低溫壓力容器的質量首先取決于低溫用鋼材的質量。低溫用鋼按使用溫度大體分為三大類:-40℃以上溫度時,多用低碳(含碳里小于0.25%)碳錳鋼;-40～-196℃時,多用中鎳鋼、鉻鎳奧氏體鋼,-196～-273℃時,多用鉻鎳奧氏體鋼。
常用的鋼材有：16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR、06MnNbDR、CF-62 等,以及鎳系低溫鋼材1.5Ni、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni 鋼等。
鋼材在低溫下的主要失效形式是脆性斷裂。鋼材在溫度低于脆性轉變溫度(NDTT)時,在有足夠尖銳的缺口或缺陷時就可能導致低應力下的脆性斷裂。這種斷裂破壞是突然發生的,并可能導致災難性的后果。鋼材在低溫下的沖擊值Akv,反映了鋼材缺口尖端處的在低溫下塑性變形能力和對裂紋擴展的敏感性,即低溫韌性。
材料采購首先應選擇經過企業內部管理評審合格供方,同時為了得到良好的冷熱加工性能和低溫韌性,采購時對所選的低溫鋼材在對冶煉方法、化學成分、鋼材內部組織、熱處理狀態等諸方面均應加以嚴格規定和要求,以保證低溫鋼材的質量。
低溫鋼材在入廠后的復驗對于保證材料質量,從而在源頭上保證低溫壓力容器的質量具有重大意義。低溫壓力容器用鋼材在加工制造前須對低溫沖擊值進行復驗。對低溫三類壓力容器和球罐用鋼材還要進行全項目復驗。即復驗材料的化學成分、常溫機械性能、低溫沖擊值以及鋼材超聲波檢測復驗。鋼材復驗按進行精確下料,確保筒體成形準確。對于封頭及球殼板批進行,每批由同一牌號、同一爐罐號、同一規格尺寸、能、低溫沖擊值以及鋼材超聲波檢測復驗。鋼材復驗按批進行,每批由同一牌號、同一爐罐號、同一規格尺寸、同一熱處理制度的鋼材組成。
低溫壓力容器用焊條應選用化學成分和力學性能與母材相近的低氫堿性焊條,埋弧焊焊劑應選用堿性或中性焊劑,并且其低溫沖擊值不小于標準和母材的規定。所有用于低溫鋼的焊條應按批復驗藥皮含水量或熔敷金屬擴散氫含量。
建立嚴格的低溫鋼材料的發放、回收以及現場管理制度,對于低溫壓力容器的制造來講是重要的質量保證手段。特別在制造現場,由于低溫鋼材與普通鋼材容易混淆,如不嚴加管理會留下很大的事故隱患。低溫鋼材和焊條應專人專庫管理,經技術交底后,施工人員和相關管理人員應熟識低溫鋼材和焊條的標識,以防與其他鋼材混淆。
材料進出庫要記錄臺帳,剩余材料要及時進行標識移植。低溫鋼材表面質量要求高,低溫鋼材儲運過程中應保護好表面并采用色標進行標識。下料、切割應在材料管理人員監督下進行,并及時進行色標移植,低溫鋼材表而不允許打鋼印作標識。鋼板材、半成品按批號、規格分類上架堆放,預制,加工成形的材料用胎具支架存放,嚴禁低溫鋼材料特別是焊接材料直接置于地面。支架離地面和墻面的距離不應小于300mm 。
焊條庫設置符合相關焊材管理規定,庫內溫度不得低于10℃ ,相對濕度不大于60% ,并做好記錄。焊條使用前按規定溫度烘干2 小時,烘干后放置于恒溫干燥箱內(100～150℃)。
壓力容器低溫下的破壞除鋼材本身質量因素外,制造及安裝缺陷造成的內部應力集中也是引起低溫脆性斷裂的一個重要原因。特別在低溫下,應力集中處較大的峰值應力與設備總體薄膜應力和彎曲應力相疊加,使低溫壓力容器在局部達到很高的應力水平,而低溫下鋼材的塑性變形能力下降,自限性條件消失,從而引起鋼材突然的脆性斷裂。
此外,在制造過程中,鋼材冷態下加工變形率過大時,會出現強度和硬度增大,而塑性和韌性降低,脆性轉變溫度升高的冷作硬化現象,如不加以消除則會增加低溫脆性破壞的危險。因此,在低溫壓力容器的制造、安裝過程中,應采取措施降低內部應力水平和冷作硬化現象。
