化工压力容器设计——方法、问题和要点

化工压力容器设计——方法、问题和要点
读书笔记（一）
1.介质毒性对容器划类的影响
在实际容器设计工作中，介质往往是多组分，各组份毒性不同，而有关单位有时不能提供相关的数据，需要由设计人员自行确定。从安全角度出发，对于混合介质，设计人员经常是以介质组份中危害程度最大的介质来确定其危害性，而不管其在当中的含量是多少。
有人认为应当按其危害性介质的含量来确定其危害性，进而确定容器类别。因为HG20660-2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危害程度分类》就是以急性毒性和最高容许浓度两指标为主，并考虑其他指标归属，综合分析，全面权衡后作出分类的。《容规》附件一中也有不在HG20660-2000标准内的介质的毒性划分原则是以最高容许浓度为依据的。这种做法比较合理，但在实际操作中却很难实施。因为一来容器内的介质浓度经常是波动的，并且经过长时间的使用有介质积存现象，二来很多压力容器不可能经常对介质进行化学分析进行成分检测。
所以目前划类时考虑介质的毒性和易燃性应按其是否“存在”为依据，而不是以其“含量”的多少为依据。
另外需注意的是HG20660-2000标准有两个用途：一是确定压力容器类别；二是确定压力容器的致密性和密封性技术要求。对第二点在HG20660中的相应部分有注明。有人把标准中的注明当作划类的依据是错误。这一注明是强调应当在法兰和垫片的配合及其压力等级的选取等方面采取措施，而不是作为划类的依据。
2.温度问题
容器是否归容规管辖的第三个条件是：盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。
这一条件包含了三种介质：一是纯粹的气体；二是液化气体；三是最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。前两种没什么疑问，仅对第三种做一说明。标准沸点的定义是液体在标准状况（1个大气压）下的沸点。提到沸点就不能不说一下温度。有些介质的标准沸点在常温范围之内，这时应注意对工作温度的规范表达和相关问题的全面考虑。常温在不同的地方规定的范围不一样，在物理化学中，对介质常温的规定值是25℃（298K），金属材料以20℃为“常温”时的许用应力，而压力容器设计往往习惯把“常温”当作不大于50℃。
许多石油化工介质的标准沸点随介质组份的不同在一定范围内变化，对此类介质应先注意其组份所对应的标准沸点，然后再考虑标准沸点与工作压力的关系。
3.特殊介质的容器

有些压力容器虽然可以不受《容规》的监察，但其盛装的如果是一些特殊的危害介质，则应当按受监检的压力容器提

技术要求（注意是提技术要求，而非划类）。如氯化二乙基铝、三乙基铝等强还原性液体介质，极易燃烧，遇空气自燃，与水、水蒸气、二氧化碳等物质相遇发生剧烈反应，并起火爆炸，有些还具有强的毒性。这些介质一旦外泻，后果严重。

一氧化碳（CO）、二硫化碳（CS2）、硫化氢（H2S）三种化工生产中的常用介质在GB5044-85《职业性接触毒物危害程度分级》中定为II级，在HG20660-2000中定为III级，建议在设计盛装这三种介质的压力容器时，适当提高其技术要求（注意是提技术要求，而非划类）。

读书笔记（二）

4.许用应力（总体一次薄膜应力）

钢材抗拉强度σb连同其安全系数nb用以确定钢材的许用应力，作为防止容器断裂的措施；钢材屈服强度σs连同其安全系数ns作为控制弹性或防止塑性失效的措施，两者都要求得到满足，并取其最小值。nb=2.7，ns=1.6。实际上，除奥氏体不锈钢外，都是抗拉强度σb在起作用。体现了在满足韧性的前提下，尽量提高强度，提高塑性贮备量的压力容器选材原则。

机械产品通常希望提高材料的“屈强比”，钢制压力容器对材料的要求则相反，一般情况下应避免采用调质热处理等方法来不恰当地提高材料的强度，以留有一定的塑性储备量。

钢制压力容器对材料性能的要求，直观上是考虑其强度，实质上，重视的是韧性，尤其重视钢材的塑性储备量，这是钢制压力容器的设计准则——弹性失效准则决定的。从材料性能角度考虑，弹性失效准则与材料的屈服强度是对应的。

有色金属要在退火状态下才能在压力容器中使用，原因是大部分有色金属材料在退火状态时，具有最好的塑性，同时具有最低的屈强比。

5.GB150中10.2.4.6规定法兰的螺栓通孔应与壳体主轴线或铅垂线跨中布置。这句话反映在图纸上很多人理解不一样。可能在筒体上的开孔法兰理解一致，而封头上开孔就不一样了。很多人都是按封头中心与开孔中心的连线作为轴线进行跨中，实际上这种做法是错误的。在《压力容器设计和制造常见问题》一书中特别做了纠正：

读书笔记（三）——紧固件相关说明

1）紧固件的含义

商品紧固件材料不用材料钢号，而用性能等级表达。

① 碳钢：

a) 碳钢螺栓、螺柱和螺钉在GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中的性能等级的标代号由“?”隔开的两部分数字组成：

第一部分数字（“?”前）表示抗拉强度（σb）的1/100；

第二部分数字（“?”后）表示公称屈服点（σs）或公称规定非比例伸长应力（σp0.2）与公称抗拉强度（σb）比值（屈强比）（σs/σb）的10倍。

这两部分数字的乘积为公称屈服点（σs）或公称规定非比例伸长应力（σp0.2）的10倍。

性能系列为：3.6，4.6，4.8，5.6，5.8，6.8，8.8，9.8，10.9，12.9。

例如：“8.8级”即为公称抗拉强度σb=800MPa，公称屈服点σs=640MPa。

b）螺母在GB/T3098.2-2000《紧固件机械性能 螺母 粗牙螺纹》中性能等级的标记，当公称高度大于0.8D时，用公称抗拉强度σb的1/100来表示性能等级，性能等级系列为：4，5，6，8，10，12；当公称高度大于或等于0.5D且小于0.8D时（即扁螺母），用“0”及一个数字标记，其中数字表示用淬硬心棒测出的保证应力的1/100，而“0”表示这种螺母组合件的实际承载能力比数字表示的承载能力低，例如：0.4级即公称保证应力400MPa，实际保证应力380MPa。

c）紧定螺钉在GB/T3098.3-2000《紧固件机械性能 紧定螺钉》中的性能等级标记代号由数字和字母组成，数字部分表示最低维氏硬度值的1/10，字母H表示硬度，性能等级系列为：14H，22H，33H，45H。例如22H即维氏硬度220。

d）平垫圈的性能等级标记代号由数字和字母组成，数字部分表示最低的维氏硬度值，字母HV表示硬度，性能等级系列为：100HV，140HV，200HV，300HV。例如：140HV即维氏硬度140。

②不锈钢。不锈钢螺栓、螺柱、螺钉和螺母在GB/T3098.6-2000《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》中的性能等级的标记由材料组别和性能等级两部分组成：

