CN102839270A - 承压类设备焊后消应力热处理技术 - Google Patents
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Abstract
一种新的承压类设备焊后消应力热处理技术,包括步骤:1)安装加热板;2)采用保温棉包裹在加热板两侧的工件表面;3)加热热处理,并检测焊缝及焊缝两侧的温度,步骤包括:a)对焊缝检测合格后的环焊缝或纵焊缝的焊后热处理时:加热区宽度HB=7nhk;隔热区宽度GCB=HB+2a;b)对于返修焊缝的焊后热处理,是对于环焊缝的局部返修焊缝或纵焊缝局部返修焊缝进行焊后热处理,此时:加热区宽度HB=7nhk+L+100;隔热区宽度GCB=HB+2a。本方法确定加热区和恒温区宽度,可以保证热处理各要素的准确性,进一步提高热处理精准度同时减少不必要的能量消耗。
Description
技术领域
本技术方案涉及焊后热处理工艺技术领域,具体是一种承压类设备焊后消应力热处理技术。
背景技术
退火、铸、锻、焊件等在冷却时由于各部位冷却速度不同而产生内应力,金属及合金在冷变形加工中以及工件在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未及时予以去除,常导致工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火并不能将内应力完全去除,而只是部分去除,从而消除它的有害作用。
对于焊件来说,焊后热处理的主要目的是为了消除残余应力。焊接残余应力是由于焊接引起焊件不均匀的温度分布,焊缝金属的热胀冷缩等原因造成的,所以伴随焊接施工必然会产生残余应力。一般钢种选择最后一次回火温度减去25℃的温度进行消除应力处理。常规的焊接件去除应力的回火在500℃~600℃之间,保温后出炉空冷。如果装炉的方式不正确也是会造成产品产生变形的,就回火的工艺本身不会对产品的变形产生太大的影响。
对于压力容器,由于其压力等要求,现有技术中的给去应力方案都不能直接适用。所以工程人员在工程实践中,多是参考非压力容器焊接后热处理的工艺参数,再延长热处理时间后得到。这样,常常会出现的问题是过烧或加热温度足等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本技术方案提出一种
一种新的承压类设备焊后消应力热处理技术,包括步骤:
1)安装加热板
以焊缝为中心,在焊缝两侧均匀贴附加热板;(加热板缠绕紧实、加热板紧贴工件表面,不得有重叠、交叉、悬空或松动)
2)采用保温棉包裹在加热板两侧的工件表面;
3)加热热处理,并检测焊缝及焊缝两侧的温度,步骤包括:
a)对焊缝检测合格后的环焊缝或纵焊缝的焊后热处理时:
加热区宽度HB=7nhk;
式中:n—条件系数,hk—焊缝宽度(单位是mm);
对于产品的材料厚度δn,δn在50mm~100mm之间时,取n在1~3之间;δn在100mm~150mm之间时,取n在3~5之间;
隔热区宽度GCB=HB+2a;
式中:a—隔热附加值,a的取值范围是200mm~380mm;
b)对于返修焊缝的焊后热处理,是对于环焊缝的局部返修焊缝或纵焊缝局部返修焊缝进行焊后热处理,此时:
加热区宽度HB=7nhk+L+100;
式中:L—返修焊缝长度,L≤14nhk-100(单位是mm);
n—条件系数,hk—焊缝宽度(单位是mm);
对于产品的材料厚度δn,δn在50mm~100mm之间时,取n在1~3之间;δn在100mm~150mm之间时,取n在3~5之间;
隔热区宽度GCB=HB+2a;
式中:a—隔热附加值,a的取值范围是200mm~380mm。
所述隔热附加值的取值为经验值,通过大量试验得到。
加热区是指包裹(履带式)加热板部分;
隔热区是指包裹保温棉部分;
均温区是指局部焊后热处理时,焊件达到规定温度的范围,即达到规定温度范围的材料宽度,包括焊缝区、热影响区及其相邻母材;
返修焊缝是指:首次焊接焊缝检测不合格,则需要进行返修,返修后的焊缝即为返修焊缝,包含首次返修、二次返修和多次返修等。
本工艺中,加温过程中,升温速度不超过(5500/δn)℃/h,且不超过220℃/h,最小不低于55℃/h;
降温过程中,降温速度不超过(7000/δn)℃/h,且不超过280℃/h,最小不低于55℃/h。
在所述步骤3)中,检测温度是通过热电偶;安装热电偶时,热电偶的头部靠近焊缝热影响区,并紧贴在工件表面,固定热电偶。
本方法特别适用的场景是,隔热层在工件内外两面铺设,每面隔热层厚度不小于60mm。对于平焊缝和仰焊缝,加热带中心应正对返修焊缝中心;对于横焊缝和立焊缝,加热带中心应位于返修焊缝中心下方30±15mm。
