壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響

1、 壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響冷、熱加工 塑性變形壓力容器制造 焊接組對 焊接工藝熱處理（必要時） 熱處理研究冷或熱壓力加工造成的塑性變形、焊接工藝和熱處理對鋼材性能的影響。2.2.1 塑性變形材料在載荷下的變形：彈性變形；塑性變形或永久變形材料在塑性變形中內(nèi)部性能的變化：應(yīng)變硬化；熱加工和冷加工各向異性；應(yīng)變時效一、應(yīng)變硬化（見應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖）從該曲線可以看到，從d 卸載后，dg表示消失了的彈性變形,而od表示不再消失的塑性變形。卸載后，在短時間內(nèi)再次加載，則應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系按照dd變化，到了d 以后，按照def變化。到d以前材料都是彈性的，以后才出現(xiàn)塑性變形。相當(dāng)于形成了新的材料曲線。比

2、較，可見在第2次加載時，其比例極限提高了，但塑性變形和延伸率卻有所減低。表明在常溫下把材料拉伸到塑性變形，然后卸載，當(dāng)再次加載時，將使材料的比例極限提高，而塑性減低。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。（加工硬化、冷做硬化）材料力學(xué)。應(yīng)變硬化經(jīng)退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗變形能力，但塑性降低二、冷加工和熱加工從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來區(qū)分，冷、熱加工的分界線是金屬的再結(jié)晶溫度。熱加工或熱變形: 凡是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形。特點(diǎn)：熱變形時加工硬化和再結(jié)晶現(xiàn)象同時出現(xiàn)，但加工硬化被再結(jié)晶消除，變形后具有再結(jié)晶組織，因而無加工硬化現(xiàn)象。冷加工或冷變形: 在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。特點(diǎn)：冷變形中無再結(jié)晶

3、出現(xiàn)，因而有加工硬化現(xiàn)象。由于冷變形時有加工硬化現(xiàn)象，塑性降低，每次的冷變形程度不宜過大，否則，變形金屬將產(chǎn)生斷裂破壞。 鋼板沖壓成各種封頭后，由于塑性變形，厚度會發(fā)生變化。例如，鋼板沖壓成半球形封頭后，底部變薄，邊緣增厚。在壓力容器設(shè)計(jì)時，應(yīng)注意這種厚度的變化。三、各向異性金屬材料力學(xué)性能產(chǎn)生方向性熱加工金屬再結(jié)晶纖維組織呈纖維狀非金屬夾雜物帶狀組織a、平行纖維組織方向的強(qiáng)度、 塑性和韌性提高，b、垂直方向的塑性和韌性降低c、變形越大，性能差異越明顯第二項(xiàng)合金因勢利導(dǎo)：纖維組織的穩(wěn)定性高，不能用熱處理方法加以消除。 壓力容器設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能使零件在工作時產(chǎn)生的最大正應(yīng)力。 與纖維方向重合，最

4、大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直。四、應(yīng)變時效經(jīng)冷加工塑性變形的碳素鋼、低合金鋼，在室溫下停留較長時間，或在較高溫度下停留一定時間后，會出現(xiàn)屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變時效。冷加工應(yīng)用舉例：筒節(jié)冷卷、封頭冷旋壓。應(yīng)變時效危害：發(fā)生應(yīng)變時效的鋼材，不但沖擊吸收功大幅度下降，而且韌脆轉(zhuǎn)變溫度大幅度上升，表現(xiàn)出常溫下的脆化。降低應(yīng)變時效的措施：一般認(rèn)為，合金元素中，碳、氮增加鋼的應(yīng)變時效敏感性。減少碳、氮含量，加入鋁、鈦、釩等元素，使它們與碳、氮形成穩(wěn)定化合物，可顯著減弱鋼的應(yīng)變時效敏感性。2.2.2 焊接焊接：是壓力容器制造過程的重要環(huán)節(jié)和質(zhì)量必須得到保證的環(huán)節(jié)。通過加熱或（和）

