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，而對其進行消應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，硬度達不到標準要求，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)濟損失和聲譽影響。通過現(xiàn)場調(diào)研、查閱資料、會議討論、實際試驗等方法，提出在熱處理前準備和熱處理工藝等方面進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)備達到標準要求。

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)備就要求進行焊后消應力退火熱處理。而消應力熱處理的質(zhì)量好壞，直接決定了設(shè)備的外觀質(zhì)量和設(shè)備殘余應力消除的質(zhì)量。如果對薄壁容器熱處理質(zhì)量不進行嚴格控制，不但影響設(shè)備的使用年限，還會造成嚴重的質(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行消應力退火，但在熱處理后產(chǎn)生了筒體內(nèi)凹、筒體橢圓度超標以及熱處理后焊縫局部硬度超標的問題，直接增加了生產(chǎn)和維修費用，給公司帶來較大的經(jīng)濟損失。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，找出消應力熱處理后設(shè)備存在的問題，確定熱處理前的預防措施、熱處理過程的工藝要求，以加強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，當設(shè)備的溫度升高，鋼材的屈服強度下降，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)生的殘余應力得到釋放，加熱溫度越高，內(nèi)應力消除越充分。但是在高溫下，設(shè)備強度下降，基于設(shè)備自重和支撐不當?shù)仍颍?jīng)常在熱處理完成后出現(xiàn)容器橢圓度超標以及筒體內(nèi)凹的問題。根據(jù)GB/T150-2011的要求，容器橢圓度應為≤20mm，根據(jù)GB/T151-2014的要求，設(shè)備橢圓度應≤12mm，而實際熱處理后，此設(shè)備橢圓度超過25mm，完全達不到標準要求，減緩設(shè)備后續(xù)制造進度。

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

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

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行支撐，熱處理時造成變形，橢圓度超標。

3.設(shè)備在熱處理前擺放不當，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行支撐的位置，以及立式設(shè)備未進行支撐的裙座底座環(huán)。

2.熱處理后容器硬度超標

我公司采用規(guī)格為25000×5000×5000mm的干氣加熱爐進行消應力退火熱處理，容器在熱處理后，進行硬度檢測時會出現(xiàn)焊縫硬度局部超標的問題。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)備進行了二次消應力退火熱處理，完成后再次進行硬度檢測，焊縫硬度合格。通過認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，圖中橫坐標代表時間，縱坐標代表溫度。繼而發(fā)現(xiàn)由于升溫速度和降溫速度的不同，導致消應力退火后薄壁容器焊縫硬度局部不達標。

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，最終導致設(shè)備受熱不均勻，造成容器焊縫硬度超標。硬度超標的設(shè)備，就需要重新進行消應力退火，以保證設(shè)備的硬度要求達標。

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的接管并含補強圈的薄壁容器，在熱處理時應在容器內(nèi)部對接管焊縫部位進行支撐，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的接管進行支撐，支撐接管兩端必須留一端不能點焊，以免造成熱處理時由于接管變形而拉扁筒體。當筒體直徑≥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，還應對容器薄壁容器內(nèi)部進行支撐，支撐用圓弧板進行支撐，并且每間隔1500～2000mm進行支撐，如圖3.1.1所示。

對于無鞍座的立式容器，除以上措施外，還應在熱處理擺放時用自制的與筒體直徑相近尺寸的鞍座進行支撐，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

用干氣加熱爐進行碳鋼和低合金鋼薄壁壓力容器消應力退火時，為解決熱處理后焊縫硬度局部超標的問題，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，分別進行熱處理，其后對焊縫進行硬度測試，根據(jù)標準要求，Q345R消應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，從而導致容器在熱處理完成后設(shè)備硬度局部未達到要求，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，當小直徑、小體積的薄壁容器進行消應力熱處理時，應盡量減小爐膛體積，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)過筒體橢圓度超標和硬度超標的問題。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)的維修以及重復消應力退火的問題，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

[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》