承壓設(shè)備制造中一些問題探討

張圓磊

(威特立創(chuàng)能科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215122)

承壓設(shè)備被廣泛應(yīng)用于石油、石化等行業(yè)，在承壓設(shè)備的設(shè)計、制造過程中存在諸多問題。筆者對承壓設(shè)備制造過程中存在的一些問題進行分析討論，并提出了個人建議。

1 冷成型母材熱處理試件

鋼材冷加工后都會發(fā)生冷作硬化，隨著變形量的增大，材料強度、硬度上升，塑性、韌性下降[1]。在產(chǎn)品制造過程中，零部件成型產(chǎn)生的應(yīng)變會使材料韌性降低，使得設(shè)備部件在使用過程中易發(fā)生非延性失效[2]。GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》[3]中加強了對冷成型受壓元件的質(zhì)量控制要求，相關(guān)規(guī)定內(nèi)容見表1。

表1 GB 150.4—2011中對冷成型受壓元件質(zhì)量控制的相關(guān)規(guī)定

由表1可知，當(dāng)鋼板冷成型受壓元件成型后需進行恢復(fù)性能熱處理時，必須制備母材熱處理試件，且設(shè)計文件應(yīng)對恢復(fù)性能熱處理工藝進行規(guī)定。

1.1 母材恢復(fù)性能熱處理試件制備

GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[4]中沒有明確規(guī)定如何制備母材恢復(fù)性能熱處理試件。通常制備的母材恢復(fù)性能熱處理試件是與其所代表的成型件母材爐批號相同的1塊平板，該平板僅隨冷成型件一起進行了恢復(fù)性能熱處理，并未模擬冷成型工藝給母材力學(xué)性能帶來的惡化情況。低合金鋼在進行去應(yīng)力熱處理或正火熱處理后，一般母材的抗拉強度會降低，沖擊韌性會提高。如果試件最初的力學(xué)性能良好，進行恢復(fù)性能熱處理后性能更佳，或僅是強度降低一些，即使這塊試件的力學(xué)性能合格，也無法證明冷成型件的力學(xué)性能是否得到徹底恢復(fù)，亦不能代表力學(xué)性能惡化的產(chǎn)品在恢復(fù)性能熱處理后的力學(xué)性能也合格。只有在恢復(fù)性能熱處理前使試件與冷成型件遭受相似的力學(xué)性能惡化，恢復(fù)性能熱處理后試件的力學(xué)性能合格，才能證明所代表產(chǎn)品的力學(xué)性能合格。因此，在恢復(fù)性能熱處理前宜先使試件的力學(xué)性能惡化。

1.2 母材恢復(fù)性能熱處理

GB 150.4—2011中要求設(shè)計單位在提供給制造單位的技術(shù)文件中應(yīng)規(guī)定如何進行恢復(fù)性能熱處理。但一般技術(shù)文件中，設(shè)計單位除了規(guī)定可能要進行去應(yīng)力熱處理之外，基本上不會另外規(guī)定恢復(fù)性能熱處理工藝。文獻[5]認為，恢復(fù)性能熱處理通?？梢园碞B/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[6]中表5的規(guī)定進行選擇。但文獻[6]表5規(guī)定的是不同材質(zhì)的消應(yīng)力熱處理溫度，在該溫度下進行熱處理能否完全恢復(fù)母材的力學(xué)性能，是否不管冷成型件變形率多大，只要進行消應(yīng)力熱處理都可以恢復(fù)母材力學(xué)性能，如何證明力學(xué)性能已經(jīng)恢復(fù)，這些問題都有待商榷。文獻[7]中指出，如果僅是進行消除焊接殘余應(yīng)力的焊后熱處理，不需要制備試件。這就說明對母材恢復(fù)性能熱處理試件進行消應(yīng)力熱處理，這樣的母材恢復(fù)性能熱處理試件是沒有必要制備的，即使制備了也達不到GB 150.4—2011控制冷成型受壓元件質(zhì)量的目的。

