压力容器的热处理

压力容器的热处理
压力容器的热处理
一、问题的提出
压力容器在制造过程中，将带来以下问题：由于过量的冷卷、冷矫形等冷加工引起的冷作硬化。由于焊接引起的
焊缝区组织和性能的变化。由于焊接产生残余应力以及由此而导致的应力腐蚀裂纹的产生和发展。
压力容器焊接时，当母材相邻区域产生一温差大于100度的急剧温度梯度时，在铁素体钢或相当的其他材料中引
起不均匀的塑性应变，而在随后的冷却过程中，将产生一个峰值应力达到屈服点的残余应力场。
另外，由于压力容器制造中的不均匀塑性应变导致在弹性-塑性材料中产生残余应变，而残余应变可以是来自机
械的（主要是冷卷、冷矫形等冷加工）热力的（主要是焊接过程产生的），或者两者兼有的原因，也就是热机械的原
因。
因此，在压力容器加工完成的最终产品中将留下残余弹性应变场，并承受相应的弹性残余应力。残余应力的存在，
将影响压力容器的使用性能。为了消除焊接区峰值应变，达到内应变均匀分布这一目的，可以采取多种方法，如机
械震动法、焊后加热法等。然而，由于压力容器中许多潜在的问题主要来自焊缝区的冶金损伤，所以，采用机械方
法以降低内应变的手段已经不足以预防日后运行过程中可能出现的诸多问题。另外，金属的氢脆现象已经比较为人
们所关注。氢进入钢以后，机械性能会发生明显的变坏。强度和塑性明显降低，溶解于金属晶格中的氢，使钢在缓
慢变形时发生脆性破坏。金属材料中的氢可以是在金属材料生产工艺过程中吸收的，如金属在焊接时液态金属吸收
的氢保留在焊缝中，也可能是材料在氢环境中服役吸收的氢。对于焊缝中吸收的氢，比较有效的消除方法就是进行
焊后热处理，它既可以达到松弛和缓和焊接残余应力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接热影响区，提高焊缝金属
的延性和断裂韧性，也可以使焊接区及附近的氢等有害气体扩散逸出。
压力容器采用的热处理方法有两类：一类为改善机械性能的热处理，一类为焊后热处理（PWHT）。
广义地说，焊后热处理就是在工件焊完之后对焊接区域或焊接构件进行的热处理。起内容包括消除应力退火、完
全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、低温消除应力、析出热处理等。狭义地说，焊后热处理仅指消除应力退
火，即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，从而对焊接区及有关部位在金属相变2温度点以下
均匀而有充分地加热，然后又均匀冷却的过程。许多情况下所讨论的焊后热处理实质上就是焊后消除应力热处理。
二、焊后热处理（简称PWHT的目的）
焊后热处理的目的有：
1.松弛焊接参与应力
2.稳定结构的形状和尺寸，减少畸变。
3.改善母材、焊接区的性能，包括a.提高焊缝金属的塑性。b.降低热影响区硬度。c.提高断裂韧性。d.改善疲劳强
度。e.恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。
4.提高抗应力腐蚀的能力。
5.进一步释放焊缝金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的发生。
三、PWHT必要性的判断
压力容器有无焊后热处理的必要，在设计上应加以明确规定，现行的压力容器设计规范对此有要求。
焊制的压力容器，焊接区存在着较大的残余应力，而残余应力的不利影响，在一定的条件下才表现出来。当残余
应力与焊缝中的氢相结合时，将促使热影响区硬化，导致冷裂纹和延迟裂纹的产生。残存在焊缝中的静应力或负载
运行中的动载应力与介质的腐蚀作用相结合时，将有可能引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。焊接残余应力及由焊
接引起的母材淬硬是产生应力腐蚀裂纹的重要因素。研究结果表明，变形和残余应力对金属材料的主要影响，在于
使金属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀，即转变为晶间或穿晶腐蚀。当然，金属的腐蚀破裂和晶间腐蚀均出现在对该种
金属具有一定特性的介质中。
在残余应力存在的情况下，根据侵蚀性介质的成分、浓度和温度的不同，以及母材与焊接区的成分、组织、表面
状态、应力状态等存在的差异而有所不同，从而，使腐蚀破坏的性质可能改变。
焊接的压力容器是否需要做焊后热处理，应从容器的用途、尺寸（特边是壁板厚度），所用材料的性能以及工作
条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理：
1.使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂危险的厚壁容器，承受较大载荷和交变载荷的容器。
2.厚度超过一定限度的焊制压力容器。包括锅炉、石油化工压力容器等有专门规程、规范的。
3.对尺寸稳定性较高的压力容器。
4.由淬硬倾向大的钢材制造的容器。
5.有应力腐蚀开裂危险的压力容器。
6.其他有专门规程、规范以及图样予以规定的压力容器。
在钢制焊接压力容器中，在靠近焊缝的区域内形成达到屈服点的残余应力。这种应力的产生与拌有奥氏体的组织
转变有关。许多研究者指出，为了消除焊后的残余应力，650度的回火对钢制焊接压力容器能产生良好的影响。同
时认为，如果在焊后不进行适当的热处理，就始终不能得到耐腐蚀的焊接接头。
一般认为，消除应力热处理属于焊接工件被加热到500-650度而后再缓慢冷却的过程。应力的降低起因于高温下
的蠕变，在碳钢中从450度开始出现；在含钼的钢中，从550度开始出现。温度越高，应力越易于消除。但是一旦
超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和时间两个要素，缺一不
可。
然而在焊件内应力中，总是伴生着拉伸应力与压缩应力，应力与弹性变形同时存在。当钢材的温度升高，屈服强
度下降，原有的弹性形变会变成塑性形变，从而是应力松弛。加热温度越高，内应力消除越充分。但温度过高时将
使钢材表面严重氧化。另外，对于调质钢的PWHT温度，应以不超过钢材原回火温度为原则，一般比钢材原回火温
温度低30度左右，否则材料就会失去调质效果，强度和断裂韧性就会降低。这一点对于热处理工作者来说，应予以
特边关注。
消除内应力的焊后热处理温度越高，钢材软化程度越大，通常加热到钢材的再结晶温度，内应力就可消除，再结
晶温度与熔化温度有密切关系。一般地，再结晶温度K=0.4X熔化温度（K）。热处理温度越接近再结晶温度，消除
残余应力越有效。
四、PWHT综合效果的考虑
焊后热处理并非是绝对有利的。一般情况下，焊后热处理有利于缓和残余应力，并对应力腐蚀有严格要求的情况
下才进行。但是，试件的冲击韧性试验表明，焊后热处理对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利，有时在焊接
热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。再则，PWHT是依靠在高温下材料强度的降低来实现消除应力的，
因此，在PWHT时，结构有可能失去刚性，对于采取整体或局部PWHT 的结构，热处理前，必须考虑焊件在高温
下的支承能力。所以，在考虑是否进行焊后热处理时，应将热处理的有利和不利两个方面综合比较。从结构性能上
来看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，应在综合考虑两方面的基础工作上做出合理的判断