低溫壓力容器技術(shù)注意要點(diǎn)
1、低溫壓力容器材料控制要點(diǎn)
低溫壓力容器的質(zhì)量首先取決于低溫用鋼材的質(zhì)量。低溫用鋼按使用溫度大體分為三大類:-40℃以上溫度時,多用低碳(含碳里小于0.25%)碳錳鋼;-40～-196℃時,多用中鎳鋼、鉻鎳奧氏體鋼,-196～-273℃時,多用鉻鎳奧氏體鋼。
常用的鋼材有：16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR、06MnNbDR、CF-62 等,以及鎳系低溫鋼材1.5Ni、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni 鋼等。
鋼材在低溫下的主要失效形式是脆性斷裂。鋼材在溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度(NDTT)時,在有足夠尖銳的缺口或缺陷時就可能導(dǎo)致低應(yīng)力下的脆性斷裂。這種斷裂破壞是突然發(fā)生的,并可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。鋼材在低溫下的沖擊值A(chǔ)kv,反映了鋼材缺口尖端處的在低溫下塑性變形能力和對裂紋擴(kuò)展的敏感性,即低溫韌性。
材料采購首先應(yīng)選擇經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部管理評審合格供方,同時為了得到良好的冷熱加工性能和低溫韌性,采購時對所選的低溫鋼材在對冶煉方法、化學(xué)成分、鋼材內(nèi)部組織、熱處理狀態(tài)等諸方面均應(yīng)加以嚴(yán)格規(guī)定和要求,以保證低溫鋼材的質(zhì)量。
低溫鋼材在入廠后的復(fù)驗(yàn)對于保證材料質(zhì)量,從而在源頭上保證低溫壓力容器的質(zhì)量具有重大意義。低溫壓力容器用鋼材在加工制造前須對低溫沖擊值進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。對低溫三類壓力容器和球罐用鋼材還要進(jìn)行全項(xiàng)目復(fù)驗(yàn)。即復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分、常溫機(jī)械性能、低溫沖擊值以及鋼材超聲波檢測復(fù)驗(yàn)。鋼材復(fù)驗(yàn)按進(jìn)行精確下料,確保筒體成形準(zhǔn)確。對于封頭及球殼板批進(jìn)行,每批由同一牌號、同一爐罐號、同一規(guī)格尺寸、能、低溫沖擊值以及鋼材超聲波檢測復(fù)驗(yàn)。鋼材復(fù)驗(yàn)按批進(jìn)行,每批由同一牌號、同一爐罐號、同一規(guī)格尺寸、同一熱處理制度的鋼材組成。
低溫壓力容器用焊條應(yīng)選用化學(xué)成分和力學(xué)性能與母材相近的低氫堿性焊條,埋弧焊焊劑應(yīng)選用堿性或中性焊劑,并且其低溫沖擊值不小于標(biāo)準(zhǔn)和母材的規(guī)定。所有用于低溫鋼的焊條應(yīng)按批復(fù)驗(yàn)藥皮含水量或熔敷金屬擴(kuò)散氫含量。
建立嚴(yán)格的低溫鋼材料的發(fā)放、回收以及現(xiàn)場管理制度,對于低溫壓力容器的制造來講是重要的質(zhì)量保證手段。特別在制造現(xiàn)場,由于低溫鋼材與普通鋼材容易混淆,如不嚴(yán)加管理會留下很大的事故隱患。低溫鋼材和焊條應(yīng)專人專庫管理,經(jīng)技術(shù)交底后,施工人員和相關(guān)管理人員應(yīng)熟識低溫鋼材和焊條的標(biāo)識,以防與其他鋼材混淆。
材料進(jìn)出庫要記錄臺帳,剩余材料要及時進(jìn)行標(biāo)識移植。低溫鋼材表面質(zhì)量要求高,低溫鋼材儲運(yùn)過程中應(yīng)保護(hù)好表面并采用色標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識。下料、切割應(yīng)在材料管理人員監(jiān)督下進(jìn)行,并及時進(jìn)行色標(biāo)移植,低溫鋼材表而不允許打鋼印作標(biāo)識。鋼板材、半成品按批號、規(guī)格分類上架堆放,預(yù)制,加工成形的材料用胎具支架存放,嚴(yán)禁低溫鋼材料特別是焊接材料直接置于地面。支架離地面和墻面的距離不應(yīng)小于300mm 。
