容器制造監檢對在用容器應力腐蝕的影響探討

吳凱飛 謝力民

摘要：本文簡要分析了在壓力容器制造過程中產生應力的原因，針對應力產生的不同環境提出如何有效消除應力的具體方法，從而確保在用壓力容器的安全性能達到一個較高的水平。

關鍵詞：焊后熱處理;應力腐蝕;退火

一、問題的提出

壓力容器在制造過程中，將帶來以下問題：由于過量的冷卷、冷矯形等冷加工引起的冷作硬化。由于焊接引起的焊縫區組織和性能的變化。由于焊接產生殘余應力以及由此而導致的應力腐蝕裂紋的產生和發展。

壓力容器焊接時，當母材相鄰區域產生一溫差大于100度的急劇溫度梯度時，在鐵素體鋼或相當的其他材料中引起不均勻的塑性應變，而在隨后的冷卻過程中，將產生一個峰值應力達到屈服點的殘余應力場。

另外，由于壓力容器制造過程中的不均勻塑性應變導致在彈性-塑性材料中產生殘余應變，而殘余應變可以是來自機械的（主要是冷卷、冷矯形等冷加工），熱力的（主要是焊接過程產生的），或者兩者兼有的原因，也就是熱機械的原因。

因此，在壓力容器加工完成的最終產品中將留下殘余彈性應變場，并承受相應的彈性殘余應力。殘余應力的存在，將影響壓力容器的使用性能。為了消除焊接區峰值應變，達到內應變均勻分布這一目的，可以采取多種方法，如機械震動法、焊后加熱法等。然而，由于壓力容器中許多潛在的問題主要來自焊縫區的冶金損傷，所以，采用機械方法以降低內應變的手段已經不足以預防日后運行過程中可能出現的諸多問題。另外，金屬的氫脆現象已經比較為人們所關注。氫進入鋼以后，機械性能會發生明顯的變壞。強度和塑性明顯降低，溶解于金屬晶格中的氫，使鋼在緩慢變形時發生脆性破壞。金屬材料中的氫可以是在金屬材料生產工藝過程中吸收的，如金屬在焊接時液態金屬吸收的氫保留在焊縫中，也可能是材料在氫環境中服役吸收的氫。對于焊縫中吸收的氫，比較有效的消除方法就是進行焊后熱處理，它既可以達到松弛和緩和焊接殘余應力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接熱影響區，提高焊縫金屬的延性和斷裂韌性，也可以使焊接區及四周的氫等有害氣體擴散逸出。

壓力容器采用的熱處理方法有兩類：一類為改善機械性能的熱處理，一類為焊后熱處理（PWHT）。

廣義的說，焊后熱處理就是在工件焊完之后對焊接區域或焊接構件進行的熱處理。其內容包括消除應力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、回火、低溫消除應力、析出熱處理等。狹義的說，焊后熱處理僅指消除應力退火，即為了改善焊接區的性能和消除焊接殘余應力等有害影響，從而對焊接區及有關部位在金屬相變溫度點以下均勻而有充分地加熱，然后又均勻冷卻的過程。許多情況下所討論的焊后熱處理實質上就是焊后消除應力熱處理。