GB 151—1999《管殼式換熱器》[8]附錄A第4.2.3條規(guī)定，對經(jīng)過熱處理的管材，在進行熱彎或彎曲半徑小于10倍換熱管外徑時的冷彎后，須重新進行與原熱處理工藝相同的熱處理。說明當(dāng)冷成型變形率較大時，僅進行消應(yīng)力熱處理是不能恢復(fù)母材力學(xué)性能的，必須進行與原熱處理工藝相同的熱處理，如正火、固溶熱處理等。GB/T 151—2014《熱交換器》[9]中刪除了此條規(guī)定，也說明將恢復(fù)性能熱處理等同于消應(yīng)力熱處理是不合適的。

ASME BPVC-Ⅲ NCA—2019《核電站部件建造規(guī)范》[10]中規(guī)定，當(dāng)成型變形率大于臨界應(yīng)變率時，應(yīng)進行成型工藝評定。不僅如此，應(yīng)把成型工藝評定得到的材料韌性降低的程度作為補償量附加到材料和焊接材料的采購要求中，以彌補成型應(yīng)變造成的韌性損失[11]。成型工藝評定步驟如下：①根據(jù)文獻[10]給出的公式計算成型件的成型變形率。②通過拉伸或輥卷的方法使材料試塊變形，變形率不得低于成型件的成型變形率。③若成型件需要進行恢復(fù)性能熱處理，應(yīng)對試塊模擬進行相應(yīng)的恢復(fù)性能熱處理。④對試塊進行理化試驗。

因此，筆者認為，母材恢復(fù)性能熱處理試件宜參照文獻[10]中成型工藝評定的方法制備，即先對試件模擬冷成型件的變形，且變形率不得小于其所代表的冷成型件的最大變形率。這樣可以驗證制定的恢復(fù)性能熱處理工藝能否恢復(fù)母材的性能，若無法恢復(fù)，就需對冷成型件進行正火或固溶熱處理等。

2 接管B類焊接接頭無損檢測

當(dāng)承壓設(shè)備的A、B類焊接接頭檢測方法不同時，GB 150.4—2011對接管B類焊接接頭的無損檢測要求見表2。

表2 承壓設(shè)備A、B類焊接接頭檢測方法不同時接管B類焊接接頭無損檢測要求[3]

對于DN<250 mm的接管B類焊接接頭，目前大部分設(shè)計單位并未嚴格按GB 150.4—2011的規(guī)定進行額外的規(guī)定，只有部分設(shè)計單位在設(shè)計圖樣上設(shè)置專欄詳細規(guī)定接管B類焊接接頭的無損檢測要求。當(dāng)設(shè)計單位不進行特別規(guī)定時，如果對設(shè)備主體A、B類焊接接頭要求進行全部射線檢測或者超聲檢測，制造單位一般對此類接管B類焊接接頭僅進行全部磁粉檢測或者滲透檢測；如果設(shè)備主體A、B類焊接接頭要求進行局部射線檢測或超聲檢測，制造單位一般對此類接管B類焊接接頭不進行任何無損檢測。這明顯有悖于GB 150.4—2011中的相關(guān)規(guī)定。筆者認為，由于GB 150.4—2011中修改了對接管B類焊接接頭無損檢測的規(guī)定，因此設(shè)計單位宜在提供給制造單位的技術(shù)文件中明確對DN<250 mm的接管B類焊接接頭的無損檢測要求。

GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[12]第4.3.2條規(guī)定的載荷中可能屬于接管所受外載荷的有：①液柱靜壓力，當(dāng)液柱靜壓力小于設(shè)計壓力的5%時可忽略不計。②法蘭的重力載荷。③風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷。④連接管道和其他部件的作用力。⑤沖擊載荷，包括壓力急劇波動引起的沖擊載荷、流體沖擊引起的反力等。⑥運輸或吊裝時的作用力。