焊條庫設(shè)置符合相關(guān)焊材管理規(guī)定,庫內(nèi)溫度不得低于10℃ ,相對濕度不大于60% ,并做好記錄。焊條使用前按規(guī)定溫度烘干2 小時,烘干后放置于恒溫干燥箱內(nèi)(100～150℃)。
2 制造安裝過程控制要點(diǎn)
壓力容器低溫下的破壞除鋼材本身質(zhì)量因素外,制造及安裝缺陷造成的內(nèi)部應(yīng)力集中也是引起低溫脆性斷裂的一個重要原因。特別在低溫下,應(yīng)力集中處較大的峰值應(yīng)力與設(shè)備總體薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相疊加,使低溫壓力容器在局部達(dá)到很高的應(yīng)力水平,而低溫下鋼材的塑性變形能力下降,自限性條件消失,從而引起鋼材突然的脆性斷裂。
此外,在制造過程中,鋼材冷態(tài)下加工變形率過大時,會出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度增大,而塑性和韌性降低,脆性轉(zhuǎn)變溫度升高的冷作硬化現(xiàn)象,如不加以消除則會增加低溫脆性破壞的危險(xiǎn)。因此,在低溫壓力容器的制造、安裝過程中,應(yīng)采取措施降低內(nèi)部應(yīng)力水平和冷作硬化現(xiàn)象。
(1)鋼板材下料時必須嚴(yán)格按照經(jīng)計(jì)算的排版尺寸進(jìn)行精確下料,確保筒體成形準(zhǔn)確。對于封頭及球殼板進(jìn)行二次下料,以保證精度。在運(yùn)輸過程中應(yīng)采用合適的胎具進(jìn)行夾固,防止產(chǎn)生變形,現(xiàn)場組對安裝前,應(yīng)進(jìn)行尺寸復(fù)查,對復(fù)查超標(biāo)的板材,應(yīng)重新進(jìn)行壓制或校圓,確保組對質(zhì)量。如果偏差超標(biāo)而強(qiáng)行組對,就會產(chǎn)生很大的組裝應(yīng)力,這對于低溫壓力容器是很不利的。因此組對殼體時不得強(qiáng)行組對、組裝。
(2)為避免鋼材冷作硬化,低溫壓力容器的零部件在常溫下成形或矯形時,應(yīng)控制鋼板的冷塑性變形率≤2% ,并且不允許用鐵錘敲打成形或校形。當(dāng)環(huán)境溫度低于 -10℃時,不得進(jìn)行冷變形加工。對于容器筒體應(yīng)控制最小彎曲半徑并進(jìn)行多次輥壓成形。對于球殼板應(yīng)采用合適的胎具多次多點(diǎn)壓制成形,而對于橢圓形封頭,其冷作硬化最嚴(yán)重的是變形最大的過渡區(qū)和直邊部分,為消除冷作硬化,壓制之前或中間對板坯進(jìn)行退火處理以便軟化組織,防止斷裂。在冷壓后還應(yīng)進(jìn)行與原母材相同的熱處理,以恢復(fù)低溫韌性。
(3)在組對時,應(yīng)將各筒節(jié)的偏差均勻分布,不得集中至某一側(cè)或某一段,以免引起過大的形狀突變,減少應(yīng)力集中水平。對于不等厚的對接,應(yīng)將厚板削薄并圓滑過渡至與薄板齊平。對于低溫球形罐,應(yīng)采用分片散裝法逐片組裝,減少不均勻的偏差和形狀突變,確保組對錯變量、棱角度、圓度等指標(biāo)符合要求。
(4)容器殼體、受壓元件表面均不得用鋼印做各種標(biāo)識,只允許用油漆作標(biāo)識。
3、焊接工藝質(zhì)量控制要點(diǎn)
低溫壓力容器的焊接質(zhì)量是影響低溫壓力容器制造質(zhì)量的另一個重要因素。低溫鋼的焊接除了防止焊接裂紋外,關(guān)鍵是要保證焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性,這是低溫鋼焊接工藝質(zhì)量控制的一個主要環(huán)節(jié)。
3.1 低溫鋼冷裂紋的防止措施
低溫鋼冷裂紋產(chǎn)生的原因是應(yīng)力、淬硬組織和焊縫金屬擴(kuò)散氫含量共同作用的結(jié)果。低溫鋼材料中的雜質(zhì)、焊接區(qū)域中的油污、鐵銹、大氣中的水汽等在電弧高溫作用下分解出氫原子進(jìn)人熔池中,在焊縫冷卻過程中以過飽和狀態(tài)擴(kuò)散、析集于熔合線附近的熱影響區(qū),在焊接應(yīng)力及淬硬組織的共同作用下,極易產(chǎn)生冷裂紋。另外,一些工藝缺陷如咬邊、未焊透等也促成冷裂紋的產(chǎn)生。在我廠的制造中,采取如下措施防止冷裂紋產(chǎn)生,收到了良好的效果:
