CN113201627B - 大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法 - Google Patents

大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，包括如下步骤：(1)确定调质钢容器补焊区域相关尺寸参数；(2)确定局部热处理加热方式；(3)确定局部热处理升温及降温次数；(4)确定局部热处理加热范围；(5)确定局部热处理保温范围；(6)确定局部热处理加热工艺：包括热处理保温温度、保温时间；(7)布置测温和控温热电偶；(8)热处理实施，并记录热处理温度曲线。本发明提供了一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，为焊后热处理提供严格的规范操作，可有效地降低补焊区域残余应力。

Description

大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法
技术领域
本发明涉及压力容器焊后热处理技术领域，具体涉及一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法。
背景技术
压力容器在制造、安装和服役过程中难免会产生裂纹、腐蚀、磨损等各类缺陷，若不及时处理，会对设备的安全运行造成极大威胁。为延长压力容器服役寿命，降低生产成本，通常需要采用补焊的方法对压力容器进行局部修复，以恢复其结构完整性，然而补焊后会不可避免地在补焊区域引入较大的补焊残余应力，残余应力的存在对补焊设备的后期服役寿命产生很大的影响，特别是容易引发应力腐蚀失效。补焊后局部热处理是消除补焊后残余应力的有效手段，但目前国内外热处理标准均未对补焊后局部热处理工艺做出详细的规定，如加热方式、加热范围、保温范围等，这些参数是影响补焊热处理消应力效果的关键。若关键工艺选择不当，则会产生不当的温度梯度，引入新的热应力和残余变形，影响热处理效果。特别是对于调质钢而言，对热处理工艺要求则更为严格，调质钢指淬火成马氏体后在500～650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢，如核电压力容器SA508Gr3C11调质钢、核电钢制安全壳SA738Gr.B调质钢，这一类钢材对热处理温度要求极高，一般热处理温度温差不能超过25℃。因此，对于调质钢补焊后局部焊后热处理，需要有严格的热处理规范以指导现场技术人员操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，。
本发明具体采用如下技术方案：
一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，包括如下步骤：
(1)确定调质钢容器补焊区域相关尺寸参数：包括补焊区域容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2、补焊焊缝长度L、补焊焊缝厚度t；
(2)确定局部热处理加热方式；
(3)确定局部热处理升温及降温次数：根据补焊区域容器壁厚确定升温及降温次数；
(4)确定局部热处理加热范围：根据补焊区域容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2、补焊焊缝长度L确定局部热处理加热带布置范围，局部热处理加热带布置范围与补焊焊缝厚度t无关；
(5)确定局部热处理保温范围：根据步骤(4)中的加热范围确定保温带布置范围；
(6)确定局部热处理加热工艺：包括热处理保温温度、保温时间；
(7)布置测温和控温热电偶；
(8)热处理实施，并记录热处理温度曲线。
进一步地，所述步骤(2)中局部热处理加热方式为电磁感应加热。
上述技术方案选用电磁感应加热，其加热效率高、绿色环保、节能，便于通过热传递的方法加热补焊区域，且能精准地控制补焊区域加热温度。
进一步地，所述步骤(3)中，升温次数n1＝T/50，n1往上取整数；降温次数n2＝T/50，n2往下取整数。
上述技术方案中，根据补焊区域压力容器壁厚范围，确定局部热处理升温次数及降温次数，对于一定厚度的厚壁容器，采用一段升温的方式难以使内外壁温度达到同一热处理温度，同样降温阶段亦是如此。若不能保证内外壁温度在一定的范围内，则会产生因温度不均匀造成的热应力。因此经大量试验和模拟分析，得出热处理升降温次数与壁厚存在一定关系，并通过上述公式可直接确定升温次数及降温次数，保证内外壁温度的一致性。
进一步地，所述步骤(4)中加热带布置范围包括加热带沿筒体轴向宽度及加热带沿筒体周向长度，其中加热带沿筒体轴向宽度Z1＝W1+W2+100n1*2，加热带沿筒体周向长度L1＝L+100n1*2，n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数。
上述技术方案中，根据补焊区域尺寸确定局部热处理加热带布置范围，补焊焊缝均温带区域为焊缝加超出焊缝两侧各100mm，为保证补焊焊缝及周围区域都处于加热目标温度范围内，通过大量试验和数值模拟计算，发现加热带布置范围跟容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2及补焊焊缝长度L有关，与补焊焊缝厚度及筒体直径基本无关。当加热带尺寸在Z1及L1范围内时，能保证补焊区域均温带在限定的加热范围内。
进一步地，所述步骤(5)中保温带布置范围包括保温带轴向宽度及保温带周向长度，其中保温带轴向宽度Z2＝Z1+200n2，保温带周向长度L2＝L1+250n2，n2为步骤(3)中的降温次数，n2往下取整数。
