压力容器制造模拟热处理讨论

压力容器制造模拟热处理讨论

助理工程师 江可申

江苏金诺化工装备有限公司 江苏 宿迁 223800

摘要

中国是制造大国，机械制造行业是其中不可或缺的重要部分。机械制造业中的压力容器不仅是石油化工生产行业的重要生产设备还遍及到医药、环保等行业。随着压力容器的大型化、高压化、内部介质的复杂化等，它对金属材料的性能要求也越来越高，对设计中的热处理技术要求也越来越高。压力容器制造行业的不断发展，同时体现出热处理对压力容器制造业具有重要的支撑作用。在压力容器行业的不断发展中，压力容器安全的重要性也就逐渐被设计者及使用者所重视。压力容器热处理起到消除应力作用，对压力容器的安全性起到重要作用。本文针对压力容器热处理中（模拟热处理）工作展开讨论。主要讨论关于模拟焊后热处理概念、需做模拟焊后热处理的工况、需做模拟热处理的材料、关于焊缝是否需要做模拟焊后热处理、模拟焊后热处理的规范等。

关键词： 压力容器 模拟热处理 消除应力

Abstract

China is a manufacturing country, and the machinery manufacturing industry is an indispensable part of the pressure vessels in the machinery manufacturing industry are not only important production equipment in the petrochemical production industry, but also spread to the pharmaceutical and environmental protection industries. With the large-scale and high-pressure pressure of the pressure vessels The constant development of pressure vessel manufacturing industry reflects that heat treatment plays an important supporting role in the pressure vessel manufacturing industry With the continuous development of pressure vessel industry, the importance of pressure vessel safety has been gradually attached importance to by designers and users. Heat treatment of pressure vessels plays an important role in relieving stress, which plays an important role in the safety of pressure vessels

Key words: pressure vessel, simulated heat treatment, stress relief

一 模拟焊后热处理概念

在工程实践中发现，金属材料经过长时间的焊后热处理后，其力学性能(主要是抗拉强度)都有一定程度的降低。为了确保材料热处理后很长一段时间仍能保证其力学性能满足设计要求,提前与仿真设备制造过程总和的焊后热处理进行了样品的材料,并对试样进行力学性能测试，材料性能仍能满足设计要求。对材料事先提出模拟焊后热处理的要求，并作为材料订货要求的做法（实际上是对钢厂的要求）已有30余年的历史。
目前主要对厚钢板、锻件，且需要经历较长时间焊后热处理的情况需要考虑模拟焊后热处理问题。GB150-2011尚未涉及模拟焊后热处理内容，HG20580-20585系列标准已涉及该部分内容。但大量的工程标准、特别是临氢设备的工程标准中，模拟焊后热处理要求已成为标准最重要的内容之一。

制造容器的材料在制造过程中有可能经历多次相当于热处理的过程，如热成型等。模拟焊后热处理是为了检验材料在经过这些热处理过程后的各项机械性能是否满足要求。因此模拟焊后热处理应当在容器制造之前进行。主要是针对比较厚的碳钢板材,用试板模拟材料的热过程,一般根据实际制造过程热循环数量确定模拟热处理时间。

一些特别重要的设备，可能还要考虑使用过程返修的热处理。按道理，我们需要做完模拟试样并验证合格后，再把试样同批次的材料拿来制作设备，这样方能确保设备制造完成后材料性能也合格。

目前2000年，在JB/T4726-2000《压力容器用钢锻件》中已提出“力学性能试样坯料的模拟焊后热处理”要求。在JB/T7215-1994《锻焊结构热壁加氢反应器技术条件》已比较系统的规定了模拟焊后热处理的要求和规定。

二 模拟热处理存在的意义

1.模拟焊后热处理目的：

a消除焊接应力，提高焊缝质量。 

b避免大型设备或重要设备在制作中存在的焊缝或材料问题。

c节约成本与安全性考虑。

2. 进行模拟焊热处理是为了保证产品的机械性能不发生变化，热处理的次数以及热处理的温度由制造者提供。 

3. 模拟热处理就是事先模拟材料将要进行的实际热处理。提前判定该材料经过热处理后是否能保持应有的力学性能，例如CrMo钢的材料，由于冷裂纹倾向大，每焊一道缝都要立刻进炉做热处理，这样先焊的焊缝就要陪着每次新焊的缝多经历一次热处理。最后焊的一道缝只有一次热处理，而第一道缝要经历很多次。这时需做模拟最大和最小时间的热处理，由于热处理会增加冲击功减小强度，那么只要最大时间模拟热处理试板强度合格，最小时间模拟热处理试板冲击功合格，就可说明该材料母材或焊缝在实际热处理当中不会出现问题。 主要是针对比较厚的碳钢板材,用试板模拟材料的热过程,一般根据实际制造过程热循环数量。