第一部分由字母和数字组成在“-”前表示钢的组别，标记由字母和一个数字组成，字母表示钢的类别，数字表示该类钢的化学成分范围。

第二部分数字在“-”之后表示产品的性能等级，其数字为公称抗拉强度（σb）的1/10。

性能系列为：A1-50，A2-50，A3-50，A4-50，A5-50，A1-70，A2-70，A3-70，A4-70，A5-70，A1-80，A2-80，A3-80，A4-80，A5-80，C1-50，C1-70，C1-110，C3-80，C4-70，F1-45，F1-60。

例如：“A4”为00Cr17Ni14Mo2；“A2”为0Cr18Ni9。A2-50与A2-70虽然可以是同样的材料，但通过冷作硬化可使σb改变。

平垫圈性能等级的标记代号由字母和数字组成，字母表示材料类别，数字部分表示最低的维氏硬度值。性能等级系列为：A140，A200，A350。例如：A140即奥氏体不锈钢维氏硬度大于或等于140。
不锈钢材料的类别、组别、参考材料牌号

类别 组别 参考材料牌号
奥氏体不锈钢 A1 1Cr18Ni9
A2 0Cr18Ni9，00Cr18Ni10
A3 C≤0.08；Si≤1；Mn≤2；P≤0.045；S≤0.03；Cr≤16～19；Ni≤9～12；Cu≤1；Ti≥5×C%～0.8
A4 0Cr18Ni12Mo2Ti，00Cr17Ni14Mo2，00Cr18Ni12Mo2Ti，00Cr17Ni14Mo3
A5 C≤0.08；Si≤1；Mn≤2；P≤0.045；S≤0.03；Cr≤16～18.5；Ni≤10.5～14；Cu≤1；Ti≥5×C%～0.8或Ta≥10×C%～1.0；
马氏体不

锈钢 C1 1Cr13
C3 1Cr17Ni2
C4 2Cr13
铁素体不锈钢 F1 1Cr17

2）商品紧固件在管法兰中的使用限制条件。

高温、剧烈循环场合或PN≥16.0MPa的高压条件下应选用全螺纹螺柱。

a） 商品级六角螺栓在下列情况限制使用：

PN＞1.6MPa；

剧烈循环场合；

半金属或金属垫片场合；

易燃、易爆及毒性危害程度较大。

b）商品级双头螺柱及螺母在下列情况下限制使用：

PN＞4.0MPa；

剧烈循环场合；

半金属或金属垫片场合。

3）螺栓（柱）的硬度（布氏硬度HB）应比螺母搞20～30，相同强度级别的材料可以通过不同热处理状态实现。

4）高温下操作时连接用的螺栓，法兰应采用耐热钢或抗蠕变钢。

5）对于奥氏体钢法兰的连接螺栓（柱）、螺母材料，当工作温度t≤100℃时，一般允许采用碳钢制造，当工作温度100℃＜t＜300℃时，其材料由验算确定。当工作温度t≥300℃时，法兰连接螺栓（柱）、螺母必须采用与法兰线膨胀系数相近的材料。

6）低温压力容器用螺栓（柱）等紧固件不得采用一般的铁素体商品紧固件。符合低温低应力工况的压力容器，当其调整后的设计温度等于或高于-20℃时，可不受此限制。

7）紧固件用配套螺母允许使用一般的商品螺母，但使用温度应不低于-40℃。8）设计温度不低于-100℃的铁素体钢容器，应采用铁素体钢紧固件。设计温度低于-100℃的奥氏体钢容器，应采用奥氏体钢紧固件。

9）符合GB/T3098.6《紧固件机械性能—不惜光螺栓、螺钉、螺柱和螺母》A2级的奥氏体钢商品紧固件可使用至不低于-40℃的低温压力容器。

10）商品级紧固件不宜使用于介质毒性程度为极度、高度危害及三类容器。

11）螺柱用钢材使用温度低于或等于-20℃时，应进行使用温度下的低温冲击试验。

12）用于使用温度低于或等于0℃至大于-20℃的螺栓及螺母材料40MnB、40MnVB应进行使用温度下的冲击试验，冲击功最低值AKV≥27J。

读书笔记（四）

5.直立容器（4710标准塔器）

直立容器通过裙座支于地面，可以看成一悬臂梁。受以下载荷作用：

a.操作压力。内压对圆筒产生轴向和周向拉伸应力；外压在不使圆筒失稳的条件下产生轴向和周向压缩应力。因直立容器设计属于已按内压或外压容器设计初定厚度基础上的校核，所以只要分析其轴向应力。对于裙座，操作压力对它不起作用。

b.自重。应区分正常操作、停修及水压试验工况分别计算容器自重。自重对容器圆筒部分和裙座都引起轴向压缩应力，它随所分析截面的离地高度而异。如果设备上还有其他载荷，则还要涉及附加偏心弯矩，导致在圆筒和裙座上引起拉压

相对的轴向弯曲应力。

c.风载荷。风载荷对直立容器的作用有二：一为风吹在容器上使容器和裙座受到平行于风向的静弯矩作用，从而使圆筒和裙座产生拉压相对的轴向弯曲应力；二为在一定条件下使容器产生垂直于风向的诱导共振，此时在垂直于风向的方向产生诱导共振而同样使圆筒和裙座产生轴向弯曲应力，和静弯矩所引起的弯曲应力相同，也随所分析截面的离地高度而异。诱导共振只有在容器的高径比H/Di值和风速在一定配合条件下才发生，很少遇到。

d.地震载荷。多为设计规范，一般仅计及地面的水平振动引起作用于直立容器上的水平地震力，而水平地震力和风力相似，使圆筒和裙座产生弯矩并构成拉压相对的轴向弯曲应力，它随分析截面的离地高度而异。

所以直立容器和裙座需要进行轴向强度或稳定性校核。其内容如下：

（1）圆筒的轴向组合应力。由于有弯曲应力存在，所以拉伸和压缩应力项都需校核。当容器为等直径、等厚度时，则容器最低截面处应力最大，只需校核最低截面，亦即下封头与筒体焊缝截面，见图8-16点①；当容器为变直径或变厚度时，则难以确定哪个截面最为危险，故对各变截面处都应予校核。

（2）容器和裙座的连接焊缝。见图8-16点②。当为对接连接时，校核受拉侧的组合拉伸应力；当为搭接连接时则要校核其剪切强度。

（3）裙座。当为等截面时则需校核最大应力处的最低截面；因裙座上的人孔一般不设盖板，属可疑的危险截面，也应予校核，见图8-16点③、点④。

（4）裙座基础环板。直立容器在各种附加弯矩作用下有倾倒趋势，故地面支撑的反力使基础环板承受弯矩作用。基础环板应有足够的厚度以承受由此引起的弯曲应力。见图8-16点⑤。