二、焊后熱處理（簡稱PWHT）的目的

焊后熱處理的目的有：

1、松弛焊接殘余應力

2、穩定結構的外形和尺寸，減少畸變

3、改善母材、焊接區的性能，包括a.提高焊縫金屬的塑性，b.降低熱影響區硬度，c.提高斷裂韌性，d.改善疲憊強度，e.恢復或提高冷成型中降低的屈服強度

4、提高抗應力腐蝕的能力

5、進一步釋放焊縫金屬中的有害氣體，尤其是氫，防止延遲裂紋的發生

三、PWHT必要性的判定

壓力容器有無焊后熱處理的必要，在設計上應加以明確規定，現行的壓力容器設計規范對此有要求。

焊制的壓力容器，焊接區存在著較大的殘余應力，而殘余應力的不利影響，在一定的條件下才表現出來。當殘余應力與焊縫中的氫相結合時，將促使熱影響區硬化，導致冷裂紋和延遲裂紋的產生。殘存在焊縫中的靜應力或負載運行中的動載應力與介質的腐蝕作用相結合時，將有可能引起裂紋狀腐蝕，即所謂應力腐蝕。焊接殘余應力及由焊接引起的母材淬硬是產生應力腐蝕裂紋的重要因素。研究結果表明，變形和殘余應力對金屬材料的主要影響，在于使金屬從均勻腐蝕轉變為局部腐蝕，即轉變為晶間或穿晶腐蝕。當然，金屬的腐蝕破裂和晶間腐蝕均出現在對該金屬具有一定特性的介質中。

在殘余應力存在的情況下，根據侵蝕性介質的成分、濃度和溫度的不同，以及母材與焊接區的成分、組織、表面狀態、應力狀態等存在的差異而有所不同，從而，使腐蝕破壞的性質可能改變。

焊接的壓力容器是否需要做焊后熱處理，應從容器的用途、尺寸（特別是壁板厚度），所用材料的性能以及工作條件等方面綜合考慮決定。有下列情況之一的，應考慮焊后熱處理：

1、使用條件苛刻，如在低溫下工作有發生脆性斷裂危險的厚壁容器，承受較大載荷和交變載荷的容器。

2、厚度超過一定限度的焊制壓力容器。包括鍋爐、石油化工壓力容器等有專門規程、規范的。

3、對尺寸穩定性較高的壓力容器。

4、由淬硬傾向大的鋼材制造的容器。

5、有應力腐蝕開裂危險的壓力容器。

6、其他有專門規程、規范以及圖樣予以規定的壓力容器。

在鋼制焊接壓力容器中，在靠近焊縫的區域內形成達到屈服點的殘余應力。這種應力的產生與伴有奧氏體的組織轉變有關。許多研究者指出，為了消除焊后的殘余應力，650度的回火對鋼制焊接壓力容器能產生良好的影響。同時認為，假如在焊后不進行適當的熱處理，就始終不能得到耐腐蝕的焊接接頭。

一般認為，消除應力熱處理屬于焊接工件被加熱到500-650度而后再緩慢冷卻的過程。應力的降低起因于高溫下的蠕變，在碳鋼中從450度開始出現：在含鉬的鋼中，從550度開始出現。溫度越高，應力越易于消除。但是一旦超過鋼材的原始回火溫度，鋼的強度便要降低。所以消除應力的熱處理一定要把握好溫度和時間兩個要素，缺一不可。

然而在焊件內應力中，總是伴生著拉伸應力與壓縮應力，應力與彈性變形同時存在。當鋼材的溫度升高，屈服強度下降，原有的彈性形變會變成塑性形變，從而是應力松弛。加熱溫度越高，內應力消除越充分。但溫度過高時將使鋼材表面嚴重氧化。

消除內應力的焊后熱處理溫度越高，鋼材軟化程度越大，通常加熱到鋼材的再結晶溫度，內應力就可消除，再結晶溫度與熔化溫度有密切關系。一般地，再結晶溫度K=0.4X熔化溫度（K）。熱處理溫度越接近再結晶溫度，消除殘余應力越有效。

結語

焊后熱處理并非是絕對有利的。一般情況下，焊后熱處理有利于緩和殘余應力，并對應力腐蝕有嚴格要求的情況下才進行。但是，試件的沖擊韌性試驗表明，焊后熱處理對熔敷金屬和焊接熱影響區的韌性提高不利，有時在焊接熱影響區的晶粒粗化范圍內還可能發生晶間開裂。再則，PWHT是依靠在高溫下材料強度的降低來實現消除應力的，因此，在PWHT時，結構有可能失去剛性，對于采取整體或局部PWHT的結構，熱處理前，必須考慮焊件在高溫下的支承能力。所以，在考慮是否進行焊后熱處理時，應將熱處理的有利和不利兩個方面綜合比較。從結構性能上來看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，應在綜合考慮兩方面的基礎工作上做出合理的判定。