(1)鋼板材下料時必須嚴格按照經計算的排版尺寸進行精確下料,確保筒體成形準確。對于封頭及球殼板進行二次下料,以保證精度。在運輸過程中應采用合適的胎具進行夾固,防止產生變形,現場組對安裝前,應進行尺寸復查,對復查超標的板材,應重新進行壓制或校圓,確保組對質量。如果偏差超標而強行組對,就會產生很大的組裝應力,這對于低溫壓力容器是很不利的。因此組對殼體時不得強行組對、組裝。
(2)為避免鋼材冷作硬化,低溫壓力容器的零部件在常溫下成形或矯形時,應控制鋼板的冷塑性變形率≤2% ,并且不允許用鐵錘敲打成形或校形。當環境溫度低于 -10℃時,不得進行冷變形加工。對于容器筒體應控制最小彎曲半徑并進行多次輥壓成形。對于球殼板應采用合適的胎具多次多點壓制成形,而對于橢圓形封頭,其冷作硬化最嚴重的是變形最大的過渡區和直邊部分,為消除冷作硬化,壓制之前或中間對板坯進行退火處理以便軟化組織,防止斷裂。在冷壓后還應進行與原母材相同的熱處理,以恢復低溫韌性。
(3)在組對時,應將各筒節的偏差均勻分布,不得集中至某一側或某一段,以免引起過大的形狀突變,減少應力集中水平。對于不等厚的對接,應將厚板削薄并圓滑過渡至與薄板齊平。對于低溫球形罐,應采用分片散裝法逐片組裝,減少不均勻的偏差和形狀突變,確保組對錯變量、棱角度、圓度等指標符合要求。
(4)容器殼體、受壓元件表面均不得用鋼印做各種標識,只允許用油漆作標識。
低溫壓力容器的焊接質量是影響低溫壓力容器制造質量的另一個重要因素。低溫鋼的焊接除了防止焊接裂紋外,關鍵是要保證焊縫及熱影響區的低溫韌性,這是低溫鋼焊接工藝質量控制的一個主要環節。
低溫鋼冷裂紋產生的原因是應力、淬硬組織和焊縫金屬擴散氫含量共同作用的結果。低溫鋼材料中的雜質、焊接區域中的油污、鐵銹、大氣中的水汽等在電弧高溫作用下分解出氫原子進人熔池中,在焊縫冷卻過程中以過飽和狀態擴散、析集于熔合線附近的熱影響區,在焊接應力及淬硬組織的共同作用下,極易產生冷裂紋。另外,一些工藝缺陷如咬邊、未焊透等也促成冷裂紋的產生。在我廠的制造中,采取如下措施防止冷裂紋產生,收到了良好的效果:
(1)減少氫的來源。選用低氫型焊條,甚至超低氫型焊條其次焊條必須徹底烘干,放人手提式保溫筒內隨用隨取,筒內溫度保持在100～150℃。焊條置于空氣中4h,必須再烘干,再烘干不得超過一次。焊接坡口附近焊前必須用砂輪機打磨干凈,要徹底去除銹蝕、油污和水汽及其它污物,檢查合格后方可施焊。
(2)選取合適的焊界線能量。線能量過小,則熱影響區易出現淬硬組織。線能量大,有利于消除冷裂紋,但易形成過熱組織,影響低溫韌性,故焊接線能量應適當。
(3)嚴格檢查組對工序的質量,錯邊量、棱角度等缺陷超標時不得進行焊接、同時嚴禁強制裝配組對,減少裝配應力。另外,合理安排焊接順序,將焊接時產生的拘束度和應力減至最小。
(4)焊前預熱、焊后緩冷。避免淬硬組織和減少焊接應力,并及時進行焊后熱處理。如不能及時進行焊后消應力熱處理,焊后應立即進行消氫處理,300～350℃,保溫2～6h。但應注意對一些回火脆性傾向大的鋼種處理時應避開其回火脆性溫度區間。
(5)嚴禁在殼體非焊接部位隨意點焊、引弧。由于點焊、引弧處的冷卻速度低于正常的焊接冷卻速度,更易產生冷裂紋。而且有些引弧疤痕不易發現,更易留下安全隱患。對于弧坑、焊疤,機械損傷等應打磨清除干凈,修磨部分與母材圓滑過渡,修磨斜度至少為1:3,然后焊補并打磨至與母材齊平,進行100%磁粉或著色檢查。
熱裂紋的產生則與應力、雜質和化學成分有關。焊縫中的有害元素硫、磷及其它易形成低熔點共晶物的元素共同作用,產生嚴重偏析,從而形成熱裂紋。特別是9Ni 鋼的焊接,采用與母材不同的奧氏體型的填充材料,更易產生熱裂紋。另外,焊接時形成的焊接熔池形狀與熱裂紋有關。熔池深而窄,則偏析多集中于焊縫中間,易形成熱裂紋,熔池淺而寬,而且呈圓形,則抗熱裂性好。防止熱裂紋我們采取如下措施保證焊接質量:
