不銹鋼壓力容器封頭缺陷問題及處理措施研究

朱振民

摘 要：文章對不銹鋼壓力容器封頭的基本情況進(jìn)行介紹，從加工工藝、使用材料以及缺陷部位上，指出不銹鋼封頭缺陷問題發(fā)生時(shí)的主要特點(diǎn)，并深入分析了不銹鋼壓力容器封頭缺陷的主要產(chǎn)生原因及處理辦法，提出預(yù)防不銹鋼壓力容器封頭出現(xiàn)問題的有效策略，并就現(xiàn)行的壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出一些修改意見，以期促進(jìn)不銹鋼壓力容器封頭質(zhì)量的提升，為壓力容器制造企業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;壓力容器封頭;處理措施;研究

引言：壓力容器封頭的質(zhì)量是直接關(guān)系到壓力容器安全性和使用壽命的重要部件，不銹鋼具有的耐腐蝕、耐高溫、耐低溫的天然材質(zhì)特性，加之良好的力學(xué)和工藝表現(xiàn)，在壓力容器封頭制作中被廣泛應(yīng)用[1]。但是近年來不時(shí)出現(xiàn)不銹鋼壓力容器封頭缺陷問題，對壓力容器以及相關(guān)制造公司和使用者造成相當(dāng)大的困擾，因此對不銹鋼壓力容器封頭缺陷問題及處理措施進(jìn)行研究是十分必要的。

1 不銹鋼壓力容器封頭的基本情況介紹

壓力容器封頭（ 以下簡稱“封頭”） ，是壓力容器的主要受壓元件。其質(zhì)量的高低之間影響到壓力容器的安全，因此，對于壓力容器頸部或頭部生產(chǎn)企業(yè)的進(jìn)行必要的質(zhì)量控制是非常重要的[2]。不銹鋼具有抗腐蝕性、抗高溫耐低溫等特性，備受壓力容器制造行業(yè)的青睞，受到行業(yè)內(nèi)部的廣泛認(rèn)可。

2 不銹鋼壓力容器封頭缺陷問題的主要特點(diǎn)

2.1 在加工工藝上

在加工工藝上，出現(xiàn)缺陷問題的不銹鋼壓力容器封頭都采用的是室溫下的冷成形工藝，雖然在具體種類上有所不同，例如，有的是采用冷沖壓成形，有的則是使用冷旋壓成形，但均屬于冷成形的范疇[3]。所謂冷成形，是指在結(jié)晶溫度以下，對工件材料進(jìn)行的塑性變形加工。冷成形的范圍比較廣，一些工程中環(huán)境溫度下的塑性變形加工，以及部分文獻(xiàn)中的“溫成形”也都是冷成形的范疇。

2.2 在使用材料上

出現(xiàn)缺陷問題的不銹鋼壓力容器中，采用的材料屬于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，具體包括304，304L 或321 不銹鋼。奧氏體不銹鋼是基體以奧氏體組織為主、無磁性、主要通過冷加工使其強(qiáng)化的一類不銹鋼[4]。由于其自身的穩(wěn)定性比較強(qiáng)而被廣泛使用，在奧氏體不銹鋼的范圍之下，又有諸多種類，根據(jù)穩(wěn)定性的高低，可以將其具體可以分為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼和穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼在塑性變形時(shí)部分奧氏體組織較容易轉(zhuǎn)變成馬氏體組織。與穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼相比，在性能上比較落后。而出現(xiàn)缺陷問題的不銹鋼材料都是亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。

2.3 在缺陷部位上

封頭缺陷位置大多處于于直邊段、過渡區(qū)或拼接焊縫熱影響區(qū)，這部分區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)比較不穩(wěn)定，屬于奧氏體與馬氏體共存組織[5]。其中封頭中受力和變形最大的區(qū)域就是直邊段。其次就是過渡區(qū)，受力和變形最小的就是頂部的曲面。在拼接焊縫熱影響區(qū)，由于受影響最愛，這部分焊縫兩側(cè)固態(tài)母材組織和性能變化顯著，因此往往容易出現(xiàn)一些缺陷問題。