（5）基础混凝土。直立容器在附加弯矩作用下因有倾倒趋势，故通过基础环板使基础混凝土受压，为此要求基础环板和基础混凝土应有足够的接触面积，见图8-16点⑥。

（6）基础螺栓。为防止直立容器在各种附加弯矩作用下倾倒，必要时应设基础螺栓将容器牢固地支于地面，为此要求基础螺栓有足够的横截面积和埋地深度以防止容器倾倒，见图8-16点⑦


以上亦即直立容器需进行应力校核的截面。实际归纳为5个：

1）.裙座基础环板处裙座壳体的横截面；

2）.通过裙座开孔水平线的裙座壳体最小截面；

3）.裙座与塔体封头对接接头（或搭接接头）截面；

4）.不等直径塔变截面交界处塔壳横截面；

5）.等直径塔变壁厚交界处塔壳的横截面。

板式塔器的几个尺寸说明：

主体高度指的是塔顶第一层塔

盘至塔底最后一层塔盘之间的垂直距离；

塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘至塔顶封头切线的距离；

塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底封头切线处的距离；

裙座高度是指从塔底封头切线到基础环之间的高度。

6．膨胀节

从满足应力校核条件角度分析，增加膨胀节厚度，能降低各项应力而使应力校核条件易于满足。但从要求膨胀节能起轴向补偿量的角度分析，则其厚度越大，膨胀节的抗拉（或抗压）刚度K值越大，导致在要求同样的补偿量时使与膨胀节相连的壳体轴向载荷或壳体轴向应力增大。这二者是相互矛盾的。为既能使膨胀节起到一定的轴向补偿作用，又能使膨胀节满足各项应力的校核条件，所以膨胀节的厚度就相应受到限制，也就是膨胀节的承压条件受到一定限制，所以膨胀节只能用在设计压力不高的场合。

对于碳钢或低合金钢所制的膨胀节，如工艺条件要求腐蚀余量C2值较大，则导致膨胀节厚度增加而使其抗拉（或抗压）刚度K值大为增加，这样使膨胀节的轴向补偿作用减小。因而我国现行标准提及，当C2超过1mm时，一般不采用碳钢或低合金钢，而应改用不锈钢制造，即是出于这一考虑。

读书笔记（五）

7．抗拉强度与硬度关系

在碳素钢中抗拉强度与硬度之间有一定的对应关系，经验公式为：

低碳钢：Rm(σb)=0.36HB MPa

中碳钢：Rm(σb)=0.35HB MPa

8．低合金钢耐氢、氮、氨腐蚀机理

1）提高钢的抗氢腐蚀性能主要采用两种方法：一是尽量降低钢中的含碳量，如将碳降到0.015%以下的微碳纯铁在500℃时仍有良好的抗氢腐蚀性能；二是加入碳化物形成元素，使碳固定于稳定的合金碳化物中，强碳化物形成元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等。这些碳化物既能在基体中弥散分布，提高钢的高温强度，减缓氢腐蚀速度或氢脆裂纹形成及扩展速度，又可在钢表面生成致密的保护膜，对氢进入钢中起阻滞作用。

2）提高钢的抗氮化能力一般是加入氮化物形成元素，而且要求所加的元素及其含量足以使钢表面形成由稳定氮化物构成的薄而致密的渗氮层，能阻止氮原子继续向钢内部扩展。因为强氮化物形成元素也是Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素与氮的亲和能力比碳更强，因此所加的元素量必须足够，形成的表面氮化膜必须致密，才能阻止氮原子向钢内部渗透。普遍认为V、Ti、Nb等元素对抗氮化性能提高作用更明显，因此除了生成比碳化物更稳定的氮化物外，表面生成的致密氮化物层可延缓进一步氮化。

9．耐H2、N2、NH3腐蚀用低合金钢

在化工设备的工程应用上，目前氢、氮、氨同时存在的工艺环境

主要是合成氨，其用材推荐如下：与氢、氮、氨介质接触的装备构件，如使用在220℃以下，可以不考虑氢腐蚀与氮化问题，即可用碳素钢或一般的高强度低合金钢制造；如使用在350℃以下，可以不考虑氮化，采用一般含低铬、钼抗氢钢制造；但在350℃以上使用时，要同时考虑抗氢腐蚀及抗氮化问题，使用含Ti、V、Nb及较高铬、钼的低合金钢，重要构件使用高合金钢。

读书笔记（六）——铁碳合金相图

图1-3-6中以温度和铁碳合金元素浓度为坐标，用来表示各种不同浓度的铁碳合金在不同温度下的组织结构，因为它是在极缓慢加热或冷却情况下测制的，所以又称为铁碳合金平衡状态图。

相图由三部分组成，左上角为包晶相图，包晶相图是在1400℃以上发生的反应，在工程实用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故Fe-Fe3C相图可以用简化的形式表达。相图的右上部为共晶相图，在1148℃时，含碳4.3%的合金发生共晶反应，生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。相图的下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相，产物称为共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相，产物称为共析体。在铁碳合金相图中，含碳0.77%的奥氏体在727℃时发生共析反应，生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物，称为珠光体，用符号P表示，珠光体也是铁碳合金中室温时的平衡组织，其中渗碳体呈片状分布在铁素体基体上，其强度、硬度较高，塑性、韧性较好。

铁碳合金固态下的基本相分为两大类，即固溶体和金属化合物。纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的δ-Fe，随后又有两次同素异构转变，即面心立方晶格的γ-Fe和体心立方晶格的α-Fe。碳原子溶入α-Fe和δ-Fe中所形成的固溶体即为铁素体和奥氏体，当含碳量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。固态铁碳合金的基本相为铁素体、奥氏体和渗碳体。

相图中的F和K点皆为虚点，是为了便于说明ECF和PSK的走向而添加的符号，无实际意义。

ES线为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm线。从这根线可以看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在1148℃时，可溶解2.11%的碳，而在727℃时，碳在奥氏体中的溶解度降至0.77%。若含碳量大于0.77%，温度自1148℃冷至727℃时，由于碳在奥氏体中的溶解度降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)，以区别从液体中直接结晶析出的一次渗碳体(Fe3CⅠ)。

GS线为奥氏体在冷却过程中析出铁素体

的起始温度线，简称A3线。

PSK为共析线，简称A1线。铁碳合金含碳量在PSK线投影范围（0.0218%～6.69%）内时，奥氏体在727℃时必然发生共析反应，形成珠光体。

铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及意义

符 号 温度，℃ 含碳量，% 意 义
A 1538 0 纯铁熔点
C 1148 4.3 共晶点
D 1227 6.69 渗碳体熔点
E 1148 2.11 碳在奥氏体中的最大溶解度
G 912 0 α-Fe与γ-Fe的同素异构转变点
P 727 0.0218 碳在铁素体中的最大溶解度
Q 室温 0.008 室温下碳在铁素体中的溶解度
S 727 0.77 共析点

读书笔记（七）——金属冷热加工再结晶

12．金属的冷热加工

1）冷加工和热加工的区别。冷、热加工的界限是以再结晶温度来划分的，低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。

再结晶是当冷塑性变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒，这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称为再结晶。由于再结晶后组织的复原，金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。

