压力容器焊后热处理

压力容器焊后热处理

前言

压力容器在生产制造过程中，由于频繁的冷、热卷，使工件内部不断受到拉力和压力，造成应力不均和应力集中，并且在焊接时引起焊缝区组织和性能的变化，致使工件焊缝区有残余应力的产生。部分压力容器在毛坯锻造时，有氢进入钢体，当氢逐渐溶解在金属中后，会使钢的强度和塑性明显降低，使工件产生氢脆的现象，要消除工件中的氢，通常采用的方法就是焊后热处理。

一、问题的提出

压力容器在制造过程中，将带来以下问题：由于过量的冷卷、冷矫形等冷加工引起的冷作硬化。由于焊接引起的焊缝区组织和性能的变化。由于焊接产生残余应力以及由此而导致的应力腐蚀裂纹的产生和发展。

压力容器焊接时，当母材相邻区域产生一温差大于100度的急剧温度梯度时，在铁素体钢或相当的其他材料中引起不均匀的塑性应变，而在随后的冷却过程中，将产生一个峰值应力达到屈服点的残余应力场。

另外，由于压力容器制造中的不均匀塑性应变导致在弹性、塑性材料中产生残余应变，而残余应变可以是来自机械的（主要是冷卷、冷矫形等冷加工），热力的（主要是焊接过程产生的），或者两者兼有的原因。

因此，在压力容器加工完成的最终产品中将留下残余弹性应变场，并承受相应的弹性残余应力。残余应力的存在，将影响压力容器的使用性能。为了消除焊接区峰值应变，达到内应变均匀分布这一目的，可以采取多种方法，如机械振动法、焊后加热法等。然而，由于压力容器中许多潜在的问题主要来自焊缝区的冶金损伤，所以机械方法以降低内应变的手段已经不足以预防日后运行过程中可能出现的诸多问题。另外，金属的氢脆现象已经比较为人们所关注。氢进入钢以后，机械性能会发生明显的变坏。强度和塑性明显降低，溶解于金属晶格中的氢，使钢在缓慢变形时发生脆性破坏。金属材料中的氢可以是在金属材料生产工艺过程中吸收的，如金属在焊接时液态金属吸收的氢保留在焊缝中，也可能是材料在氢环境中服役吸收的氢。对于焊缝中吸收的氢，比较有效的消除方法就是进行焊后热处理，它既可以达到松弛和缓和焊接残余应力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接热影响区，提高焊缝金属的延性和断裂韧性，也可以使焊接区及附近的氢等有害气体扩散逸出。

压力容器采用的热处理方法有两类：一类为改善机械性能的热处理，一类为焊后热处理（PWHT）。

广义地说，焊后热处理就是在工件焊完之后对焊接区域或焊接构件进行的热处理。其内容包括消除应力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、回火、低温消除应力、析出热处理等。狭义地说，焊后热处理仅指消除应力退火，即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，从而对焊接区及有关部位在金属相变温度点以下均匀而有充分地加热，然后又均匀冷却的过程。许多情况下所讨论的焊后热处理实质上就是焊后消除应力热处理。

二、焊后热处理的目的

压力容器的焊后热处理主要就是去应力退火以及消氢处理，其目的是为了改善焊缝区的组织应力和残余应力等有害物质。具体有以下几点：

1.松弛焊接参与应力。

2.稳定结构的形状和尺寸，减少畸变。

3.改善母材、焊接区的性能，包括提高焊缝金属的塑性、降低热影响

区硬度、提高断裂韧性、改善疲劳强度、恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。

4.提高抗应力腐蚀的能力。

5.进一步释放焊缝金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的发

生。

三、焊后热处理的必要性

焊制的压力容器，焊接区存在着较大的残余应力，而残余应力的不利影响，在一定的条件下才表现出来。当残余应力与焊缝中的氢相结合时，将促使热影响区硬化，导致冷裂纹和延迟裂纹的产生。残存在焊缝中的静应力或负载运行中的动载应力与介质的腐蚀作用相结合时，将有可能引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。焊接残余应力及由焊接引起的母材淬硬是产生应力腐蚀裂纹的重要因素。在残余应力存在的情况下，根据侵蚀性介质的成分、浓度和温度的不同，以及母材与焊接区的成分、组织、表面状态、应力状态等存在的差异而有所不同，从而，使腐蚀破坏的性质可能改变。

焊接的压力容器是否需要做焊后热处理，应从容器的用途、尺寸（特别是壁板厚度），所用材料的性能以及工作条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理。

1.使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂危险的厚壁容器，

承受较大载荷和交变载荷的容器。

2.厚度超过一定限度的焊接压力容器。包括锅炉、石油化工压力容器

等有专门规程、规范的。

3.对尺寸稳定性较高的压力容器。

4.有淬硬倾向大的钢材制造的容器。

5.有应力腐蚀开裂危险的压力容器。

6.其他有专门规程、规范以及图样予以规定的压力容器。

由于在焊接过程中，几乎都会给工件带来内应力，只有通过热处理工序才会消除这些缺陷，但对于有些调质钢的焊后热处理，一定要对工艺温度严格控制，不能高于其回火温度，否则将降低工件的硬度、强度指标，在温度范围允许内，温度越高，应力消除得越充分、越彻底。不同材质用钢的压力容器，其工艺温度也不同。

一般认为，消除应力热处理属于焊接工件被加热到500～600度而后再缓慢冷却的过程，应力的降低起因于高温下的蠕变，在碳钢中从450度开始出现；在含钼的钢中，从500度开始出现。温度越高，应力越易于消除。但是一旦超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和时间两个要素，缺一不可。

四、消氢处理

焊后的消氢处理是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理，一般规范为加热到200～350℃，保温2～6小时。焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。

例：R19208消氢处理工艺

五、消应力处理

在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接工作结束后，构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时，还会导致构件的破坏。

消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80％～90％的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力

分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。

例：R19211中间消应处理工艺

℃

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