碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器熱處理質(zhì)量控制

王久平 盧仲海 文成 劉建國

摘 要：本文通過對熱處理后碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器質(zhì)量問題的分析，提出薄壁容器熱處理質(zhì)量控制。碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中常用到的壓力容器之一，而對其進(jìn)行消應(yīng)力熱處理是在壓力容器制造過程中通用的消除焊接殘余應(yīng)力工藝之一，也是保證壓力容器使用年限的重要手段。在碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器熱處理過程中，薄壁容器熱處理的質(zhì)量控制對壓力容器的外觀、設(shè)備的使用都有重大影響。薄壁容器熱處理后發(fā)生變形，硬度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，直接提高了生產(chǎn)成本，增加了安全隱患，給公司帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和聲譽(yù)影響。通過現(xiàn)場調(diào)研、查閱資料、會議討論、實際試驗等方法，提出在熱處理前準(zhǔn)備和熱處理工藝等方面進(jìn)行薄壁容器熱處理質(zhì)量控制，來提高薄壁容器熱處理的質(zhì)量，保證熱處理后設(shè)備達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：熱處理;質(zhì)量控制;變形;硬度

一、前言

碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器是在工業(yè)廣泛應(yīng)用的通用工藝壓力容器設(shè)備，由于碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器在制造過程中，要進(jìn)行各種焊接作業(yè)，在制造完成后，某些特殊環(huán)境或特殊介質(zhì)的薄壁設(shè)備就要求進(jìn)行焊后消應(yīng)力退火熱處理。而消應(yīng)力熱處理的質(zhì)量好壞，直接決定了設(shè)備的外觀質(zhì)量和設(shè)備殘余應(yīng)力消除的質(zhì)量。如果對薄壁容器熱處理質(zhì)量不進(jìn)行嚴(yán)格控制，不但影響設(shè)備的使用年限，還會造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

以往公司有不少碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器在焊接完成后進(jìn)行消應(yīng)力退火，但在熱處理后產(chǎn)生了筒體內(nèi)凹、筒體橢圓度超標(biāo)以及熱處理后焊縫局部硬度超標(biāo)的問題，直接增加了生產(chǎn)和維修費(fèi)用，給公司帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。采取現(xiàn)場調(diào)研、查閱資料、會議討論和現(xiàn)場試驗等方法，找出消應(yīng)力熱處理后設(shè)備存在的問題，確定熱處理前的預(yù)防措施、熱處理過程的工藝要求，以加強(qiáng)碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器熱處理質(zhì)量控制，保證設(shè)備熱處理質(zhì)量。

二、問題分析

1.熱處理后容器變形問題

以Q345R材質(zhì)的薄壁容器為例，壁厚為12mm，直徑為Φ2000mm的壓力容器，根據(jù)NB/T47015-2011和焊接工藝評定的要求，熱處理工藝恒溫溫度為600～650℃，恒溫時間0.5～1.0小時，升溫速度55～220℃/小時，降溫速度55～280℃/小時.

在設(shè)備熱處理過程中，當(dāng)設(shè)備的溫度升高，鋼材的屈服強(qiáng)度下降，設(shè)備焊接時產(chǎn)生的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩购附訒r產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得到釋放，加熱溫度越高，內(nèi)應(yīng)力消除越充分。但是在高溫下，設(shè)備強(qiáng)度下降，基于設(shè)備自重和支撐不當(dāng)?shù)仍?，?jīng)常在熱處理完成后出現(xiàn)容器橢圓度超標(biāo)以及筒體內(nèi)凹的問題。根據(jù)GB/T150-2011的要求，容器橢圓度應(yīng)為≤20mm，根據(jù)GB/T151-2014的要求，設(shè)備橢圓度應(yīng)≤12mm，而實際熱處理后，此設(shè)備橢圓度超過25mm，完全達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，減緩設(shè)備后續(xù)制造進(jìn)度。

經(jīng)過我們現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，此設(shè)備橢圓度超標(biāo)主要存在以下幾個位置：

1.設(shè)備上有D≥300mm的接管，并且此接管帶補(bǔ)強(qiáng)圈，在熱處理時接管處未進(jìn)行支撐的地方。

2.設(shè)備直徑大，并且長度超過2500mm以上，設(shè)備中間位置在熱處理前未進(jìn)行支撐，熱處理時造成變形，橢圓度超標(biāo)。

3.設(shè)備在熱處理前擺放不當(dāng)，支撐設(shè)備的位置不合適，造成設(shè)備熱處理后支撐位置出現(xiàn)內(nèi)凹。

4.不帶鞍座的立式設(shè)備在熱處理時只用工字鋼進(jìn)行支撐的位置，以及立式設(shè)備未進(jìn)行支撐的裙座底座環(huán)。

2.熱處理后容器硬度超標(biāo)

我公司采用規(guī)格為25000×5000×5000mm的干氣加熱爐進(jìn)行消應(yīng)力退火熱處理，容器在熱處理后，進(jìn)行硬度檢測時會出現(xiàn)焊縫硬度局部超標(biāo)的問題。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查以及討論，發(fā)現(xiàn)鋼板原材料硬度符合要求，在薄壁容器卷圓、焊接、熱處理后，其母材與熱影響區(qū)硬度符合要求，僅焊縫硬度不合格。