三 模拟焊后热处理的情况

1.厚板材料需要模拟热处理， 例如铬钼钢及大于40mm后的板材需要最大时间,与最小时间的模拟焊后热处理。

2.特殊新材料的第一次使用。

3.需疲劳分析设备建议前期做模拟热处理。

4.存在热循环过程:（热成型,焊接,焊后热处理,现场返修后热处理）。

四 浅谈模拟热处理的注意事项

1.模拟焊后热处理必须是在设备制造前进行，设备在整个成形期间每次焊接后消应，主体材料需要跟着热处理，热处理时间长了材料的力学性能（特别是冲击、强度）必定会降低，好的材料就降低得少，热处理完后任然能满足性能标准范围，差的材料就降低得较多，不能满足标准。模拟焊后热处理就是把试样按照容器成形大概需要的焊后热处理时间和温度进行热处理，来判定这个材料是否合格。你要是试样随容器一起热处理，虽然是最真实的，但万一性能不合格，容器就基本报废了，因为容器根本不可能通过正火来改善其性能（正火高温带来的变形和氧化对容器来说是致命的），所以要求高的容器设备必须在制造之前对原材料进行模拟焊后热处理，不合格的还可以对原材料通过正火或调质进行改善。
2.模拟焊后热处理不仅仅只模拟生产过程中的热处理， 还应该包括热压这类热成型。例如热压成型的封头或厚板。
3.针对试样的不同检验项目，应分别采用最大时间或最小时间的焊后热处理,比如试样的弯曲， 就不必经历最大时间的焊后热处理。
4.除了原材料需要考虑模拟焊后热处理， 焊缝也应该考虑，焊评试板和产品焊接试板都应该模拟。

5.模拟焊后热处理，应模拟设备在制造过程中经过的所有的焊后热处理过程。
这里的焊后热处理是广义的，泛指480℃以上、Ac1相变温度（加热时，珠光体向奥氏体转变的温度。或称下转变温度）以下的所有热过程。包括中温成形、中温矫圆、中间热处理、分段热处理、局部热处理和最终热处理等热过程。但不包括热切割、焊前预热和焊后消氢热处理等低于480℃的热过程，也不包括封头热加工、正火热处理、调质热处理等超过Ac1相变温度的热过程。

6.金属在加热时，超过了Ac1相变点，珠光体开始向奥氏体转变。冷却后会获得新的显微组织，材料的性能也不同于原有的性能，材料的这种性能变化已超出了模拟焊后热处理的讨论范围。

7.一般计算热处理时间时还要考虑设备返修重新进炉热处理的时间，常见的定义一个循环2~3个小时，然后根据生产过程中可能需要的热处理程序确定，几次热处理就要做几个循环。最小时间热处理时间一般为一个循环，最大时间热处理则要看生产中可能会涉及到几次热处理，最多再加1~2此的返修循环。做模拟实验时最大热处理时间可以根据循环次数合并进行，比如说一次循环要求3小时，则最大时间模拟热处理要求3次的话就可以直接做9小时。

8.针对整个容器成型、返修所需焊后消应的总时间，只是针对主体材料试块，试块是不需要焊接的，主要是看经过这么长的时间热处理后材料的各项性能能否达到要求，因为容器成型过后无法再取样，所以只能通过模拟的方式来代替。一般厚的钢板和CrMo钢都需要做模拟焊后热处理，封头钢板试块的高温热成型和正火以及回火等模拟热处理虽然不属于模拟焊后热处理但须在模拟焊后热处理之前做（有的厂家封头钢板试块也可能只做了模拟焊后热处理，具体要看其技术要求）。最小时间模拟热处理就是容器成型所需要焊后消应的时间；最大时间模拟热处理就是容器成型后+返修（一般考虑两次返修）所需焊后消应的总时间，所以设计院的技术条件一般最大时间模拟热处理是最小时间模拟热处理的3倍。一般是设计院定温度（Q345R一般是620℃，CrMo钢一般是675℃或690℃）容器制造厂根据材料的具体厚度以及自身工艺来确定具体时间。

9. 模拟热处理结束后做机械性能分析.

五 结束语

压力容器作为化工产业重要组成之一，作为设计工程师更应全面考虑其制造成本的控制，材料的正确使用。尤其在特殊材料或含氢工况等条件下，模拟热处理的应用能够有效的提前解决焊缝质量问题，提前预判设备材料在使用过程中的工况。避免材料及能源的浪费。模拟热处理的应用更应与实际工况相结合，才能为压力容器制造行业不断提高安全性与经济性。

参考文献

[1]张兴辉 责任编辑 《压力容器用材料及热处理》 北京 化学工业出版社 2004.11

[2] HG/T20580-20585-2011系列标准 北京 中国计划出版社 2011.7
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[4] 《锻焊结构热壁加氢反应器技术条件》机械工业部（发布） 1995.7
[5] 禹小伟 铬钼钢承压设备焊后热处理工艺的探讨[J];压力容器;2007年09期
[6] 徐琛 杨文志 模拟焊后热处理工艺对15CrMo钢的组织和性能的影响《金属材料与冶金工程》 2016年03期