3 不銹鋼壓力容器封頭缺陷的主要產(chǎn)生原因及處理辦法

3.1 冷變形強(qiáng)化導(dǎo)致的封頭缺陷

奧氏體不銹鋼的強(qiáng)化處理只能通過冷加工的形式進(jìn)行，所謂冷變形強(qiáng)化就是借助低溫使得金屬產(chǎn)生塑性變形[6]。在低溫變形的過程中，隨著變形量增加，金屬的硬度和強(qiáng)度升高、塑性和韌性下降。奧氏體不銹鋼壓力容器封頭在冷加工的過程中，材料內(nèi)部也會產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形，并且，材料晶體也會隨著產(chǎn)生相應(yīng)的滑移和孿生，這就使得晶格的位錯(cuò)缺陷進(jìn)一步曾慶，并且隨著變形量的不斷提升，位錯(cuò)密度也逐漸加強(qiáng)。由于位錯(cuò)間的相互作用，使得材料硬度和強(qiáng)度提升，同時(shí)材料塑性和韌性降低，但是當(dāng)塑性變形到達(dá)一定程度時(shí)，就會產(chǎn)生封頭開裂缺陷。

3.2 馬氏體相變造成的封頭缺陷

馬氏體相變是指替換原子無擴(kuò)散切變（ 原子沿相界面作協(xié)作運(yùn)動(dòng)） ，使其形狀發(fā)生改變的一級、形核——長大型相變。根據(jù)馬氏體相變理論可知，當(dāng)溫度處于馬氏體點(diǎn)以上，并且在形變誘發(fā)馬氏體相變臨界溫度以下時(shí)，奧氏體不銹鋼的塑性變形就會產(chǎn)生馬氏體相變。其結(jié)果就是，一些面心立方的奧氏體組織會轉(zhuǎn)變成應(yīng)變誘發(fā)馬氏體組織。馬氏體組織可以進(jìn)一步分為α'相馬氏體，以及ε 相馬氏體兩種。而奧氏體不銹鋼的工藝溫度正處于馬氏體相變的條件溫度之下，于是在制作中，尤其是應(yīng)用亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行制作中，其中的部分奧氏體組織容易轉(zhuǎn)變成馬氏體，并且隨著變形量的不斷提升，相應(yīng)的馬氏體轉(zhuǎn)變量也逐漸增大。而馬氏體組織相較于奧氏體組織更硬、更脆，并且兩種不同特性的組織工作，使得，冷成形后的奧氏體不銹鋼封頭材料內(nèi)部極易形成顯微裂紋，進(jìn)而造成封頭缺陷。

3.3 腐蝕環(huán)境的影響以及開平板的使用下的封頭缺陷

馬氏體腐蝕電位比奧氏體腐蝕電位低。并且當(dāng)兩者共同存在于腐蝕環(huán)境下時(shí)，馬氏體會作為為陽極，奧氏體作為陰極，兩者之間能進(jìn)一步形成腐蝕微電偶對。這種腐蝕微電偶對極易造成點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕，使得奧氏體不銹鋼內(nèi)部更容易受到影響，提升電偶腐蝕、點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性。

開平板是卷形鋼帶在室溫環(huán)境下經(jīng)過開卷、校平、剪切而成的鋼板，開平板在使用的過程中，壓力容器和封頭制造企業(yè)能夠自由的裁定選擇的長度，因而能夠節(jié)省材料、節(jié)省開支，進(jìn)而廣受人們的青睞。但是，開平板在使用的過程中，需要在固溶處理后，進(jìn)行鋼帶成卷和開平操作等反復(fù)冷加工變形，于是使得其在力學(xué)性能的表現(xiàn)上不及軋制鋼板出眾。就不銹鋼壓力容器封頭的使用情況而言，使用開平板成形的封頭，與使用軋制鋼板成形的封頭相比，缺陷問題格外突出，這種現(xiàn)象的原因主要是使用開平板成形后，斷后伸長率出現(xiàn)降低、材料延性下降，因此在使用開平板時(shí)，需要對其力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，才能進(jìn)一步出品。但是在實(shí)際的制作過程中，一些企業(yè)或制作人員對于力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果中的硬度指標(biāo)沒有給予足夠的重視，即使出現(xiàn)了硬度指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)要求值的情況也視若無睹，于是，這些硬度較高的奧氏體不銹鋼開平板，在應(yīng)用于不銹鋼壓力容器封頭時(shí)，就極易造成封頭缺陷。

3.4 不銹鋼壓力容器封頭缺陷的主要處理辦法

當(dāng)不銹鋼壓力容器封頭出現(xiàn)缺陷問題時(shí)，需要對封頭進(jìn)行重新制作，一些企業(yè)為了避免開裂再次發(fā)生，會將重新制作的不銹鋼封頭在完成冷成形處理后，就立即作恢復(fù)材料性能熱處理。也就是進(jìn)行不銹鋼的固溶處理。通過將奧氏體不銹鋼加熱至適當(dāng)溫度并保溫，通過過剩相充分在固溶體中實(shí)現(xiàn)充分的溶解，并進(jìn)行快速冷卻，進(jìn)而得到單一奧氏體組織。這里需要注意的是，在進(jìn)行制作時(shí)，需要制備一些的試件，通過對試件的測試、評定判斷工藝的可行與否。并且對于部分要求比較高，需要耐腐蝕的壓力容器封頭，在熱處理前應(yīng)清除污物及有害雜質(zhì)，在熱處理后應(yīng)作酸洗、鈍化處理。