上述技术方案中，通过设置保温带且保温带布置范围大于加热带布置范围，可保证加热区和非加热区温度梯度不致于过大而引起新的热应力。
进一步地，所述步骤(6)中热处理保温温度根据压力容器材料查询热处理标准获得，热处理保温时间为2n1小时，n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数。
进一步地，所述步骤(7)中测温热电偶布置在容器内壁均温带区域，控温热电偶布置在容器外壁加热带区域。
进一步地，相邻两个测温热电偶之间周向间隔50～100mm，相邻两个控温热电偶之间周向间隔100～150mm。
通过上述技术方案，能精准控制热处理温度的均匀性，保证无温度控制死角，同时也可以尽可能减少测试工作量。
本发明具有如下有益效果：
(1)确定调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，为补焊后热处理提供严格的规范操作，可有效的降低补焊区域的残余应力；
(2)通过控制加热带与保温带范围，保证容易内外壁温度的一致性，且保证加热区和非加热区的温度梯度在一定的范围内，可避免引起新的热应力；
(3)通过本发明中加热带与保温带布置方法，可有效控制热处理均温带内热处理温差在25℃以内，避免调质钢敏化裂纹的产生。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明局部热处理的流程图；
图2是压力容器补焊区域内壁示意图；
图3是压力容器局部热处理加热带及保温带轴向布置示意图；
图4是压力容器局部热处理加热带及保温带外壁布置示意图；
图5是压力容器局部热处理测量及控温热电偶布置示意图；
图6是本发明实施例1局部热处理过程中测温及控温热电偶温度曲线。
图中标注：1.压力容器内壁；2.原始焊缝；3.补焊焊缝；4.加热带；5.保温带；6.压力容器筒体；7.压力容器外壁；8.测温热电偶；9.控温热电偶。
具体实施方式
为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例和附图对本发明做详细说明。
参照图1-5，一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，包括如下步骤：
(1)确定调质钢容器补焊区域相关尺寸参数
调质钢容器补焊区域相关尺寸主要包括补焊区域容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2、补焊焊缝长度L、补焊焊缝厚度t。
(2)确定局部热处理加热方式
通常补焊的缺陷产生于压力容器内部，需要在容器外壁布置加热带，通过热传递的方法加热补焊部位。热处理加热方式有电阻加热、燃气加热及电磁感应加热，由于传统电阻加热方式主要通过热辐射加热效率低，内壁补焊区域温度难以达到预定温度；燃气加热的方式加热效率更低，且产生烟尘、污染环境；而电磁感应加热具有加热效率高、绿色环保、节能的优点。因此为了能够精准地控制控制补焊区域加热温度，采用电磁感应加热的方式。
(3)确定局部热处理升温及降温次数
根据补焊区域壁厚确定局部电磁感应加热升降温次数。电磁感应加热存在集肤效应，在一定的电磁感应加热工艺参数下，存在一定的透入深度。通过多次试验发现，对于超过一定厚度的厚壁容器，采用一段升温的方式难以使内外壁温度达到同一热处理温度，同样降温阶段亦是如此。若不能保证内外壁温度在一定的范围内，则会产生因温度不均匀造成的热应力。经大量试验和模拟分析，得出热处理升降温次数与壁厚存在一定关系：升温次数n1＝T/50(n1往上取整数)，降温次数n2＝T/50(n2往下取整数)。比如补焊区域容器壁厚为120mm，则选取的升温次数往上取整数为3次，降温次数往下取整数为2次。
(4)确定局部热处理加热范围
根据补焊区域尺寸确定局部热处理加热带布置范围，包括加热带沿筒体轴向宽度及加热带沿筒体周向长度，补焊焊缝均温带区域为焊缝+超出焊缝两侧各100mm。为保证热处理加热带布置方式使补焊焊缝及周围区域都处于目标温度范围内，通过大量试验和数值模拟计算，发现加热带布置范围跟容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2及补焊焊缝长度L有关，与补焊焊缝厚度及筒体直径基本无关。其中，加热带沿筒体轴向宽度Z1＝W1+W2+100n1*2，加热带沿筒体周向长度L1＝L+100n1*2，n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数。当加热带尺寸在此范围内时，能保证补焊区域均温带在限定的加热范围内。若加热带尺寸过小，不能保证均温带均匀性要求，若过大则增大能耗，不经济实用。
(5)确定局部热处理保温范围
在局部热处理过程中，需要在合适的尺寸范围内设置保温带，以保证加热区和非加热区的温度梯度不能过大，避免引起新的热应力。保温带布置范围包括保温带轴向宽度及保温带周向长度，其中保温带轴向宽度Z2＝Z1+200n2，保温带周向长度L2＝L1+250n2，n2为步骤(3)中的降温次数，n2往下取整数，且保温带周向长度L2大于保温带轴向宽度Z2，其原因在于轴向形成的温度梯度大于周向温度梯度。
(6)确定局部热处理加热工艺