再结晶温度不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。影响再结晶温度的主要因素是金属的预先变形过程，金属预先变形程度越大，则再结晶温度越低。金属中的微量杂质或合金元素使再结晶温度提高；提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长保温时间使再结晶温度降低。

工程中，把消除加工硬化所进行的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高100～200℃。

晶粒大小对金属的力学性能具有重大影响。影响再结晶晶粒大小的因素有：一是加热温度和保温时间。加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大，加热温度的影响尤为显著；二是预先变形度。预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。

2）热加工对金属组织和性能的影响。热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密，成分均匀，晶粒细化，力学性能提高。

热加工使铸态金属中的非金属夹杂物沿变形方向伸长，形成彼此平行的宏观条纹，称为流线，由这种流线体现的组织称为纤维组织。纤维组织使钢产生各向异性，与流线平行的方向强度高，而与其垂直的方向强度低。在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。

13．

压力容器用钢的选材及材料供货状态中常被涉及的几个概念

1）热加工(hot working)：①指铸造、锻造和热处理等工艺，有时也包括焊接。因加工时需将金属材料加热，故名。②亦称为“热塑性加工”，指金属材料在高于结晶温度下进行塑性加工的过程，包括热轧、热挤压、热成型、热锻、热镦等。

2）热成型(hot horming)：将钢板加热到产生晶粒细化的温度后，一种产生永久变形的成型工艺。当由设备制造厂进行正火处理时，可以通过热成型时的均匀加热来实现。钢板热成型的加热温度不应过高的超过正火温度。

3）热轧(hot rolling)：指在再结晶温度以上进行的轧制过程。变形抗力小，轧制变形量大，生产效率高。

4）控制轧制(controlled rolling)：亦称为“高温形变正火”，钢的形变热处理工艺之一。在热轧过程中，通过对金属材料加热、轧制和冷却的合理控制，使塑性变形与固态相变过程相结合，以获得良好的组织，从而使钢材具有优异的综合性能。可以省去轧后的热处理工序。主要用于含有微量合金元素的低碳钢种。其内容包括：控制温度、变形量等轧制工艺参数，以控制再结晶过程，获得所要求的组织与性能。

读书笔记（八）

15．低温韧脆转变

体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是压力容器中常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度（ductile-brittle transition temperature缩写DBT或DB）或冷脆转变温度。面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象。高强度钢及超高强度钢在很宽的温度范围内冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。

材料低温脆性的产生与其屈服强度σs和断裂强度σc随温度的变化有关。具有体心立方或密排六方结构的金属或合金的屈服强度σs对温度变化十分敏感，温度降低，σs急剧升高，σc降低，二者交于一点，该交点对应的温度即为tk。高于tk时，σc＞σs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；低于tk时，外加应力首先达到σc，材料表现为脆性断裂。而面心立方结构材料的σs随温度的下降变化不大，近似为一水平线，即使在很低的温度仍未与σc曲线相交，故此种材料的脆性断裂现象不明显。

影响材料低温脆性的因素：

①晶体结构的影响。②化学成分的影响。③显微组织的影响：a)晶粒大小。晶粒直径越小，韧脆转变温度越低；b)金相组织。④加载速率的影响。提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温

度提高。⑤试样形状和尺寸的影响。

工程中一般规定夏比V形缺口冲击吸收功降至20J所对应的温度作为该材料的韧脆转变温度。

16．奥氏体不锈钢低温问题

18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢在超低温下使用时，还要特别注意奥氏体组织的稳定性和由于敏化所产生的脆性。因为这类钢的镍、铬含量不很高，其Ms（马氏体转变开始点）点约在-200℃左右，因此如在-200℃以下使用时，由于马氏体相变，有降低韧性的危险。需要热加工和焊接的构件，如随后不能进行固溶处理的话，则会使材料受到敏化，低温韧性降低更大。这类钢的Md（形变马氏体点）点约为316℃左右，比它的Ms点高的多，因而通常在室温下冷变形将会发生马氏体转变，导致韧性降低。所以，使用条件若为-200℃以下的超低温，则以超低碳和含镍较高的00Cr19Ni10不锈钢更为合适。因为虽然碳低，但含镍高，可防止Ms点上升，奥氏体组织较稳定，同时材料敏化程度低，因冷变形引起马氏体相变而导致韧性降低的程度小。

17．低温容器用钢注意事项

（1）冲击试验温度的说明

除环境低温容器外，安装在容器外的螺栓材料的试验温度，一般可比壳体设计温度提高15～30℃。在有保温的情况下，对焊或平焊法兰用螺栓的设计温度可比壳体提高15℃；活套法兰用螺栓可提高30℃。螺母用材料的冲击试验温度允许比螺栓的试验温度提高30℃。

对不需焊接，且以承受弯曲应力为主的承压元件，如螺栓连接的平盖、活套法兰等，材料的冲击试验温度允许比容器的设计温度提高30℃。

（2）对紧固件的要求

1）低温压力容器法兰用螺栓、螺柱等紧固件不得采用一般的铁素体商品紧固件。符合低温低应力工况的压力容器，当其调整后的设计温度等于或高于-20℃时，可不受此限制。紧固件用配套螺母允许使用一般的商品螺母，但使用温度应不低于-40℃。

2）推荐采用中部无螺纹部分的芯杆直径不大于0.9倍螺纹根径的弹性螺柱。

3）设计温度不低于-100℃的铁素体钢容器，应采用铁素体钢紧固件（螺栓、螺柱、螺母、垫圈）。设计温度低于-100℃的奥氏体钢容器，应采用奥氏体钢紧固件。

读书笔记（九）

18．氢损伤

氢损伤包括氢脆、氢腐蚀、氢鼓泡、发纹或白点、显微穿孔、流变性能退化和形成氢化物七种类型。其中氢脆和氢腐蚀是最常见的氢损伤行为。

1）氢脆。是由扩散到金属中的氢做造成的材料脆化现象。包括氢致应力开裂（又称氢致延性脆性开裂或称内氢脆）、氢环境脆化和氢致拉伸延性丧失三种形式。

发生氢脆的温度范围在-100～200℃之间，而以常温（20～40℃）为

甚；拉应力引起氢脆，一般认为压应力不引起氢脆；氢脆的断裂性质为脆性断裂。

氢脆容易发生在高强度材料和钛、钽等金属上。氢鼓泡现象往往发生在低强度材料上，其本质也是属于氢脆问题。

2）氢腐蚀。钢受到高温高压氢作用后，钢中的碳与渗入钢中的氢原子反应生成甲烷，使其强度、韧性明显降低，并且是不可逆的，这种现象叫做氢腐蚀。大多数氢腐蚀常伴有脱碳现象，但在较低温度条件下即使没有明显的脱碳现象也会发生晶界裂纹。

在某一氢压力下产生氢腐蚀有一起始温度，它是衡量钢材抗氢性能的指标。低于这个温度，氢腐蚀反应速度极慢，以至孕育期超过正常使用寿命。碳钢的这一温度大约在220℃左右。