4 預(yù)防不銹鋼壓力容器封頭出現(xiàn)問題的有效策略

4.1 在材料的使用上

根據(jù)上文的分析可以知道，穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼比亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此，在進(jìn)行冷成形時(shí)應(yīng)該盡可能的選擇性能更好、穩(wěn)定性更強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。并且要慎用開平板。在使用開平板時(shí)，需要注意必須對其力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)檢，其中任何一項(xiàng)力學(xué)性能的指標(biāo)出現(xiàn)不符，就不能繼續(xù)進(jìn)行冷成形封頭的制作。

4.2 在工藝的制作上

對于煉鋼、鋼帶開平、封頭制造企業(yè)來說，要提升各自的鋼帶成卷、鋼帶開平和封頭冷成形加工工藝，使得不銹鋼壓力容器封頭制作過程中盡可能的減少馬氏體轉(zhuǎn)變，提升不銹鋼壓力容器封頭制作的質(zhì)量，更好的保障不銹鋼壓力容器的安全性。在條件允許的情況下，可以應(yīng)用溫成形工藝。

4.3 在成形的溫度控制上

在封頭的冷成形工藝的處理上，其溫度的可以比室溫高，但是不能超過150 ℃，研究證明，通過提升成形工藝中的溫度，能夠極大的降低奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相的數(shù)量，進(jìn)而能夠降低變形引起的塑性下降幅度。另外，針對不銹鋼壓力容器封頭中出現(xiàn)缺陷的部位往往是直邊段、過渡區(qū)、拼接焊縫和焊縫熱影響區(qū)等部位的情況，在制作中，應(yīng)對這些部分格外關(guān)注，并認(rèn)真測量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中的組織變化較大時(shí)，就要對其材料進(jìn)行恢復(fù)性能的熱處理。

5 關(guān)于壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修改建議

在預(yù)防不銹鋼壓力容器封頭出現(xiàn)問題的有效策略中，其中對組織變化情況進(jìn)行及時(shí)測量十分重要。通過及時(shí)、準(zhǔn)確的測量，能夠判斷出是否需要進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理。這也是根據(jù)2016 年10 月開始實(shí)施的TSG 21—2016《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程（ 含修訂說明）》的一項(xiàng)新增要求，其中指出在一定情況下，要對受壓元件進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理。這項(xiàng)新增要求真正抓住了冷成形對材料性能影響的本質(zhì)，但是在執(zhí)行過程中，在操作層面上比較空，沒有實(shí)現(xiàn)具體的、切實(shí)可行的要求，雖然與原先的條例相比具有很大的進(jìn)步，但是仍存在一定的缺陷。并且奧氏體不銹鋼冷模的恢復(fù)特性除了要考慮材料的熱處理之外，還要考慮到相應(yīng)的材料變形、氣候變化、外界因素、變形速率、塑性變形等情況，想要實(shí)現(xiàn)對變形量的控制，需要進(jìn)一步提升標(biāo)準(zhǔn)，并且要在標(biāo)準(zhǔn)中將恢復(fù)材料性能熱處理的條件進(jìn)一步明確。例如，將設(shè)計(jì)溫度控制在低于- 100 ℃或高于675 ℃時(shí)，將原先的變形量控制值由15%減小為10%，并且對于直邊段、過渡區(qū)、拼接焊縫和焊縫熱影響區(qū)等重點(diǎn)部位的組織變化情況進(jìn)行細(xì)化規(guī)定，提升質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，更好的促進(jìn)壓力容器和封頭制造企業(yè)提升制作質(zhì)量，最大程度上減少或避免不銹鋼壓力容器封頭產(chǎn)生缺陷。

小結(jié)：不銹鋼壓力容器封頭的制作質(zhì)量，與壓力容器的安全性密切相關(guān)，不僅涉及到相關(guān)企業(yè)的銷量與經(jīng)濟(jì)利潤，更是關(guān)系到安全性的重要問題。對于壓力容器和封頭制造企業(yè)來說，要提升質(zhì)量會議，加強(qiáng)質(zhì)量把控，不斷進(jìn)行工藝的提升與技術(shù)創(chuàng)創(chuàng)新，對于不銹鋼壓力容器封頭缺陷問題及時(shí)的發(fā)現(xiàn)、處理，正視、重視問題，不斷提升產(chǎn)品的安全性能。

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