本方法通过试验结合理论分析得出材料不同厚度在热处理过程中焊缝宽度与加热区以及隔热区之间的函数关系(即加热区宽度与焊缝宽度及隔热区宽度之间函数关系式),参照此关系式来确定加热区和恒温区宽度,可以保证热处理各要素的准确性,进一步提高热处理精准度同时减少不必要的能量消耗。
规范了承压类设备焊后消应力热处理过程中,焊缝宽度、加热区宽度和隔热区宽度之间关系,以保证在实现焊后消应力热处理达到最佳效果,同时减少能耗;
与现有技术相比,本发明提出了压力容器焊后热处理工艺的工艺,依照本法方法,热处理的效果一致性高,避免了过烧或加热温度不足等问题,同时,运用本工艺在压力容器生产局部焊后消应力热处理过程中,可以有效控制温度梯度,保证有效加热区范围及温度,达到最有效的消应力效果。
附图说明
图1-1~图7是对应第一次试验
图1-1、1-2:是12mm立位的热处理区域示意图;
图2-1、2-2:是12mm平位的热处理区域示意图;
图3-1、3-2:是28mm立位的热处理区域示意图;
图4-1、4-2:是28mm平位的热处理区域示意图;
图4-1、4-2:是50mm立位的热处理区域示意图;
图5-1、5-2:是50mm平位的热处理区域示意图;
图6是板材背面(不连接加热带一侧)测温点布置图:
图7是板材正面(加热带所在一侧)测温点布置图;
图8-1~图9-2是对应第二次试验
对于150mm上立位温度分布,图8-1是加热带所在一侧的温度曲线图,图8-2是板材背面(不连接加热带一侧)的温度曲线图;
对于150mm下立位温度分布,图9-1是加热带所在一侧的温度曲线图,图9-2是板材背面(不连接加热带一侧)的温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下:
一种承压类设备焊后消应力热处理技术,包括步骤:
1)安装加热板
以焊缝为中心,在焊缝两侧均匀贴附加热板;
2)采用保温棉包裹在加热板两侧的工件表面;
3)进行热处理,并检测焊缝及焊缝两侧的温度,步骤包括:
a)对焊缝检测合格后的环焊缝或纵焊缝的焊后热处理时:
加热区宽度HB=7nhk;
式中:n—条件系数,hk—焊缝宽度(单位是mm);
对于产品的材料厚度δn,δn在50mm~100mm之间时,取n在1~3之间;δn在100mm~150mm之间时,取n在3~5之间;
隔热区宽度GCB=HB+2a;
式中:a—隔热附加值,取200mm~380mm;
b)对于返修焊缝的焊后热处理,是对于环焊缝的局部返修焊缝或纵焊缝局部返修焊缝进行焊后热处理,此时:
加热区宽度HB=7nhk+L+100;
式中:L—返修焊缝长度,L≤14nhk-100(单位是mm);
n—条件系数,hk—焊缝宽度(单位是mm);
对于产品的材料厚度δn,δn在50mm~100mm之间时,取n在1~3之间;δn在100mm~150mm之间时,取n在3~5之间;
隔热区宽度GCB=HB+2a;
式中:a-隔热附加值,200mm~380mm;
步骤3)中,热处理的加温过程中,升温速度不超过5500/δn℃/小时,且不超过220℃/小时,最小不低于55℃/小时;
热处理的降温过程中,降温速度不超过7000δn℃/小时,且不超过280℃/小时,最小不低于55℃/小时。
步骤3)中,检测温度是通过热电偶;安装热电偶时,热电偶的头部靠近焊缝热影响区,并紧贴在工件表面,固定热电偶。
本例中,隔热层材料为硅酸铝棉,在返修焊缝筒体内外两面铺设,每面厚度不小于60mm;加热带沿返修焊缝方向布置;对于平焊缝和仰焊缝,加热带中心应正对返修焊缝中心;对于横焊缝和立焊缝,加热带中心应位于返修焊缝中心下方30±15mm。
具体论证过程如下(采用履带式电加热板):
1、论证方案设计,参考表1:
表1试验设计
材料厚度δn即壁厚(mm) | 12 | 28 | 50 | 150 |
焊缝宽度(mm) | 20 | 40 | 45 | 50 |
均温带(区)宽度SB半(即沿焊缝中心一半)(mm) | 22 | 48 | 73 | 150 |
加热带(区)宽度HB半(即沿焊缝中心一半)(mm) | 140 | 140 | 140 | 1050 |
隔热带(区)宽度GCB半(即沿焊缝中心一半)(mm) | 340 | 500 | 500 | 1800 |
n取值 | 1 | 1 | 3 | 5 |
a(mm) | 200 | 360 | 360 | 375 |
按照表1分别进行平位及立位试验。
表1中,均温带的范围与本公式无关,一般来说,以有效加热区的2/3作为均温区宽度,是经验数据。
由于试验板材规格所限,平位试验布置焊缝一侧测温点,立位测温点布置焊缝两侧,其中上侧测温点略少,作为下侧测温点的对照。
2、试验结果:
第一次试验结果参考附图:
图1-1、1-2:是12mm立位的热处理区域示意图;
图2-1、2-2:是12mm平位的热处理区域示意图;
图3-1、3-2:是28mm立位的热处理区域示意图;
图4-1、4-2:是28mm平位的热处理区域示意图;