氢分压也有一个起始点（碳钢大约在1.4MPa左右），即不管温度多高，低于此分压，只有发生表面脱碳而不发生严重的氢腐蚀。

Nelson曲线只适用于高温高压造成的氢腐蚀，并不适用于氢脆。根据每条曲线上标注的钢种，可以查到不发生氢腐蚀（或者氢腐蚀微弱）的温度范围和起始氢分压。在每条曲线上面对应的温度和氢分压，都是产生氢腐蚀的工况，偏离曲线越高，氢腐蚀越严重。

Nelson曲线是对退火钢所得的经验曲线，如钢在调质或正火-回火状态下使用，则不能完全搬用此曲线。该曲线没有考虑焊缝、热影响区、钢中夹杂物、制造工艺等影响，也未考虑含氢介质中其他气体的影响，因而使用Nelson曲线时必须谨慎。

冷加工变形，提高了碳、氢的扩散能力，对氢腐蚀起加速作用；焊后热处理则有利于抗氢腐蚀；钢中含碳量低，有利于抗氢腐蚀。

19．高温氧化腐蚀

1）蒸汽腐蚀。高于400℃的钢与蒸汽接触的表面便形成了Fe3O4氧化膜，这种现象就是蒸汽腐蚀。所形成的Fe3O4氧化膜在一定程度上会阻止蒸汽腐蚀的继续发展。对于碳钢，在500℃以上，这种氧化膜基本上就不起保护作用了，试验表明，温度是影响蒸汽腐蚀的主要因素，而蒸汽压力对腐蚀的发展基本上不起作用。

防止蒸汽腐蚀的方法：对于蒸发受热面是设法消除蒸汽的停滞现象；对于蒸汽过热器是在钢中加入合金元素，以提高钢的抗蒸汽腐蚀性能。

同一种合金元素对钢的耐热性及抗蒸汽腐蚀性的影响往往是不同的。钼能有效地提高抗蒸汽腐蚀能力，但对耐热性不起作用；而硅则相反，能有效提高耐热性，但对抗蒸汽腐蚀不起作用；铬在这两方面均能起良好的作用。

读书笔记（十）——几种防腐表格



读书笔记（十一）——常用材料的焊接性能

（1）碳素钢的焊接性能。碳素钢在正常情况下焊接，焊缝中不会出现热裂

纹，因其含碳量低，Mn、Si等合金元素含量较少，焊缝和热影响区不易产生淬火组织，抗裂性较好，一般焊接时不需预热，焊接以后也不需要热处理改善组织。但当热输入量过大时，会使热影响区的过热区晶粒长大严重，甚至产生魏氏组织，从而使焊接接头的韧性下降。

（2）低合金热轧钢及正火钢的焊接性能。低合金正火钢比低合金热轧钢合金元素含量较多，因此其淬硬倾向比热轧钢要大些，低合金热轧钢及正火钢的焊接冷裂纹比碳素钢敏感，一般随钢材强度级别的提高，焊接冷裂纹敏感性增大。某些含有钒、铌、钛、钼等强碳化物形成元素的高强钢还有较大的再热裂纹倾向。对厚度较大和刚性较大的焊接结构可以采取预热及焊后消氢等工艺措施，并适当控制焊接线能量，来达到较好的焊接效果。

（3）低合金调质钢的焊接性能。低合金调质钢一般含碳量较低，为了提高淬透性经常加入较多的镍，镍含量的提高增加了热裂纹倾向，但低合金调质钢的硫、磷杂质含量较少，其抗热裂性很好。低合金调质钢焊接以后若在马氏体转变时冷却很快，形成的马氏体焊缝组织有很大的冷裂纹倾向；若采取正确的预热措施使焊缝在马氏体转变时冷却变慢，则形成的低碳马氏体在高温时进行一次自回火，即可避免冷裂纹的产生。

（4）低合金铬钼耐热钢焊接性能。低合金铬钼耐热钢焊接过程中淬硬倾向大，对焊接裂纹敏感。由于铬、钼、钒等合金元素的加入，降低钢材的临界冷却速度，提高了过冷奥氏体的稳定性。若焊接冷却速度较快则在热影响区的过热区不易发生奥氏体向珠光体转变，而在更低的温度下向马氏体转变，形成淬硬组织。在残余应力和扩散氢的共同作用下，焊缝和近缝区催硬组织极易发生冷裂纹。这类钢焊接时应采取较高的预热温度、焊后消氢处理甚至中间热处理等工艺措施，焊后还应进行热处理改善组织性能。

（5）低温钢焊接性能。低镍低温钢（如16MnDR）焊缝金属因其杂质含量少，所以热裂纹倾向很小。由于金属含碳量低、合金元素含量少，所以抗冷裂性较好，一般中等厚度板不需预热，焊缝和热影响区不会产生淬火组织。镍系低温钢（如3.5Ni钢）焊缝金属的成分与母材接近，增大了热裂纹敏感性，应控制焊缝碳、硅、硫、磷含量比母材低，并加入钛-硼、钼等合金元素强化焊缝基体，细化晶粒，严格控制氧、氮等杂质元素。含镍低温钢由于镍的加入，焊缝和热影响区有一定的淬硬倾向，在板厚较大或拘束度较大以及环境温度较低时，应采取适当的预热措施防止冷裂纹的产生。热输入量对焊接接头低温韧性影响极大，焊缝

及热影响区随热输入量的增加低温韧性明显降低，低温钢焊接时应采用较小的线能量，以防止焊缝和热影响区的组织粗大，保证焊接接头与母材有相当的低温韧性。这类钢有一定的回火脆性倾向，消除应力热处理的规定应严格控制。

（6）不锈钢焊接性能

1）奥氏体不锈钢的焊接性能主要考虑热裂纹和耐腐蚀性两方面问题。

①奥氏体不锈钢焊缝容易形成方向性很强的粗大柱状晶，若焊缝中的硫、磷杂质含量较高，焊缝凝固时就在晶间形成低熔点共晶，又因奥氏体不锈钢线膨胀系数大造成焊缝受到较大的拉应力，所以容易在焊缝中出现热裂纹。

②焊接接头的耐蚀性包括晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。焊接接头可有三种部位的腐蚀现象，即焊缝晶间腐蚀、敏化区腐蚀、刀状腐蚀。为防止焊接接头腐蚀，从材料方面可以降低焊缝的含碳量，加入适量的钛、铌稳定元素，或通过调节焊缝金属的化学成分使焊缝含有4~12%的铁素体，从而防止焊缝晶间腐蚀；降低母材含碳量，加入适量的钛、铌稳定元素，从而防止敏化区腐蚀；含钛、铌稳定元素的奥氏体不锈钢在紧靠熔合线的过热区会产生刀状腐蚀，降低母材的含碳量可以防止刀状腐蚀的发生。从焊接工艺方面讲，用低的焊接线能量可以减弱焊缝和敏化区的碳化物析出，防止晶间腐蚀，用低的线能量可以减弱过热区碳化钛、碳化铌的溶解，从而防止刀状腐蚀。应力腐蚀开裂是不锈钢焊接接头破坏的主要原因，焊接残余应力、腐蚀介质和敏感材料是应力腐蚀开裂的三个必要因素，调整合金元素含量，调整金相组织是防止应力腐蚀的重要途径，通过采用小的线能量、合理布置焊缝位置、消除应力处理等工艺措施降低焊接残余应力是降低焊缝应力腐蚀开裂的一个重要措施。