(1)減少氫的來源。選用低氫型焊條,甚至超低氫型焊條其次焊條必須徹底烘干,放人手提式保溫筒內(nèi)隨用隨取,筒內(nèi)溫度保持在100～150℃。焊條置于空氣中4h,必須再烘干,再烘干不得超過一次。焊接坡口附近焊前必須用砂輪機(jī)打磨干凈,要徹底去除銹蝕、油污和水汽及其它污物,檢查合格后方可施焊。
(2)選取合適的焊界線能量。線能量過小,則熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織。線能量大,有利于消除冷裂紋,但易形成過熱組織,影響低溫韌性,故焊接線能量應(yīng)適當(dāng)。
(3)嚴(yán)格檢查組對工序的質(zhì)量,錯邊量、棱角度等缺陷超標(biāo)時不得進(jìn)行焊接、同時嚴(yán)禁強(qiáng)制裝配組對,減少裝配應(yīng)力。另外,合理安排焊接順序,將焊接時產(chǎn)生的拘束度和應(yīng)力減至最小。
(4)焊前預(yù)熱、焊后緩冷。避免淬硬組織和減少焊接應(yīng)力,并及時進(jìn)行焊后熱處理。如不能及時進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理,焊后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理,300～350℃,保溫2～6h。但應(yīng)注意對一些回火脆性傾向大的鋼種處理時應(yīng)避開其回火脆性溫度區(qū)間。
(5)嚴(yán)禁在殼體非焊接部位隨意點(diǎn)焊、引弧。由于點(diǎn)焊、引弧處的冷卻速度低于正常的焊接冷卻速度,更易產(chǎn)生冷裂紋。而且有些引弧疤痕不易發(fā)現(xiàn),更易留下安全隱患。對于弧坑、焊疤,機(jī)械損傷等應(yīng)打磨清除干凈,修磨部分與母材圓滑過渡,修磨斜度至少為1:3,然后焊補(bǔ)并打磨至與母材齊平,進(jìn)行100%磁粉或著色檢查。
3.2 低溫鋼熱裂紋的防止措施
熱裂紋的產(chǎn)生則與應(yīng)力、雜質(zhì)和化學(xué)成分有關(guān)。焊縫中的有害元素硫、磷及其它易形成低熔點(diǎn)共晶物的元素共同作用,產(chǎn)生嚴(yán)重偏析,從而形成熱裂紋。特別是9Ni 鋼的焊接,采用與母材不同的奧氏體型的填充材料,更易產(chǎn)生熱裂紋。另外,焊接時形成的焊接熔池形狀與熱裂紋有關(guān)。熔池深而窄,則偏析多集中于焊縫中間,易形成熱裂紋,熔池淺而寬,而且呈圓形,則抗熱裂性好。防止熱裂紋我們采取如下措施保證焊接質(zhì)量:
(1)考慮母材對焊縫金屬的稀釋作用,焊條中所含的增加低溫韌性及防裂紋的合金含量應(yīng)比母材高,而硫、磷含量還應(yīng)更低。另外提高焊條和焊劑中的堿度,可改善焊縫中的偏析程度,提高抗裂能力。
(2)適當(dāng)預(yù)熱,并制定合理的焊接次序,減少焊接接頭的剛度,降低焊接應(yīng)力。
(3)采用正確的焊接參數(shù)。保持圓形的,同時淺而寬的焊接熔池。
(4)一旦出現(xiàn)裂紋,應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪將裂紋徹底打磨清除干凈,不能采用后繼焊道熔化來消除裂紋。
4 整體焊后熱處理質(zhì)量控制要點(diǎn)
焊接是最直接產(chǎn)生殘余應(yīng)力的熱加工過程。焊接殘余應(yīng)力主要是在焊接過程中,由焊接熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力造成。另外焊縫金屬及熱影響區(qū)母材在焊接過程中發(fā)生相變而產(chǎn)生的相變應(yīng)力,還有加工成形及組對裝配中產(chǎn)生的附加應(yīng)力等與焊接殘余應(yīng)力疊加,從而使壓力容器的應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜。各種內(nèi)部應(yīng)力的存在增加了低溫下的脆性斷裂的危險(xiǎn)。