5、加壓，使焊件達(dá)到原子或分子結(jié)合的一種加工方法。焊接方法：熔焊 （壓力容器制造中應(yīng)用最廣）壓焊釬焊熔焊機(jī)理：融化的母材熔池焊接接頭加熱至熔化填充金屬冷卻結(jié)晶后形成牢固的原子間結(jié)合，使待連接件成為一體焊接技術(shù)：各種焊接方法、焊接工藝、焊接材料、焊接設(shè)備及其基礎(chǔ)理論的總稱。焊接接頭：用焊接方法連接的接頭。一、 焊接接頭的組織和性能焊接接頭組成：焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)。 1、焊縫由熔池的液態(tài)金屬凝固結(jié)晶而成，通常由填充金屬和部分母材金屬組成。因結(jié)晶是從熔池邊緣的半熔化區(qū)開始的，低熔點(diǎn)的硫磷雜質(zhì)和氧化鐵等易偏析集中在焊縫中心區(qū)，影響焊縫的力學(xué)性能。2、熔合區(qū)：焊接接頭中，焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。組織：

6、熔合區(qū)的加熱溫度在合金的固相和液相線之間，其化學(xué)成分和組織性能有很大的不均勻性性能：塑性差、強(qiáng)度低、脆性大、易產(chǎn)生焊接裂紋，是焊接接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。3、熱影響區(qū)：是焊縫兩側(cè)母材因焊接熱作用（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。組織及性能：在熱影響區(qū)內(nèi)，各處離開焊縫金屬距離不同，材料被加熱和冷卻速度也不同，從而形成了多種金相組織區(qū)，使其力學(xué)性能也不同。以低碳鋼為例加以說明熱影響區(qū)的各個金相組織區(qū)：過熱區(qū)：對于焊接剛度大的結(jié)構(gòu)或含碳量高的易淬火鋼，常在此區(qū)產(chǎn)生裂紋；正火區(qū)：焊接接頭中組織和性能最好的區(qū)域；部分正火區(qū)：力學(xué)性能不均勻。二、此外，焊接前壓力容器成形不符合要求，例如筒體的

7、不圓度，也會產(chǎn)生焊接裝配應(yīng)力，使局部區(qū)域應(yīng)力升高。五、焊接接頭檢查a、破壞性檢查b、非破壞性檢查 外觀檢查直觀檢驗(yàn)直觀檢驗(yàn)量具檢驗(yàn)密封性檢驗(yàn)：（用水、氣、油等）無損檢測：射線透照檢測（測表面和近表面缺陷）超聲檢測 （測表面和近表面缺陷）表面檢測（測表面和近表面缺陷）：磁粉檢測滲透檢測渦流檢測注意:1. 超聲檢測: 對裂紋型(面型)缺陷敏感;射線檢測: 對氣孔型(體型)缺陷敏感。2. 磁粉檢測: 適用于鐵磁性材料,不適用于非鐵磁性材料(如不銹鋼);渦流檢測: 適用于導(dǎo)電材料,不適用于非導(dǎo)電材料;滲透檢測: 適用于金屬材料和致密性非金屬材料,不適用于疏松的多孔性材料。2.2.3 熱處理壓力容器制造

8、中的熱處理：焊后消除應(yīng)力熱處理改善綜合性能熱處理：固溶處理穩(wěn)定化處理一、焊后消除應(yīng)力熱處理目的：盡量消除因塑性變形加工、鍛造、焊接等引起的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的塑性和韌性，恢復(fù)因冷作和時效而劣化的力學(xué)性能。應(yīng)用：當(dāng)鋼板很厚，介質(zhì)的毒性程度為極度或高度危害，或有應(yīng)力 腐蝕傾向時，壓力容器應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。由于有色金屬、不銹鋼的塑性好，用它們制造的壓力容器一般不進(jìn)行熱處理。對于壓力容器中經(jīng)常遇到的厚截面鋼板或鍛件，很難使整個截面上的性能盡可能均勻，此時應(yīng)精心設(shè)計(jì)熱處理工藝并嚴(yán)格執(zhí)行。二、改善綜合性能熱處理1、固溶處理將合金加熱到一定溫度并保持足夠長時間,使過剩相充分溶解到固溶體中,然后在水中或空

9、氣中快速冷卻,以抑制這些被溶物質(zhì)重新析出,從而得到在室溫下的過飽和固溶體的工藝，稱為固溶處理。目的：提高合金的韌性和抗腐蝕性。2、穩(wěn)定化處理：目的：穩(wěn)定組織，防止構(gòu)件形狀和尺寸發(fā)生時效性變化。例如，含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼在850900溫度范圍內(nèi)加熱適當(dāng)時間，使鈦或鈮以碳化物的形式析出，從而達(dá)到穩(wěn)定組織的目的，提高抗晶間腐蝕的能力。 由于焊接殘余應(yīng)力受多種因素的影響，在實(shí)際工作中常常需要通過實(shí)驗(yàn)測定殘余應(yīng)力的大小和分布。 焊接殘余應(yīng)力的影響 焊接殘余應(yīng)力對焊件有6個方面的影響。對強(qiáng)度的影響：如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在嚴(yán)重的缺陷，而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)