图4-1、4-2:是50mm立位的热处理区域示意图;
图5-1、5-2:是50mm平位的热处理区域示意图;
图6是板材背面(不连接加热带一侧)测温点布置图:
图7是板材正面(加热带所在一侧)测温点布置图;
第二次试验将板材上下反置,试验结果参考附图:
温度曲线图(焊缝在上侧)参考图8-1、8-2的150mm上立位温度分布示意图;
图8-1是加热带所在一侧的温度曲线图;
图8-2是板材背面(不连接加热带一侧)的温度曲线图;
温度曲线图(焊缝在下侧)参考图9-1、9-2的150mm下立位温度分布示意图;
图9-1是加热带所在一侧的温度曲线图;
图9-2是板材背面(不连接加热带一侧)的温度曲线图;
3、结果分析
分析试验数据,主要根据升温速率、均温区内温度、绝热区出口温度等参数判定。
(1)升温速率
表二 升温速率
材料规格 | 下限(℃/h) | 上限(℃/h) | 试验(℃/h) |
12mm平位 | 55 | 220 | 150 |
12mm立位 | 55 | 220 | 160 |
28mm平位 | 55 | 196 | 142 |
28mm立位 | 55 | 196 | 128 |
50mm平位 | 55 | 110 | 87.5 |
50mm立位 | 55 | 110 | 86.7 |
150mm(焊缝在上侧) | 55 | ------- | 57 |
150mm(焊缝在下侧) | 55 | ------- | 57 |
(2)均温区温度
除个别温度测点异常外,多数都符合要求。分析原因,是热电偶标定校准有误差。
(3)绝热区出口温度
绝热区出口温度均在300℃以下,不会引起有害的温度梯度。绝热层厚度及宽度选取合理。
下面再进一步具体说明本热处理对厚板焊接结构的性能评定
检测对象:150mm的Q345R板材立位焊热处理情况:
1、应力测试:
对比热处理前后残余应力结果对比和讨论:
经焊后热处理,焊接残余应力值总体都下降了,且远低于母材屈服强度345MPa,下降幅度最小为40%,最大达98%。热处理前后,所测各点基本为压缩应力,可以知道,对于超厚板的对称立焊,在焊缝及热影响区为压应力区,拉应力区在更远的母材位置。
2、硬度测试:
对热处理前后的硬度测试结果对比和讨论:
热处理前,焊缝区和热影响区所在位置的硬度均差别不大,而母材硬度相差较大。经过分析,母材的差别是由于厚度方向为轧制所致,轧制层硬度高于平板方向;
热处理后,焊缝区、热影响区和母材的硬度相差不大。具体比较下来,热影响区硬度都高于焊缝区硬度。
3、显微组织观察
观察热处理前后的金属金相图,焊后热处理前后的组织对比分析:经过焊后热处理,组织更加细小,更加均匀。
Claims (3)
1.一种承压类设备焊后消应力热处理技术,其特征是包括步骤:
1)安装加热板:
以焊缝为中心,在焊缝两侧均匀贴附加热板;
2)采用保温棉包裹在加热板两侧的工件表面;
3)进行热处理,并检测焊缝及焊缝两侧的温度,步骤包括:
a)对焊缝检测合格后的环焊缝或纵焊缝的焊后热处理时:
加热区宽度HB=7nhk;
式中:n—条件系数,hk—焊缝宽度(单位是mm);
对于产品的材料厚度δn,δn在50mm~100mm之间时,取n在1~3之间;δn在100mm~150mm之间时,取n在3~5之间;
隔热区宽度GCB=HB+2a;
式中:a—隔热附加值,a的取值范围是200mm~380mm;
b)对于返修焊缝的焊后热处理,是对于环焊缝的局部返修焊缝或纵焊缝局部返修焊缝进行焊后热处理,此时:
加热区宽度HB=7nhk+L+100;
式中:L—返修焊缝长度,L≤14nhk-100(单位是mm);
n—条件系数,hk—焊缝宽度(单位是mm);
对于产品的材料厚度δn,δn在50mm~100mm之间时,取n在1~3之间;δn在100mm~150mm之间时,取n在3~5之间;
隔热区宽度GCB=HB+2a;
式中:a—隔热附加值,a的取值范围是200mm~380mm;
加热区是指包裹加热板部分;
隔热区是指包裹保温棉部分;
返修焊缝是指:首次焊接焊缝检测不合格,则需要进行返修,返修后的焊缝即为返修焊缝,包含首次返修、二次返修和多次返修。
2.根据权利要求1所述的承压类设备焊后消应力热处理技术,其特征是所述步骤3)中,热处理的加温过程中,升温速度不超过(5500/δn)℃/h或220℃/h二者的最小值,且不低于55℃/h;δn为材料厚度,单位是mm;
热处理的降温过程中,降温速度不超过(7000/δn)℃/h或不超过280℃/h二者的最小值,且不低于55℃/h。
3.根据权利要求1所述的承压类设备焊后消应力热处理技术,其特征是,在所述步骤3)中,检测温度是通过热电偶;安装热电偶时,热电偶的头部靠近焊缝热影响区,并紧贴在工件表面,固定热电偶。
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