低溫壓力容器焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理除了消除焊接殘余應(yīng)力之外,還能去除焊縫金屬中的氫氣,軟化熱影響區(qū)和加工變形區(qū)的組織,提高其低溫韌性,是保證低溫壓力容器質(zhì)量的重要手段。低溫壓力容器焊后消除應(yīng)力熱處理方法主要有:局部熱處理、爐內(nèi)整體熱處理、爐內(nèi)分段熱處理、整體內(nèi)部熱處理四種。其中,以整體熱處理處理效果最好,殘余應(yīng)力消除率可達(dá)90%以上。
為了保證焊后熱處理的制造質(zhì)量,制定焊后熱處理工藝參數(shù)時要考慮的因素很多,受壓工件材料及其原始組織狀態(tài)、熱處理要達(dá)到的目的、加熱方式(加熱速度)、工件尺寸及冷卻方式等。由于各種因素的差異,制訂的熱處理工藝參數(shù)也不盡相同,但其確定條件是相同的。
4. 1 保溫溫度的確定條件
(l)調(diào)質(zhì)的高強(qiáng)度低溫鋼,如果焊后加熱溫度超過原調(diào)質(zhì)回火溫度時,會失去調(diào)質(zhì)效果,使強(qiáng)度和韌性降低。特別是鎳系低溫鋼,易產(chǎn)生回火脆性,使低溫韌性下降。對于含有較多合金元素的低溫鋼來說,焊后熱處理往往會產(chǎn)生回火脆性(即再熱脆化),進(jìn)而降低焊縫和熱影響區(qū)的韌性。
(2)保溫溫度范圍確定條件為相變點(diǎn)以下,再結(jié)晶溫度以上。使晶格崎變和硬化組織通過恢復(fù)和再結(jié)晶得以消除,殘余應(yīng)力得到充分松弛和釋放,同時不致使母材及焊接區(qū)造成再熱脆化等不良后果。對于調(diào)質(zhì)或正火+回火鋼,其保溫溫度應(yīng)在回火溫度以下30℃左右為宜,以免破壞其性能,降低韌性和強(qiáng)度。
4.2 保溫時間的確定條件
(1)一定的保溫時間可使焊縫及母材的殘余應(yīng)力得以充分松弛,改善焊接區(qū)的性能同時在消除殘余應(yīng)力時又不至于產(chǎn)生新的溫差應(yīng)力,因而是必需的。
(2)當(dāng)所采用的加熱溫度比要求的加熱溫度低時,在現(xiàn)行的各種規(guī)范中,都采取延長保溫時間的辦法來達(dá)到消除應(yīng)力的效果,以彌補(bǔ)溫度的不足。但試驗(yàn)研究表明,應(yīng)力下降在保溫開始階段較為顯著,隨后應(yīng)力下降便趨于緩慢,保溫時間過長,反而會使焊縫金屬晶粒粗大化,脫碳層厚度增加,從而造成低溫韌性的下降。
(3)一般來說保溫時間不能短于最少保溫時間,而且只要達(dá)到規(guī)定的保溫時間和溫差要求就能很好地消除殘余應(yīng)力而不會產(chǎn)生大的溫差應(yīng)力。為了得到最小的保溫溫差而過分延長保溫時間也是不合理的。
4.3 加熱、冷卻速度的確定條件
加熱、冷卻速度應(yīng)隨著鋼中合金元素及厚度的增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高而降低,以避免產(chǎn)生新的溫差應(yīng)力。按照我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定,升溫速度≤200℃/h, 降溫速度≤260℃/h。對于大尺寸結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等,為了避免加熱溫差,應(yīng)采用較小的加熱、冷卻速度。
一般對于碳素鋼最低可為50℃/h,合金結(jié)構(gòu)鋼最低可為20℃/h。同時可采取補(bǔ)強(qiáng)或加固支撐等措施以防變形。另外,對于某些回火脆性傾向大的鋼種,應(yīng)盡量減少在回火脆性溫度區(qū)間的停留時間,升,降溫速度也不應(yīng)太小。
4.4 入爐出爐溫度的確定條件
被加熱件人爐或出爐時的溫度,一般規(guī)定在400℃以下。而對于某些超厚或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有時要采用200℃以下的人爐和出爐溫度。應(yīng)根據(jù)被加熱件的形狀和尺寸特點(diǎn)以及現(xiàn)場環(huán)境條件以不再產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力,無變形和裂紋為原則。