2）铁素体不锈钢焊接的主要问题是近缝区的晶间腐蚀和近缝区晶粒急剧长大引起的高温脆化及σ相脆化和475℃脆化。造成晶间腐蚀和高温脆化的原因是加热温度达到1000℃以上的热影响区铁素体中的碳、氮化物发生高温溶解，快速冷却时使晶界贫铬，并使基体强化，塑性、韧性下降。铁素体不锈钢在550~820℃温度区间长时间加热会产生σ相，σ相是富铬脆性相（含42%~50%Cr），因其析出引起周围贫铬，造成耐蚀性降低，σ相脆化过程比较缓慢，对焊后状态的焊接诶接头耐腐蚀性、韧性影响不大。铁素体不锈钢含Cr量大于15%时，焊接接头经400~500℃长时间加热或缓慢冷却，会造成接头强度硬度升高、韧性下降，这就是475℃脆性。焊接时应采用较小的线能量和较低的预热温度，以减弱晶间腐蚀和近缝区脆化倾向。

3）双相不锈钢

的焊接特点。焊接时应采用适当的预热或层间温度以及适当大小的线能量，使铁素体能充分的转化为奥氏体，防止焊缝的铁素体化而变脆。因为双相不锈钢含有较多的铁素体，所以它有产生475℃脆化和σ相脆化倾向。

（7）异种钢的焊接性能

异种钢焊接接头分为两种情况，第一种接头两侧为同类金相组织，即接头两侧的母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体或奥氏体类钢；第二种接头两侧为异类金相组织，即一侧为铁素体另一侧为奥氏体，复合板的过渡层焊缝和堆焊不锈钢的过渡层也属于这种情况。第一种情况的焊接性能与接头两侧母材的焊接性能相近。第二种情况的焊接应考虑三方面问题。

1）焊缝的稀释和过渡层的形成问题。在焊材的选用和控制熔合比时应使焊缝的组织为奥氏体+铁素体双相组织，同时保证铁素体侧的熔合区过渡层尽量窄，使焊缝有较好的塑性和抗热裂性能。

2）熔合区扩散层问题。用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝与铁素体钢母材间存在“碳迁移”现象，靠近熔合线焊缝一侧形成增碳层，母材一侧形成脱碳层，由于增碳层和脱碳层的变形阻力不同，将引起应力集中，从而降低高温持久强度和塑性，使接头沿熔合区破坏。焊缝中镍元素含量越高扩散层越窄，镍基合金焊缝可抑制“碳迁移 ”现象。

3）焊接接头应力问题。异种钢焊接接头的化学成分和组织存在很大的不均匀性，两侧母材的导热系数、膨胀系数不同导致焊接残余应力很大，通过热处理又无法消除；热物理性能差异很大的异种钢接头在高温运行时会产生很大的热应力，若焊接接头处于热疲劳状态则更为危险。

（8）镍基耐蚀合金的焊接。镍基耐蚀合金焊缝容易产生凝固热裂纹和多边化裂纹。由于镍基合金为单相奥氏体组织，所以与不锈钢相比有较高的热裂纹倾向，焊接时应严格控制硫、硅、磷、铅等杂质。控制热输入量，防止晶粒的过分长大，也有利于防止热裂纹的形成。如果在焊缝中加入固溶强化的铬、钼、钨、锰、钽与铌等元素，可有效抑制镍基合金元素多边化结晶的发生。

镍基合金特别是合金元素含量低的工业纯镍，流动性差，固液相区间小，在焊接快速冷却凝固结晶条件下，极易产生气孔。焊接前应认真清除油污、氧化物等杂质。

镍基合金与奥氏体不锈钢类似也有晶间腐蚀敏感性，焊接时应注意快速冷却，避免焊接区高温停留时间过长，防止焊接区在使用过程中产生晶间腐蚀。

读书笔记（十二）——焊材选用

焊材选择时必须考虑两方面问题：一是焊缝内没有焊接缺陷；二要焊接接头满足使用性能的要求。

（1）承压设备用碳素钢、低合金高强度钢焊接时焊材选用应考虑的因素

1）焊缝金属与母材等强度的焊材选用原则。焊接应按钢材的抗拉强度等级选用相应强度等级的焊接材料，焊接接头的抗拉强度应不低于母材标准规定的抗拉强度下限值。焊缝金属强度不仅取决于焊材熔敷金属的强度，而且很大程度上受母材的强度、坡口截面尺寸、板厚、接头型式的影响。为改善接头的抗裂性能和焊接工艺性能，允许在满足上述前提下，可选用熔敷金属公称抗拉强度比母材低10~30MPa，甚至低一级的焊材。

2）对有较高韧性要求或冷裂纹敏感性较强的焊接接头，应选用碱性低氢型焊条。碱性低氢型焊条焊缝金属较纯净，因此焊缝韧性较好。由于这类钢具有程度不同的冷裂纹倾向，所以在等强度原则的前提下，对冷裂纹敏感性强的母材严格控制焊接材料中的氢含量非常重要，对于强度级别较高的低合金高强钢及结构刚性较大的焊接件，应尽量选用碱性低氢型药皮焊条。当厚度增大时，在同等强度等级中应选用抗裂性能好的碱性低氢型焊条；若角焊缝焊脚的尺寸较大，应选用抗裂性能较好、焊条直径较大的碱性低氢型焊条；对于强度较高的低碳低合金调质钢甚至选用超低氢碱性焊条；当采用埋弧自动焊时应选用碱性烧结焊剂。

3）根据焊后加工工艺选择焊材。焊后经热加工或热处理的焊件应考虑高温对焊缝性能的影响，一般低合金高强度钢焊后经正火处理，应选用合金成分较高的焊材；焊后经冷变形加工应选用韧性、塑性较高的焊材。

4）当管道、小直径容器、接管等背面不能进行焊接，而需要单面施焊要求焊透和背面成形良好时，最好选用专用的相应强度等级的打底焊焊条，以改善背面成形，且不易产生气孔和夹渣等缺陷。

5）承压设备用碳素钢、低合金高强钢埋弧焊焊丝和焊剂选择应考虑焊丝与焊剂的组合及焊缝的坡口尺寸。碳素钢、低合金高强钢埋弧焊时焊缝金属的化学成分和机械性能主要取决于焊丝与焊剂的组合及焊缝的熔合比。焊丝相当于焊条的焊芯，焊剂相当于焊条的药皮，由于母材中合金成分不多，所以既可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗合金。通过焊剂向焊缝中过渡锰，有利于改善焊缝金属抗热裂纹能力和抗气孔性能。通过焊丝向焊缝过渡锰，有利于提高焊缝的低温韧性。