針對這一問題，我們對設(shè)備進(jìn)行了二次消應(yīng)力退火熱處理，完成后再次進(jìn)行硬度檢測，焊縫硬度合格。通過認(rèn)真分析研究一次熱處理（圖2.2.1）和二次熱處理（圖2.2.2）的曲

線，圖中橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表溫度。繼而發(fā)現(xiàn)由于升溫速度和降溫速度的不同，導(dǎo)致消應(yīng)力退火后薄壁容器焊縫硬度局部不達(dá)標(biāo)。

在研究具體的加熱過程，發(fā)現(xiàn)加熱爐在熱處理時通過火焰加熱來控制升溫、降溫速度，在設(shè)備熱處理時由于爐膛空間大，升溫、降溫速度過快，就會造成爐膛內(nèi)環(huán)境溫度不均勻，最終導(dǎo)致設(shè)備受熱不均勻，造成容器焊縫硬度超標(biāo)。硬度超標(biāo)的設(shè)備，就需要重新進(jìn)行消應(yīng)力退火，以保證設(shè)備的硬度要求達(dá)標(biāo)。

三、實施對策

針對碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器熱處理出現(xiàn)的問題，通過組織相關(guān)熱處理人員討論、查閱資料以及現(xiàn)場試驗等方式，制定了以下的解決措施。

1.熱處理前的支撐與擺放

對于筒體直徑D≤800mm帶有D≥300mm的接管并含補(bǔ)強(qiáng)圈的薄壁容器，在熱處理時應(yīng)在容器內(nèi)部對接管焊縫部位進(jìn)行支撐，來保證熱處理時接管焊縫部位筒體不發(fā)生變形，影響筒體橢圓度。我們利用筒體開孔時余料的橢圓板和廢料Φ89mm的接管進(jìn)行支撐，支撐接管兩端必須留一端不能點(diǎn)焊，以免造成熱處理時由于接管變形而拉扁筒體。當(dāng)筒體直徑≥800mm時，在擺放設(shè)備時，近可能將大直徑接管旋轉(zhuǎn)到設(shè)備最下端，再用耐火磚將接管進(jìn)行支撐，若無法全部旋轉(zhuǎn)到設(shè)備最下端時，將大接管旋轉(zhuǎn)到設(shè)備中下端，再用耐火磚將接管支撐。通過對近幾年熱處理設(shè)備的情況總結(jié)，在筒體直徑≥1500mm時，還應(yīng)對容器薄壁容器內(nèi)部進(jìn)行支撐，支撐用圓弧板進(jìn)行支撐，并且每間隔1500～2000mm進(jìn)行支撐，如圖3.1.1所示。

對于無鞍座的立式容器，除以上措施外，還應(yīng)在熱處理擺放時用自制的與筒體直徑相近尺寸的鞍座進(jìn)行支撐，支撐位置盡量靠近兩側(cè)封頭位置和筒體焊接加強(qiáng)圈的位置，來保證熱處理后筒體的橢圓度。對立式設(shè)備裙座的底座環(huán)，我們在熱處理前進(jìn)行“十字”或“米字”支撐加固（圖3.1.2），保證其橢圓度”。

2.熱處理時工藝控制

用干氣加熱爐進(jìn)行碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器消應(yīng)力退火時，為解決熱處理后焊縫硬度局部超標(biāo)的問題，做了專門的試驗。以厚度為12mm、直徑為800的筒體為例，其他熱處理條件不變，將其升溫速度分為55℃/小時、138℃/小時、220℃/小時三個速度，然后將降溫速度分為55℃/小時、168℃/小時、280℃/小時三個速度，分別進(jìn)行熱處理，其后對焊縫進(jìn)行硬度測試，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，Q345R消應(yīng)力退火熱處理后其硬度HB≤200，試驗結(jié)果如下表3.2.1所示。

由表可以看出，薄壁容器在消應(yīng)力退火時升溫速度和降溫速度過快時，干氣加熱爐爐膛內(nèi)環(huán)境溫度不均勻，造成容器受熱不均勻，從而導(dǎo)致容器在熱處理完成后設(shè)備硬度局部未達(dá)到要求，造成設(shè)備的二次局部熱處理。針對這一問題，我們總結(jié)以往經(jīng)驗，經(jīng)過多次重復(fù)熱處理的試驗，總結(jié)確定出公司干氣加熱爐碳鋼和低合金鋼薄壁容器消應(yīng)力退火的升溫速度及降溫速度，如表3.2.2所示。

同時，此干氣加熱爐為可調(diào)節(jié)爐膛體積的加熱爐，當(dāng)小直徑、小體積的薄壁容器進(jìn)行消應(yīng)力熱處理時，應(yīng)盡量減小爐膛體積，在合適的升溫、降溫速度下，保證設(shè)備均勻受熱。

在上述措施的實施下，保證了薄壁容器的熱處理質(zhì)量，見圖4.1與表4.1所示。

四、總結(jié)

近幾年來我公司制造的薄壁容器，熱處理后再未出現(xiàn)過筒體橢圓度超標(biāo)和硬度超標(biāo)的問題。提前做好碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器熱處理的支撐、合理擺放位置及熱處理過程的工藝控制工作，就能減少后續(xù)的維修以及重復(fù)消應(yīng)力退火的問題，不但降低了設(shè)備制造的成本，同時節(jié)省了工期，贏得了市場。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T150-2011《壓力容器》

[2]GB/T151-2014《熱交換器》

[3]NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》