過渡，從而減小應(yīng)力集中的情況，減小棱角處應(yīng)力的大小，為減小焊接的難度。

3 焊縫返修及焊后熱處理

（1）返修主要采用局部熱處理，主要因其在極短時(shí)間內(nèi)即可完成，顯著提高了生產(chǎn)效率，避免了焊接過程的應(yīng)力集中。GB/T 150規(guī)定了局部焊后熱處理的均溫區(qū)寬度，沒有給出加熱區(qū)寬度要求。由于影響均溫區(qū)與加熱區(qū)關(guān)系的因素很多，包括加熱方法、加熱工藝、被處理焊件結(jié)構(gòu)、保溫條件和環(huán)境等諸多因素。

（2）焊后熱處理工藝參數(shù)主要包括：保溫溫度、保溫時(shí)間、升溫速度和降溫速度。GB/T 30583-2014規(guī)定了各類鋼材的焊后熱處理規(guī)范參數(shù)，主要從消除殘余應(yīng)力角度考慮，規(guī)定了不同類別鋼材的最低保溫溫度和最短保溫時(shí)間，但這只是焊后熱處理的通用要求，并沒有考慮焊接接頭的使用性能與工藝性能，國內(nèi)的絕大多數(shù)單位將這一要求作為焊后熱處理工藝卡上的規(guī)定值，這是對標(biāo)準(zhǔn)的誤解。實(shí)際上，對于具體材料和性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、韌性、蠕變、消除應(yīng)力、高溫性能、變形等等）都有一個(gè)最佳的工藝參數(shù)，這個(gè)工藝參數(shù)需要通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)確定。照抄標(biāo)準(zhǔn)中最低保溫溫度與最低保溫時(shí)間，作為產(chǎn)品熱處理工藝卡的規(guī)定實(shí)施數(shù)值，很難取得預(yù)想的結(jié)果。

（3）無損檢測合格后，根據(jù)對設(shè)備的焊接工藝及坡口應(yīng)力分布情況，制定了焊縫返修后的局部熱處理工藝，具體工藝如表2。本次采用單面電加熱，在焊縫背面布置2層保溫棉進(jìn)行保溫。

（4）焊后熱處理結(jié)束后，熱處理檢驗(yàn)員需要對熱處理曲線上各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢查，核實(shí)所有參數(shù)均在工藝范圍之內(nèi)；同時(shí)也要對外壁的母材、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行硬度檢測（檢測結(jié)果如表3），所測硬度均滿足工藝要求HB≤200。

4 結(jié)束語

通過實(shí)踐表明，壓力容器焊縫返修及焊后熱處理是壓力容器大修的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格按照返修工藝，安排技術(shù)水平高的焊工、經(jīng)驗(yàn)豐富的熱處理工，同時(shí)要求操作人員認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格執(zhí)行工藝紀(jì)律，有效提高返修效率，爭取返修一次性合格，保證使用單位按期試車。

返修過程中的焊后熱處理要慎用，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對需要進(jìn)行焊后熱處理的，編制各項(xiàng)熱處理參數(shù)，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足工藝要求，則表明焊后熱處理達(dá)到了預(yù)期效果。

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