6）气体保护焊焊丝的选用首先要满足焊缝金属与母材等强度，焊缝金属化学成分与母材的一致性则放在次要位置。

（2）低合金铬钼耐热钢的焊材选用时应考虑的因素

1）为了保证焊缝金属与母材有相当的热强性和耐蚀性，焊

缝金属的化学成分应力求与母材接近，同时为了防止焊缝有较大的热裂纹倾向，一级选择的焊材焊缝强度过高，导致接头的韧性、塑性及抗裂性降低，要求焊缝的含碳量往往比母材低。

2）对临氢设备焊缝熔敷金属还应严格控制锰、硅、磷、锡、砷、锑等杂质元素。

3）由于这类钢都具有程度不同的冷裂纹倾向，严格控制焊接材料中的氢含量是非常重要的。特别对于结构刚性较大的焊接件而言，应选用低氢型药皮焊条。

（3）低温钢的焊材选用时应考虑的因素

1）低温钢焊接材料选用的基本原则是保证焊缝金属与母材有相当的低温韧性。

2）焊条的选用首先是根据焊件工作温度要求来进行，焊接时应选用温度等级相适应的焊条，应选用低氢型药皮焊条。

3）当采用埋弧自动焊时应选用中性熔炼焊剂配合Mn-Mo系焊丝或烧结焊剂配合Mn-Mo系焊丝或含镍焊丝。

（4）奥氏体不锈钢的焊材选用时应考虑的因素

1）奥氏体不锈钢的焊材选用一般按母材的牌号选用，焊缝金属的主要成分Cr、Ni、Mo、Cu等合金元素不低于母材标准规定的下限值。

2）为了满足耐晶间腐蚀要求可选用熔敷金属中含有稳定化元素钛、铌或含碳量不大于0.04%的焊接材料。一般奥氏体不锈钢的抗裂性能较好，推荐选用钛钙型或钛型药皮的焊条，这类焊条电弧稳定、飞溅小、焊缝成形好、且脱渣容易。对于铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、纯奥氏体不锈钢等裂纹倾向较大的不锈钢及奥氏体不锈钢用于低温（≤-196℃）等场合应选用低氢型药皮焊条，这类焊条工艺性稍差，但焊缝较纯净且含氢量低。

（5）镍基及铁镍基合金的焊材选用

镍基及铁镍基合金的焊材选用主要是根据母材的合金类别、化学成分以及使用的介质和温度环境要求。焊材的主要化学成分和母材的应尽量相似，加入一些合金元素如Nb、Ti、Mo、Mn等，以提高焊缝的抗裂性和耐蚀性。

（6）异种钢的焊材选用

异种钢的焊接接头可分为两种情况，第一种接头两侧母材属于同类型金相组织，两侧母材均是铁素体或均是奥氏体。第二种接头两侧母材不属于同类型金相组织，一侧是铁素体另一侧是奥氏体。对第一种情况，焊缝金属的性能应与一侧母材相近，并使焊接接头的使用性能不低于两侧母材较低的一侧。对第二种情况，因熔合比的影响应选用高铬镍奥氏体不锈钢焊条，保证焊缝金属是奥氏体金相组织，使焊接接头有良好的塑性和韧性，高温条件下工作应选用镍基焊材，以防碳迁移造成接头性能下降。异种钢的焊接材料选用时，在保证性能的同时应尽可能选择工艺性好、价格低的

焊材。奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的对接或角接，一般选用A302焊条或H1Cr24Ni13焊丝，也可选用合适的药芯不锈钢焊丝，当使用温度高于450~550℃，且焊接接头承受较高应力水平时，应选用高镍奥氏体焊条，如A502、A507、A607等，当使用温度高于550℃且焊接接头承受较高应力水平时，应选用镍基焊接材料。

读书笔记（十三）——热处理

热处理是通过加热和冷却固态金属来改变其内部组织结构并获得所需性能的一种工艺。对于碳素钢、低合金钢以及合金结构钢，常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火以及它们的组合，如正火加回火、淬火加回火。对于奥氏体不锈钢，常用的热处理工艺是固溶处理和稳定化处理

1．退火。退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却的热处理工艺。根据钢材成分和热处理目的不同，退火分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火和再结晶退火等。

1）完全退火。完全退火是把钢件加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后在炉内缓慢冷却的热处理工艺。由于加热温度略高于Ac3，珠光体和铁素体全部转变为奥氏体，且奥氏体晶粒比较细小。随炉冷却至Ar3以下时，奥氏体中首先析出铁素体，继续冷却至Ar1以下时，剩余的奥氏体全部转变为珠光体。经过这种热处理，可细化晶粒并获得接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善加工性能，消除钢件中的内应力。

2）去应力退火。压力容器最常见的热处理方法之一。是将钢件加热到Ac1以下100～200℃，保温一段时间（压力容器制造中通常按1h/25mm计算）后缓慢冷却的工艺方法，其目的是去除或降低冷成形、焊接等所产生的残余应力，稳定结构尺寸。

3）再结晶退火。是将钢件加热到不超过Ac1的温度，经适当保温后随炉缓慢冷却的工艺操作。由于温度升高时原子活动能力增大，使冷变形时破碎的、被拉长或压扁的晶粒，通过新晶体形核及核长大的过程变为均匀细小的等轴晶粒，从而消除钢件的内应力和冷加工硬化，降低钢件的强度和硬度，恢复其塑性和韧性。一般说来，金属的冷变形量越大，退火加热时保温时间越长，越可使再结晶过程在较低的温度小完成，实际生产中，钢件的再结晶退火温度一般取为Ac1以下50～150℃。

2．正火。正火是将钢件加热到Ac3以上50～70摄氏度，保温一定时间后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。正火与完全退火的主要区别在于正火后的冷却速度较快，使组织中的珠光体量增多，且珠光体的层片厚度减小。钢件经正火处理后，除能细化晶粒外，还能获得较高的强度和较好的

综合力学性能。

3．淬火。是把钢件加热到临界点（对于亚共析钢为Ac3，对于共析钢和过共析钢为Ac1）以上30～50℃，经适当保温后快速冷却的热处理工艺。淬火处理会使钢件在横截面的全部或一定范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变，从而提高其强度和硬度。

4．回火。是将经过淬火或正火的钢材或零件加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却（一般是空冷），以获得所需的组织和性能的热处理工艺。回火的目的是降低钢件的脆性；消除或降低内应力；通过调整回火温度获得所要求的力学性能；稳定尺寸；改善加工性。回火可分为低温回火（150～250摄氏度）、中温回火（350～500摄氏度）和高温回火（500～650℃）。淬火后的钢件经高温回火后得到的组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。淬火加高温回火又称为调质处理。