當(dāng)對承壓設(shè)備A、B類焊接接頭進行局部射線檢測或者超聲檢測時，以上載荷是否可以忽略不計，是否認為其屬于接管承受的外載荷，這些問題如果設(shè)計單位不在技術(shù)文件中加以明確，制造單位則很難清楚DN≥250 mm接管B類焊接接頭是否滿足GB 150.4—2011第10.3.2.e)條的規(guī)定。當(dāng)DN≥250 mm的接管不承受外載荷時，GB 150.4—2011未對此類接管B類焊接接頭的檢測做出任何規(guī)定，甚至未提出由設(shè)計單位來制定。筆者認為，設(shè)計單位宜在技術(shù)文件中明確哪些接管承受了外載荷，并規(guī)定DN≥250 mm且不承受外載荷的接管B類焊接接頭的無損檢測要求。

3 預(yù)熱溫度和道間溫度定義

國內(nèi)外一些標(biāo)準(zhǔn)中對焊接時的預(yù)熱溫度和道間溫度的定義有所不同，見表3。

表3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對焊接時預(yù)熱溫度及道間溫度的定義

從表3可以看出，美國標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)最顯著的區(qū)別在于對預(yù)熱溫度的定義，GB/T 18591—2001對預(yù)熱溫度和道間溫度的定義基本上是參考歐洲標(biāo)準(zhǔn)的。

筆者認為，宜按ASME BPVC.Ⅸ—2019中的定義來理解預(yù)熱溫度和道間溫度。比如在進行焊接工藝評定時，若按GB/T 18591—2001理解預(yù)熱溫度，那么僅需記錄第1道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度；而如果按照ASME BPVC.Ⅸ—2019理解預(yù)熱溫度，則必須記錄每道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度。對于雙面焊焊接工藝評定，第1道焊縫金屬可能會部分或全部被清除。不管是NB/T 47014—2011還是ASME BPVC.Ⅸ—2019，都把預(yù)熱溫度比評定合格值降低50 ℃(ASME BPVC.Ⅸ—2019中為55 ℃)作為一個主要變素，即認為預(yù)熱溫度的降低會影響焊接接頭的力學(xué)性能和彎曲性能。若第1道焊縫金屬在清根時被完全清除，那么第1道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度對接頭的力學(xué)性能和彎曲性能將沒有任何作用，此時再把第1道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度當(dāng)成評定的最低預(yù)熱溫度是不合適的。

當(dāng)焊道較長時，1道焊道可能會有多次引熄弧，應(yīng)按焊接工藝規(guī)程(WPS)中對預(yù)熱溫度和道間溫度的要求，控制每次引弧前的瞬時溫度。對于連續(xù)施焊的環(huán)向螺旋焊道，例如接管內(nèi)壁的堆焊焊道，1層只是1道焊縫，但隨著電弧熱的不斷輸入，待堆焊焊道的溫度會不斷升高，甚至達到400 ℃。我公司曾進行過的試驗表明，此時側(cè)彎試驗的試件發(fā)生了直接脆斷。因此焊接時宜時時監(jiān)測待堆焊區(qū)域內(nèi)的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)溫度偏高，應(yīng)采取必要措施使溫度控制在道間溫度要求的范圍內(nèi)。

4 Cr-Mo鋼焊接接頭中間熱處理

對Cr-Mo鋼焊接接頭，尤其是12Cr2Mo1R接頭，若焊后不能立即進行消應(yīng)力熱處理，一般宜立即進行中間熱處理。中間熱處理對Cr-Mo鋼焊接接頭有3種作用：①降低焊接接頭的最大殘余應(yīng)力。由于焊接加熱不均勻，焊接結(jié)構(gòu)在焊后存在一定的殘余應(yīng)力，若焊縫中有小裂紋，殘余應(yīng)力較大時容易使裂紋擴大[18]。②去除焊縫中的氫，避免產(chǎn)生冷裂紋。一般對焊接接頭進行620 ℃×2 h的中間熱處理后，可以極大降低焊縫金屬中的擴散氫含量。③部分恢復(fù)焊縫的沖擊韌性，提高焊縫的抗裂能力。2.25Cr-1Mo焊縫在焊態(tài)下的沖擊韌性很差，中間熱處理可以部分恢復(fù)焊縫的沖擊韌性。