10、度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下,如果在應(yīng)力集中處存在著殘余拉應(yīng)力,則焊接殘余拉應(yīng)力將使焊件的疲勞強(qiáng)度降低。焊件的疲勞強(qiáng)度除與殘余應(yīng)力的大小有關(guān)外,還與焊件的應(yīng)力集中系數(shù)、應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù) /和循環(huán)應(yīng)力的最大值有關(guān)。其影響隨應(yīng)力集中系數(shù)的降低而減弱,隨/的降低而加?。ɡ鐚蛔兤趶?qiáng)度的影響大于脈沖疲勞）,隨的增加而減弱。當(dāng)接近于屈服強(qiáng)度時，殘余應(yīng)力的影響逐漸消失。對剛度的影響：焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形。焊件的剛度會因此而降低。對受壓焊件穩(wěn)定性的影響：焊接桿件受壓時，焊接殘余應(yīng)力與外載所引起的應(yīng)力相疊加，可能使桿件局部屈服或使桿件局部失穩(wěn)，桿件的整體穩(wěn)定性

11、將因此而降低。殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響取決于桿件的幾何形狀和內(nèi)應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力對非封閉截面（如工字形截面）桿件的影響比封閉截面（如箱形截面）的影響大。對加工精度的影響：焊接殘余應(yīng)力的存在對焊件的加工精度有不同程度的影響。焊件的剛度越小，加工量越大，對精度的影響也越大。對尺寸穩(wěn)定性的影響：焊接殘余應(yīng)力隨時間發(fā)生一定的變化，焊件的尺寸也隨之變化。焊件的尺寸穩(wěn)定性又受到殘余應(yīng)力穩(wěn)定性的影響。對耐腐蝕性的影響：焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力一樣也能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。 焊接變形 焊接過程中引起的焊件變形直接影響焊件的性能和使用，因此需要采用不同的焊接工藝來控制和預(yù)防焊件的變形，并對產(chǎn)生焊接變形的構(gòu)件進(jìn)

12、行矯正。 變形的種類 焊接變形有7種形式（圖4）?？v向收縮變形：沿焊縫長度方向的收縮。橫向收縮變形：垂直于焊縫方向的橫向收縮。角變形：繞焊縫軸線的角位移。撓曲變形：構(gòu)件中性軸上下不對稱的收縮引起的彎曲變形。失穩(wěn)變形：薄壁結(jié)構(gòu)在焊接殘余壓應(yīng)力的作用下，局部失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪形；錯邊變形：焊接邊緣在焊接過程中，因膨脹不一致而產(chǎn)生的厚度方向的錯邊。扭曲變形：由于裝配不良、施焊程序不合理而使焊縫的縱向、橫向收縮沒有規(guī)律所引起的變形。 焊接變形的預(yù)防和控制 焊接變形的大小與焊縫的尺寸、數(shù)量和布置有關(guān)。首先從設(shè)計(jì)上合理地確定焊縫的數(shù)量、坡口的形狀和尺寸，并恰當(dāng)?shù)匕才藕缚p的位置，對于減少變形

13、十分重要。在工藝上采用高能量密度的焊接方法和小線能量的工藝參量，例如多層焊對減少焊縫的縱、橫向收縮以及由此引起的撓曲和失穩(wěn)變形是有利的。但多層焊對角變形不利。采用合理的裝配、焊接順序、反變形和剛性固定可以減少焊接變形。 焊接變形的矯正 焊接變形常采用機(jī)械方法矯正。對于由長而規(guī)則的對接焊縫引起的薄板殼結(jié)構(gòu)的變形，用鋼輪輾壓焊縫及其兩側(cè)，可獲得良好的矯正效果。利用局部加熱產(chǎn)生壓縮塑性變形使較長的焊件在冷卻后收縮的火焰矯正法，具有機(jī)動性強(qiáng)、設(shè)備簡單的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛采用。近幾年管板焊縫處經(jīng)常開裂，管束泄漏，雖然多次采取了補(bǔ)焊措施，但由于補(bǔ)焊技術(shù)措施不當(dāng)，補(bǔ)焊后焊縫又未進(jìn)行熱處理，因此越補(bǔ)裂紋

