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最全的壓力容器焊接缺陷及熱處理知識

發布時間:12-07  

一、前言

壓力容器在石油化工生產中占有十分重要地位。壓力容器可以充當反應、交換能量、分離、塔器、貯存、運輸等石油化工設備。它們具有炮炸危險,它們的安全運行直接關系企業生產和人身安全。所以壓力容器產品質量歷來受到國家高度重視。近十余年來,我國壓力容器設計、制造,管理走上了法制管理軌道,產品質量正穩步提高。


焊接質量高且穩定,焊縫表面美觀平整。焊接成為壓力容器生產關鍵工序,焊接的質量是保證壓力容器質量非常重要環節。單焊接質量受多種因素影響:焊工技能、剛才化學成份、力學性能、焊接材料、焊接工藝及設備、環境等等都可以影響焊接質量。


為了提高壓力容器產品質量,國家通過取得制造許可證方可生產。對取得制造許可證廠家,制定焊接規程,方允許生產,焊工持證上崗,加強質量保證體系各個環節控制管理,目的就是要盡力避免減少質量隱患,以保證壓力容器產品質量。

隨著石化工業飛速發展,壓力容器正向大型化,高強度方向發展,對壓力容器質量提出更高要求,促使壓力容器焊接技術、工藝要不斷提高。

二、焊接缺陷

1、焊接接頭裂紋產生

大家知道,焊接接頭是一個組織不均勻體和力學性能不均勻體。施焊接過程焊接接頭熔合線附近,溫度在固相和液相之間,冷卻后組織屬于過熱組織、晶粒粗大、化學成份和組織都極不均勻、強度上升、塑生降低。熔合線外側為“過熱區”,此域晶粒粗大,常出現魏氏組織和索氏體,因而韌性顯著降低。


過熱區外側為“正火區”,由于加熱和冷卻發生重結晶過程,得到細化細小均勻的鐵素體加珠光體。再外側是“不安全重結晶去”,加熱溫度在AC1-AC3之間區域,該區加熱時鋼中珠光體和部分鐵素體轉變為晶粒比較細的奧氏體,單仍保留部分鐵素體,在冷卻時奧氏體轉變為細小鐵素體和珠光體,而未熔入奧氏體的鐵素體不發生轉變,晶粒比較粗大,形成結晶顆粒大小均勻組織,并仍保留原始組織中的帶狀特性。


由于熱影響及區熔池的結晶和換熱方向剛好相反,也即熱影響區至融合線至焊縫為結晶方向,熔合線處最先結晶,熔池中心結晶最慢。使得熔池雜質由熔合線向中心移動,因而熔池中央處易產生夾渣缺陷,而熔合線處由于冷卻速度快,易產生裂紋。


焊接腐蝕裂接頭可以由于鋼材淬硬性產生裂紋,氫擴散產生冷裂紋,再熱裂紋,晶間紋,以及由于焊接規范和工人技能因素產生焊接缺陷等。實踐證明,裂紋對壓力容器產品質量危害最嚴重。

1)熱裂紋

是由于焊接熔池在結晶過程中存在著偏析現象,偏析出的物質多為低熔點的共品和雜質,結晶過程以液態間層存在,由于熔點低,往往最后結晶凝固,凝固后強度也極低。當焊接拉伸應力足夠大時,液態間層拉開或凝固后不久被拉斷而成裂紋。


2)冷裂紋

是指焊接時在A3的下溫度冷卻中或冷卻至保溫以后產生的裂紋。形成裂紋溫度低,在馬氏體轉變范圍,即在200-300℃以下,故稱冷裂紋。有時焊后幾小時或幾天后,甚至長時間才出現裂紋,故又稱為延遲裂紋。其危害性更大。


冷裂紋往往由于電弧燃燒時空氣侵入或藥皮物質分解等,氫進入熔池熔于鐵水中,因高溫時鐵水溶解大量氫氣,在低溫時溶解度大大降低,溶于鐵水中氫從鐵水中析出,氫擴散聚集到鋼中缺陷處,產生局部壓力增大,促使鋼產生裂紋,所以冷裂紋又稱為氫致裂紋。


鋼在軋制時內部存在嚴重層狀非金屬夾雜物,使厚度方向拉伸塑性很差,在板厚方向存在高拉壓力,產生臺階狀層狀撒裂。


3)再熱裂紋

一些含、Cr、Mo、V、B等合金之素的鋼材焊后不產生裂紋。在消應力處理時,或在一定溫度下長時間使用后,沿熱影響區晶界產生裂紋,稱再熱裂紋,簡稱SR裂紋。

再熱裂紋是由于第一次熱后過程中過飽和和固溶的碳化物(主要是Cr、Mo、V的碳化物),在再加熱時,再次析出,造成晶內強化,使滑移應變集中原先奧氏體晶界,當晶界塑性應為能力不足以承受松弛應力過程產生的應變時就產生再熱裂紋。