對于需要進行中間熱處理的設(shè)備，技術(shù)文件中通常會要求必須在爐內(nèi)進行中間熱處理。但此規(guī)定大多數(shù)制造單位無法做到，或者需要投入更高的成本才能做到。部分制造單位為了滿足此規(guī)定，通常會在接頭焊接完畢后先用電加熱方式對焊接接頭進行局部中間熱處理，待完成一部分筒節(jié)中間熱處理后，再進行一次爐內(nèi)中間熱處理。這種做法達不到中間熱處理的最佳效果，用局部電加熱進行中間熱處理甚至可能產(chǎn)生不良影響，比如產(chǎn)生不可接受的變形，而且往往也達不到降低接頭最大殘余應(yīng)力的目的。最后再進行的爐內(nèi)中間熱處理也沒有太大的必要性，甚至可以最后一起進行最終焊后熱處理。文獻[19]雖然用試驗證明可以用局部電加熱方法對B類焊接接頭進行熱處理，但試驗僅證明了試件的力學(xué)性能是合格的，對于實際產(chǎn)品焊接接頭殘余應(yīng)力的分布情況則很難用試件來證明。除球形封頭與筒體的A類焊接接頭外，GB 150.4—2011中規(guī)定不允許對A類焊接接頭進行局部熱處理，因此也不宜對A類焊接接頭進行局部中間熱處理。API TR 934-B—2011《Fabrication Considerations for Vanadium-modified Cr-Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels》[20]中也指出，當(dāng)無法在爐內(nèi)進行中間熱處理時，宜對焊縫進行消氫處理。

5 預(yù)焊接工藝規(guī)程

預(yù)焊接工藝規(guī)程(pWPS)是為進行焊接工藝評定所擬定的焊接工藝文件，一份完整的pWPS應(yīng)包括所采用的每一種焊接方法，所有的通用焊接因素以及專用焊接因素中的重要因素、補加因素和次要因素[21]。但是如何評定pWPS，目前尚缺少統(tǒng)一的指導(dǎo)原則。通常編制的pWPS基本與產(chǎn)品WPS相同，若根據(jù)pWPS焊接的試件評定合格，是否就可以證明整個pWPS的焊接規(guī)范是合格的，這仍然值得探討。采用pWPS中某一范圍焊接線能量焊接的試板性能合格，就認為整個焊接線能量范圍都合格，顯然不合理。焊接工程師在編制pWPS時，需要考慮預(yù)熱溫度、道間溫度、線能量和其他因素對焊接接頭性能的影響，有針對性地對某些因素進行規(guī)定，以達到使評定覆蓋范圍盡可能廣和施焊更容易控制的目的。特別是當(dāng)焊接工程師無法親自指導(dǎo)評定施焊時，其他人員能否正確理解焊接工程師的評定意圖，pWPS就顯得尤為重要。因此筆者認為，用于指導(dǎo)焊接工藝評定的pWPS和用于指導(dǎo)生產(chǎn)的WPS應(yīng)該是不同的。

6 結(jié)語

對承壓設(shè)備制造中產(chǎn)生的問題進行了討論，并提出個人建議：①冷成型恢復(fù)性能熱處理宜模擬冷成型對母材性能的惡化過程，當(dāng)消應(yīng)力熱處理無法恢復(fù)母材的力學(xué)性能時，應(yīng)采用相應(yīng)的熱處理來恢復(fù)冷成型件的性能。②設(shè)計單位宜在技術(shù)文件中明確接管B類焊接接頭的無損檢測要求。③宜按ASME規(guī)范對預(yù)熱溫度和道間溫度的定義來理解預(yù)熱溫度和道間溫度，并注意其對焊接工藝評定及產(chǎn)品焊接質(zhì)量控制帶來的影響。④Cr-Mo鋼焊接接頭的中間熱處理宜在爐內(nèi)進行，當(dāng)無法在爐內(nèi)進行時，宜改用消氫處理。⑤指導(dǎo)工藝評定焊接的pWPS與指導(dǎo)生產(chǎn)的WPS應(yīng)該是不同的，在編制時要有針對性。