(1)考慮母材對焊縫金屬的稀釋作用,焊條中所含的增加低溫韌性及防裂紋的合金含量應比母材高,而硫、磷含量還應更低。另外提高焊條和焊劑中的堿度,可改善焊縫中的偏析程度,提高抗裂能力。
(2)適當預熱,并制定合理的焊接次序,減少焊接接頭的剛度,降低焊接應力。
(3)采用正確的焊接參數。保持圓形的,同時淺而寬的焊接熔池。
(4)一旦出現裂紋,應用碳弧氣刨或砂輪將裂紋徹底打磨清除干凈,不能采用后繼焊道熔化來消除裂紋。
焊接是最直接產生殘余應力的熱加工過程。焊接殘余應力主要是在焊接過程中,由焊接熱應力和結構拘束應力造成。另外焊縫金屬及熱影響區母材在焊接過程中發生相變而產生的相變應力,還有加工成形及組對裝配中產生的附加應力等與焊接殘余應力疊加,從而使壓力容器的應力狀態更加復雜。各種內部應力的存在增加了低溫下的脆性斷裂的危險。
低溫壓力容器焊后進行消除應力熱處理除了消除焊接殘余應力之外,還能去除焊縫金屬中的氫氣,軟化熱影響區和加工變形區的組織,提高其低溫韌性,是保證低溫壓力容器質量的重要手段。低溫壓力容器焊后消除應力熱處理方法主要有:局部熱處理、爐內整體熱處理、爐內分段熱處理、整體內部熱處理四種。其中,以整體熱處理處理效果最好,殘余應力消除率可達90%以上。
為了保證焊后熱處理的制造質量,制定焊后熱處理工藝參數時要考慮的因素很多,受壓工件材料及其原始組織狀態、熱處理要達到的目的、加熱方式(加熱速度)、工件尺寸及冷卻方式等。由于各種因素的差異,制訂的熱處理工藝參數也不盡相同,但其確定條件是相同的。
(l)調質的高強度低溫鋼,如果焊后加熱溫度超過原調質回火溫度時,會失去調質效果,使強度和韌性降低。特別是鎳系低溫鋼,易產生回火脆性,使低溫韌性下降。對于含有較多合金元素的低溫鋼來說,焊后熱處理往往會產生回火脆性(即再熱脆化),進而降低焊縫和熱影響區的韌性。
(2)保溫溫度范圍確定條件為相變點以下,再結晶溫度以上。使晶格崎變和硬化組織通過恢復和再結晶得以消除,殘余應力得到充分松弛和釋放,同時不致使母材及焊接區造成再熱脆化等不良后果。對于調質或正火+回火鋼,其保溫溫度應在回火溫度以下30℃左右為宜,以免破壞其性能,降低韌性和強度。
(1)一定的保溫時間可使焊縫及母材的殘余應力得以充分松弛,改善焊接區的性能同時在消除殘余應力時又不至于產生新的溫差應力,因而是必需的。
(2)當所采用的加熱溫度比要求的加熱溫度低時,在現行的各種規范中,都采取延長保溫時間的辦法來達到消除應力的效果,以彌補溫度的不足。但試驗研究表明,應力下降在保溫開始階段較為顯著,隨后應力下降便趨于緩慢,保溫時間過長,反而會使焊縫金屬晶粒粗大化,脫碳層厚度增加,從而造成低溫韌性的下降。
(3)一般來說保溫時間不能短于最少保溫時間,而且只要達到規定的保溫時間和溫差要求就能很好地消除殘余應力而不會產生大的溫差應力。為了得到最小的保溫溫差而過分延長保溫時間也是不合理的。
加熱、冷卻速度應隨著鋼中合金元素及厚度的增加、結構復雜程度的提高而降低,以避免產生新的溫差應力。按照我國標準規范規定,升溫速度≤200℃/h, 降溫速度≤260℃/h。對于大尺寸結構、復雜結構等,為了避免加熱溫差,應采用較小的加熱、冷卻速度。
一般對于碳素鋼最低可為50℃/h,合金結構鋼最低可為20℃/h。同時可采取補強或加固支撐等措施以防變形。另外,對于某些回火脆性傾向大的鋼種,應盡量減少在回火脆性溫度區間的停留時間,升,降溫速度也不應太小。
被加熱件人爐或出爐時的溫度,一般規定在400℃以下。而對于某些超厚或復雜的結構有時要采用200℃以下的人爐和出爐溫度。應根據被加熱件的形狀和尺寸特點以及現場環境條件以不再產生較大殘余應力,無變形和裂紋為原則。