14、越多，以至造成蒸汽帶水、汽溫偏低，威脅了安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)電。該減溫器管板直徑30mm，厚度6=53mm，20號鋼。減溫器管束、鋼管直徑。25mm，管壁厚6。=3mm，由于管板厚、體積大、熱容量大，而鋼管柬管徑小、管壁薄、熱容量小，因此焊接時，兩種母材冷卻速度不一，而在近焊縫處，由于焊接應(yīng)力作用下，極易產(chǎn)生冷裂紋，或者雖在當(dāng)時不產(chǎn)生裂紋，但由于頻繁的溫度波動，又產(chǎn)生了新的裂紋，造成泄漏。為些我們在新減溫器管板與管束的焊接中采取一些措施。保證了焊接質(zhì)量，順利完成了新減溫器的制作工作。在大型管板與小管徑焊接我們采取了如下措施：(1)焊條的選用過去補(bǔ)焊用普通結(jié)422低碳鋼焊條。這次選用堿性低氫型焊條結(jié)50

15、7。焊縫中氫含量過高，不僅會在焊縫中形成氫氣孔和白點(diǎn)，更嚴(yán)重的是造成氫脆，使焊縫金屬塑性明顯下降，并表現(xiàn)出缺口敏感性，斷裂強(qiáng)度降低，在一定條件下會誘發(fā)冷裂紋。結(jié)507焊條脫氫性能好。因此有利于提高焊縫金屬的塑性，防止冷裂紋的產(chǎn)生。(2)焊條烘干施焊前將焊條在250溫度嚴(yán)格烘干12小時，隨烘隨用。焊前應(yīng)消除焊件上的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)。采用直流焊機(jī)反極性接法，即焊條接正極。(3)焊前工件的預(yù)熱，預(yù)熱溫度維持在1502oo鑒于工件預(yù)熱與焊接須同時進(jìn)行，采用一般的熱處理爐是無法進(jìn)行的，如采用氧炔火焰預(yù)熱也很難使這樣大而厚的工件達(dá)到均勻的預(yù)熱溫度，而且工作條件也不允許。為此我圖1電阻加熱爐簡圖電源們

16、自做了一臺簡易電阻加熱爐(如圖1)，電阻爐四周裝矽藻磚，爐底墊耐火磚，電阻絲放在四周矽藻槽內(nèi)，電阻爐容量是18kW。為了控制加熱爐的溫升速度，利用了一套化驗(yàn)室的加熱爐的溫度控制器。將工件如圖1所示置于加熱爐后，管束處理部分用石棉繩纏繞包扎、封嚴(yán)，防止散熱。(4)施焊焊接工作由2名持證熟練焊工承擔(dān)，站于加熱爐兩側(cè)，對u型管的兩個焊頭對稱“同步”焊接，用短弧操作，一層焊完后，再焊一層退火焊道。焊件溫度不得低于15O，否則應(yīng)停止焊接。工件焊接全部完成后，將爐蓋蓋上，石棉繩纏繞嚴(yán)密，對焊件進(jìn)行回火處理，消除焊接熱應(yīng)力?；鼗饻厣獾乃俣瓤刂圃诿糠昼?0cc，升至650，保溫一段時間。回火保溫時間按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得。taDb式中t一回火保溫時間。一加熱系數(shù)，minmm，a取15minmmD一工件厚度，53mm6一附加時間，b取15mln代人公式中得：t=15×53+15=945分鐘，約1小34分30秒。保溫1小時30分鐘后將電爐電源切斷，讓工件在爐內(nèi)自行冷卻24小時或更長些時問后再取出工件。減溫器大型厚管板熱處理后的情況如下：(1)減溫器大型厚管板熱處理后用5倍放大鏡肉眼觀察所有焊縫接頭表面，未發(fā)現(xiàn)有氣孔、砂眼和裂紋。(2)減溫器管束(含焊縫)進(jìn)行了冷態(tài)水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力65MPa，不泄漏。(3)現(xiàn)已投入運(yùn)行28800小時，多次檢修拆開檢查所有焊接處未發(fā)現(xiàn)有泄漏。(