這類鋼材在600℃附近有一敏感區。超過650℃時敏感性減弱。

4)防止裂紋產生的方法

為了防止裂紋產生,可以限制鋼材和焊材S、P含量:調節鋼材化學成份;細化焊縫晶粒;提高焊材堿度;改善偏析;控制焊接規范;提高焊縫系數,多層多道焊,采用小線能量;鑄件斷弧,減少弧坑。



還可以選用低氫堿性焊條,焊條嚴格烘干,隨用隨取;選用合理焊接規范;焊后立即消氫;提高鋼材質量,減少鋼材層狀夾雜物;財務降低焊接應力的各種工藝措施。減少殘余應力和應力集中;預熱機緩冷,焊后熱處理。這些辦法,只要運用得當都可以收到提高焊接質量,防止缺陷的作用。


至于未焊透,未熔合、夾渣、氣孔、焊縫表面缺陷如咬肉,焊縫尺寸等都可以通過無損探傷檢查,定出缺陷的位置,采取合理、有效返修工藝,認真操作,也可以達到消除焊縫缺陷,保證產品內在質量目的。

三、焊后熱處理

焊后熱處理可以消除殘余應力防止變形也就是說可以松弛焊接殘余應力,穩定尺寸和形狀。焊后熱處理也可以改善母材,焊接區結構件的性能:具體說:可以軟化熱影響區,增加焊縫金屬延性,提高斷裂韌性,排出有害其如氫,提高抗腐蝕性能,改善蠕變性能和提高疲勞強度。

但是,焊后熱處理工藝選擇不當,反而會使焊接接頭性能降低。因此焊后熱處理成為眼里容器制造重要環節。焊接接頭焊后熱處理應用最廣的是高溫回火、正火及固熔化處理。高溫回火可以解決因焊接和變形給壓力容器質量帶來的不良影響。

1、焊后熱處理可以松弛焊接殘余應力

隨著熱處理溫度升高和保溫時間延長,焊接區殘余應力相應降低,當溫度升高到超過550℃,殘余應力可以認為完全消除。不過保溫時間影響不如溫度升高影響來的明顯。


2、焊接接頭熱影響區淬硬區軟化

由于殘余應力大大降低,回火改善了金相組織,提高塑性和韌性,故而淬硬性降低,使焊接接頭淬硬區軟化。


3、焊接接頭氫減少

熱處理時,焊接接頭溫度升高,氫不斷增加擴散速度,向外逸出,一般說在加熱300℃以下,保溫2—4小時,可達到區氫目的,何況加熱到550—650℃時,去氫目的完全達到。


4、對焊縫金屬抗拉度的影響

焊后熱處理,對焊縫金屬抗拉強度響與熱處理溫度和保溫時間有關,熱處理溫度越高,保溫時間越長,焊縫金屬常溫抗拉強度就越低,并且合金成份含量越高,碳當量越大,強度降低的比率也越大。


5、對焊縫金屬沖擊韌性影響

過分的熱處理對任何鋼種都引起沖擊值下降。對Cr-Mo、Cr-Mo-V及絕大部分珠光體,馬氏體耐熱鋼恰當得焊后熱處理可以提高沖擊韌性。對某些高度強度鋼會經過熱處理后沖擊值下降。對碳素鋼、Mn-Nb-Ni鋼,焊后熱處理后沖擊值基本無變化。


6、對脫碳層寬度影響

熱處理溫度越高,保溫時間越長,脫碳層狂度越大,這是因為碳化物形成時元素含量不等,引起碳擴散,碳向含量低一側擴散,產生脫碳層,異種鋼接頭尤為嚴重。


回火是將焊件加熱到500—650℃時,碳化物進一步聚集,得到鐵素體和細粒滲碳體的混合物組織一回火索氏體,稱高溫回火,所得組織有良好強度、彈性、塑性和韌性。


正火是將焊件加熱到Ac或Acm以上30—50℃,保溫后從爐中取出在空氣中冷卻。目的改善組織,細化晶粒。單一正火不能消除焊后殘余應力。


固熔熱處理,將鋼加熱到920—1150℃并快速冷卻,使奧氏體焊接接頭在450—850℃內晶界析出碳化物或脆性相重新熔入奧氏體中去,將它快速固定下來,以得到均勻固熔體。從而消除其晶間腐蝕。也提高焊接接頭耐蝕性、機械性能,消除加工硬化。固熔熱處理應整體均勻加熱,不采取局部加熱法。


為了達到預期焊后熱處理效果,一定要認真研究,選擇合適的焊后熱處理工藝是十分重要的。


四、焊后熱處理工藝參數應從以下考慮

a、焊件進爐時爐內溫度,
b、加熱時溫度上限和下限,
c、加熱速度上限和下限,
d、保溫時間上限和下限,
e、冷卻速度上、下限,
f、出爐溫度,
g、升溫過程被加熱焊件各部位溫差,
h、保溫時被加熱焊件的各部位溫差,
i、爐內氣氛。由此可見影響熱處理因素很多,選擇應持慎重態度,不可隨意選取。

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