局部热处理加热工艺主要包括热处理保温温度、保温时间。其中，保温温度根据压力容器材料查询热处理标准获得，而保温时间与容器壁厚有关，壁厚越厚，需要选择较长的保温时间，因为厚度越大，约束越大，需要较长时间的蠕变释放作用，经理论模拟计算和试验验证，确定最佳热处理保温时间为2n1小时，其中n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数。
(7)布置测温和控温热电偶
测温和控温热电偶的布置是保证局部热处理温度均匀性控制的关键，测温热电偶布置在容器内壁均温带区域，相邻两个测温热电偶之间周向间隔W3为50～100mm，控温热电偶布置在容器外壁加热带区域，相邻两个控温热电偶之间周向间隔W4为100～150mm。通过均匀布置多个测温及控温热电偶，可精确控制温度均匀性，保证无温度控制死角，同时也尽可能减少测试工作量。
(8)热处理实施
按照上述热处理工艺实施，并记录热处理温度曲线，形成热处理报告。
实施例1
本实施例选用两节材料为12Cr2Mo1V、直径为1m、壁厚为130mm的筒体，选用埋弧焊将两筒体焊接在一起，内壁焊缝宽度10mm，焊接完成后进行炉内整体热处理。热处理后在筒体内壁环焊缝加工一条长为20mm的缺陷，然后采用手工电弧焊对此缺陷进行补焊，补焊焊缝长度为26mm，补焊焊缝宽度为10mm。补焊后采用压痕应变法测试补焊焊缝表面残余应力，测得轴向和环向平均残余应力分别为453MPa和516MPa。
在经过补焊后引起焊缝区域残余应力升高，为消除补焊后残余应力，采用本发明提供的一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法对补焊区域进行局部热处理。
本实施例中采用电磁感应加热方式进行加热，其热处理工艺具体如下：
(1)升降温次数：根据公式n＝T/50，计算得出升温3次、降温2次；
(2)局部热处理加热范围：加热带轴向宽度Z1＝10+10+100*3*2＝620mm，加热带周向长度L1＝26+200*3＝626mm；
(3)局部热处理保温范围：保温带轴向宽度Z1＝620+200*2＝1020mm，保温带周向长L2＝626+250*2＝1126mm；
(4)根据热处理标准查得热处理保温温度为700℃，根据公式计算得保温时间2*3＝6h；
(5)测温和控温热电偶布置位置：测温热电偶布置在容器内壁均温带区域，共设置4个，相邻两个测温热电偶之间周向间隔W3为50mm，控温热电偶布置在容器外壁加热带区域，共设置4个，相邻两个控温热电偶之间周向间隔W4为150mm；
(6)根据上述热处理工艺对补焊区域进行局部热处理，并记录热处理温度曲线，各选取内外壁两处测温点的热处理温度曲线，如图6所示。
从图6中可以看出压力容器内外壁整个加热过程中沿厚度方向最大温差为13℃，能够满足调质钢局部热处理均温性的要求。
另外，采用压痕应变法测试局部热处理后的补焊焊缝表面残余应力，测得残余应力分别为225MPa和251MPa，达到了整体热处理的残余应力消除水平，说明本发明所提供的补焊后局部热处理方法消除残余应力效果良好。
上述未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定调质钢容器补焊区域相关尺寸参数：包括补焊区域容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2、补焊焊缝长度L、补焊焊缝厚度t；
(2)确定局部热处理加热方式：采用电磁感应加热；
(3)确定局部热处理升温及降温次数：根据补焊区域容器壁厚确定升温及降温次数；
(4)确定局部热处理加热范围：根据补焊区域容器壁厚T、原始焊缝宽度W1、补焊焊缝宽度W2、补焊焊缝长度L确定局部热处理加热带布置范围，局部热处理加热带布置范围与补焊焊缝厚度t无关；
(5)确定局部热处理保温范围：根据步骤(4)中的加热范围确定保温带布置范围；
(6)确定局部热处理加热工艺：包括热处理保温温度、保温时间；
(7)布置测温和控温热电偶；
(8)热处理实施，并记录热处理温度曲线；
所述步骤(3)中，升温次数n1＝T/50，n1往上取整数；降温次数n2＝T/50，n2往下取整数；
所述步骤(4)中加热带布置范围包括加热带沿筒体轴向宽度及加热带沿筒体周向长度，其中加热带沿筒体轴向宽度Z1＝W1+W2+100n1*2，加热带沿筒体周向长度L1＝L+100n1*2，n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数；
所述步骤(5)中保温带布置范围包括保温带轴向宽度及保温带周向长度，其中保温带轴向宽度Z2＝Z1+200n2，保温带周向长度L2＝L1+250n2，n2为步骤(3)中的降温次数，n2往下取整数。
2.根据权利要求1所述的一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(6)中热处理保温温度根据压力容器材料查询热处理标准获得，热处理保温时间为2n1小时，n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数。
3.根据权利要求1所述的一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(7)中测温热电偶布置在容器内壁均温带区域，控温热电偶布置在容器外壁加热带区域。
4.根据权利要求1所述的一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，其特征在于，相邻两个测温热电偶之间周向间隔50～100mm，相邻两个控温热电偶之间周向间隔100～150mm。
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