某些钢材具有高温回火脆性倾向，此类材料在某些温度范围（如2.25Cr-1Mo材料在375～575℃范围）回火后，材料的韧性明显降低。一般认为，这种回火脆性主要是钢中的P、Sn、As、Sb、Si和Mn等元素在回火（尤其是回火缓冷）过程中向原奥氏体晶界偏析引起的。降低钢中的P、Sn、As、Sb、Si和Mn的含量，有利于减小钢材的高温回火脆性倾向。对于有回火脆性倾向的材料，回火温度应避开其回火脆性的温度范围。



注：Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；

Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的终了温度；

Ac3：加热时珠光体向奥氏体转变的终了温度；

Ar3：冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。

读书笔记（十四）——焊后热处理

1．焊后热处理的目的和种类

焊后热处理的主要目的是降低焊接残余应力，改善焊接接头的组织和性能。焊后若能立即进行热处理，还有利于释放焊缝金属中的氢，防止焊接接头产生冷裂纹。焊后热处理根据热处理温度不同可分为：低于下转变温度的热处理（即是我们最常说的焊后消除应力热处理）；高于上转变温度的热处理（如正火）；现在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的热处理（正火或淬火后继之以回火）；上下转变温度之间的热处理。奥氏体不锈钢必须进行热处理且有抗晶间腐蚀要求时，可进行固溶处理或稳定化处理，否则一般不作焊后热处理。

1）对于碳素钢和低合金钢，最常用的是低于下转变温度的热处理，即热处理的加热温度低于材料的下转变温度Ac1，相当于去应力退火。主要目的是降低残余应力，稳定结构尺寸。由于热处理温度与材料的高温回火温度相当，

对于有淬硬倾向的材料，此类热处理还能消除焊接接头中的淬硬组织，降低峰值硬度，改善焊接接头的塑性和韧性。此类热处理降低残余应力的机理是：随着温度的升高，材料的屈服强度将降低，经过一定时间的保温，可使焊接接头中较高的残余应力通过塑性变形降低至保温温度下材料或焊缝金属屈服强度的水平，如果在高温下停留时间较长，还会因蠕变变形所产生的应力松弛使残余应力进一步降低。

2）高于上转变温度的焊后热处理主要用于电渣焊焊接接头，其目的是细化晶粒，改善焊接接头的性能。除了电渣焊焊接接头的细化晶粒热处理外，以下情况也应视为高于上转变温度的焊后热处理。

①先拼板后成形的封头或其他受压元件，如果采用高于上转变温度的热成形工艺，则此类受压元件上的焊接接头在热成形过程中就经受了高于上转变温度的焊后热处理

②正火加回火或调质状态使用的钢材所焊制的受压元件，为满足使用状态要求，需要在热成形后重新进行正火或淬火处理时，则这种热处理对于此类受压元件上的焊接接头来说也是高于上转变温度的焊后热处理。

③要求在正火加回火状态使用的材料（如18MnMoNbR、15CrMoR等），其电渣焊焊接接头或先拼板后进行热成形的受压元件，通常要求在正火（或相当于正火的热成形）后再进行回火处理，对于焊接接头来说，这样的热处理属于先在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的焊后热处理。

2．焊后热处理的温度和保温时间

温度和保温时间是焊后热处理的重要工艺参数。

（1）焊后热处理的温度

1）常用材料的焊后热处理温度可参照JB/T4709、GB12337及其他有关标准的规定。

2）调质或正火加回火状态供货的钢材进行低于下转变温度的焊后热处理时，热处理温度应低于钢材的原回火温度。

3）有回火脆性倾向的材料，焊后热处理温度应避开材料的回火脆性温度范围。

4）异种钢材相焊时，热处理温度应按两者要求温度的较高者。

5）非受压元件与受压元件相焊时，热处理温度应按受压元件的规定。

6）热处理是焊接工艺评定的重要因素，压力容器或其受压元件的焊后热处理温度应与所适用的焊接工艺评定中试件的焊后热处理温度基本相图。

（2）焊后热处理的保温时间

1）焊后热处理的最短保温时间与压力容器或受压元件的焊后热处理厚度δPWHT有关。δPWHT按以下规定选取：

①对于等厚度的全焊透对接接头，δPWHT为对接焊缝的厚度（余高不计）。

②组合焊缝（坡口焊缝加角焊缝），δPWHT为坡口深度与角焊缝厚度的较大者。

③对于不等厚焊接接

头，δPWHT为：对接诶接头较薄一侧的母材厚度；壳体与管板、平封头、盖板、凸缘或法兰相焊时，取壳体厚度；接管、人孔与壳体相焊时，取接管厚度（此厚度仅适用于安放式接管）、壳体（封头）厚度、补强板厚度以及连接角焊缝厚度中的较大者；接管与高颈法兰相焊时，取对接处的管子厚度；管子与管板相焊时取焊缝厚度。

④非受压元件与受压元件相焊时，取焊接处的焊缝厚度。

⑤焊接返修时，δPWHT为返修深度。

⑥对于同一炉内进行焊后热处理的压力容器及受压元件，δPWHT应取上述所有焊后热处理厚度的最大值。

2）对于低于下转变温度的焊后热处理，当母材为碳素钢和强度型低合金钢（焊接工艺评定中材料的类别号为I、II、III、VI类）且δPWHT≤50mm时，最短保温时间为δPWHT/25h，且不少于1/4h，当δPWHT＞50mm时，最短保温时间为[2+1/4×（δPWHT-50）/25]h；对于焊接工艺评定中类别号为IV类和V类的材料，当δPWHT≤125mm时，最短保温时间为δPWHT/25h，且不少于1/4h，当δPWHT＞125mm时，为[5+1/4×（δPWHT-125）/25]h。对于球形储罐，热处理保温时间按球壳厚度每25mm保温1h计算，且不少于1h。

3．炉内整体焊后热处理的操作规定：

（1）焊件进炉时炉内温度不得高于400℃；

（2）焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过5000/δS℃/h（δS为焊件的最大厚度，mm），且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h；

（3）升温时，加热区内任意5000mm长度内的温差不得大于120℃；

（4）保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65℃；

（5）升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化；

（6）炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过6500/δS℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h；

（7）焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中继续冷却。

注：热处理时，应在容器的代表性部位设置若干测温点，相邻测温点的距离不宜超过5000mm。

局部热处理时，环向焊接接头每侧加热宽度应不小于钢材厚度的2倍，接管与壳体相焊时加热宽度不得小于钢材厚度的6倍。在要求的加热宽度的范围内设置测温点。靠近加热的部位应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。

3.复合板容器的焊后热处理

焊后热处理涉及到不锈钢都比较头疼，复合板也是如此。原则上如果复合钢板的基层材料需要进行焊后热处理，则该复合钢板制造的容器也应进行焊后热处理，但同时必须考虑热处理对复层材料力学性能和耐蚀性能的影响。对于复合板，焊后热处理有可能使复层材料及复层焊接接头产生碳化物析出或形成σ相，从而损害