压力容器制造工艺对钢材性能的影响.pptx

组员：陈付波、高玉东、王硕、王友涛、王永华 在压力容器制造中，往往先将钢板进行冷或热压力加工，使它变成所要求的零件形状。再通过焊接等方法将各零部件连接在一起，必要时还应进行热处理。因此，需要了解冷或热压力加工产生的塑性变形及焊接和热处理对钢材性能的影响规律。一塑性变形一塑性变形二焊接二焊接三、热处理三、热处理定义：在载荷作用下，材料将发生变形。当载荷卸除后能够恢复的变形为弹性变形，载荷卸除以后不能够恢复的变形称为塑性变形或永久变形。应变强化热加工或冷加工各向异性应变时效金属在常温或者低温下发生塑性变形后，随塑性变形量增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称为应变强化或加工硬化。如：奥氏体不锈钢在深冷下进行强化，可以显著提高奥氏体不锈钢的许用应力，降低容器重量。按照金属材料塑性加工时是否完全消除加工硬化，可分为冷加工和热加工。冷、热加工的分界限是金属的再结晶温度。高于再结晶温度的加工为热加工或热变形，低于再结晶温度的加工为冷加工或冷变形。热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化很快被再结晶软化所抵消，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象，冷变形时的加工硬化使塑性降低，每次的冷变形程序不宜过大。金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，内部的晶粒也相应地被沿着变形方向拉长或压扁，很大的变形量使晶粒被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。当金属塑性变形达到一定程度时，晶粒沿着变形方向发生转动，使各晶粒的位向与外力方向趋于一致，这种现象称为形变织构或择优取向，形变织构使金属性能产生各向异性。压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。冷加工在压力容器制造中的应用很广。例如:筒节的冷卷、封头的冷旋压等。这些经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现强度和硬度提高，塑性和韧性的现象，称为应变时效。通常塑性变形大于3%时就会产生明显的应变时效。例如，某24mm厚的Q345R钢板，经5%冷塑性变形后再在250摄氏度下加热1h，-20摄氏度时的冲击吸收功从原来的36J下降到10J，应变时效十分明显。发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。焊接是两件或两件以上零件，在加热或(和)加压的状态下，通过原子或分子之间的结合和扩散，形成永久性连接的工艺过程，具有生产效率高、材料节省、结构紧凑等优点。根据焊接过程的特点不同，一般将焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊。在压力容器制造中应用最广的是熔焊。熔焊时采用局部加热的方法，将焊接接头部位加热至熔化状态，熔化的母材金属和填充金属共同构成熔池，熔池经冷却结晶后，形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体。焊接接头是指用焊接方法连接的接头。熔焊时，由于各个部位加热和冷却速度不同，焊接接头一般由焊缝、熔合区和热影响区组成，各区有不同的组织和性能。A.焊缝 由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。B.熔合区 焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性，因而塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一。C.热影响区 是焊缝两侧母材因焊接热作用(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域。在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使具力学性能也不同。现以低碳钢为例加以说明。（1）热区：是热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。它的温度在Ac3以上100200至固相线之间。由于温度远远超过Ac3，奥氏体晶粒严重长大，冷却后粗晶粒组织非常明显，金属的塑性及冲击韧性较低。对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火钢，常在此区内产生裂纹。(2)正火区：是热影响区内相当于受正火热处理的区域。加热温度约在Ac3至Ac3以上100一200之间。此区内金属发生了再结晶，区内是均匀、细小的铁素体和珠光体组织，其力学性能得到明显改善是焊接接头中组织和性能最好的区域。(3)部分正火区：此区域的加热温度处于Ac1Ac3间，产生不完全再结晶。发生再结晶的材料，冷却后得到细晶的铁素体和珠光体；而未发生再结晶的材料，则是粗大的铁素体和细晶粒珠光体的混合组织。由于晶粒大小不均匀，所以力学性能也很不均匀。焊接过程的局部加热导致焊接件产生较大的温度梯度，除引起焊接接头组织和性能不均匀外还会产生焊接应力和变形。焊接应力和变形分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形。焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。焊接残余应力是没有外载荷作用时就存在的应力，它与外载荷产生的应力相叠加，会造成局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹，甚至导致结构失效。焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废。平板对接焊缝焊接残余应力分布见图31所示。焊接时，焊缝和近焊缝区的金属处于高温状态；焊接后，金属冷却沿焊缝纵向收缩时，受到焊件低温部分的阻碍，因此，焊缝和近焊缝区纵向受拉应力，远离焊缝区受压应力，整个工件纵向和横向尺寸有一定量的缩短。由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则焊后的变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。此外，焊接前压力容器成形不符合要求或强行组装，例如简体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两个方面采取措施，如尽量减少焊接接头数量，相邻焊缝间应保持足够的间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免出现十字焊缝，焊前预热等等。当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。焊接会使压力容器产生各种缺陷，较为常见的有裂纹、夹渣、未熔透、末熔合、焊瘤、气孔和咬边，如图32所示。a裂纹 在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成的缝隙，它具有尖锐的裂端和大的长宽比。裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。根据裂纹的形成条件、时间和温度的不同，焊接裂纹一般可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂四类。b夹渣 残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。c未熔透 焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未熔透。它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏，d未熔合 对于厚截面结构，熔焊寸需要多道焊接。焊道与母材之间，或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分称为未熔合。它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。e焊瘤 焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。焊瘤的危害在于它易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未熔透等缺陷。f气孔 气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。g咬边 沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应子消除。焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类。a破坏性检验在压力容器制造寸，从焊件或焊接试板上切取试样，或以产品的整体破坏作试验，以检验焊缝金属的化学成分及金相组织、焊接接头的力学性能。b非破坏性检验利用不同的物理方法，在不破坏焊接结构使用性能的条件下探测焊接结构是否有影响使用性能的各种宏观的内部或表面缺陷，并判断其位置、大小、形状和类型。压力容器中常用的非破坏性检验方法主要有外观检查、密封性检验和无损检测。焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类。a破坏性检验在压力容器制造寸，从焊件或焊接试板上切取试样，或以产品的整体破坏作试验，以检验焊缝金属的化学成分及金相组织、焊接接头的力学性能。b非破坏性检验利用不同的物理方法，在不破坏焊接结构使用性能的条件下探测焊接结构是否有影响使用性能的各种宏观的内部或表面缺陷，并判断其位置、大小、形状和类型。压力容器中常用的非破坏性检验方法主要有外观检查、密封性检验和无损检测。外观检查：包括直观检验和量具检验，其目的是检查压力容器的结构是否合理；有无禁用的焊接接头形式；焊缝两侧的错边量、棱角度是否超标；焊缝有无裂纹、咬边等。密封性检验：通常采用液体或气体来检查焊缝区有无漏水、漏气和渗油、漏油等现象的检验。无损检测：常用的无损检测方法有射线透照检测、超声检测、表面检测(包括磁粉检测、渗透检测和涡流检测等)。前两种方法主要用于探测被检物的内部缺陷。表面检测用于探测被检物的表面和近表面缺陷。洋见有关压力容器无损检测标准利用射线在穿透一定厚度物体时有衰减的特性，用强度均匀的X射线、丁射线和中子射线等照射焊接接头，使透过的射线在工业胶片上感光，感光后的胶片经过显影、定影、水洗、干燥等过程后，得到与被检物体内部结构和缺陷相对应的黑白不同的图像，即射线底片，在被检物完好部位的黑度小，在缺陷部位的黑度较大，从而检查内部缺陷的种类、大小和分布状况。这种无损检测方法称为射线透照检测。超声波在被检工件中传播时，若遇到夹渣、气孔、裂纹等缺陷，则有一部分超声波在缺陷处被反射。根据反射波探测内部缺陷位置和相对尺寸的无损检测方法称为超声检测。磁粉检测是利用在强磁场中，铁磁性材料表面缺陷产生的漏磁场吸引磁粉的现象而进行的无损检测方法。通过磁场使焊接接头磁化，在工件表面均匀散上磁粉，有缺陷的位置会出现磁粉聚集现象，从而找到缺陷的位置。利用黄绿色的荧光渗透液或红色的着色渗透液，对狭窄缝隙的渗透，经过渗透、清洗、显示处理后，用目视法观察，对表面缺陷的性质和尺寸作出适当的判断，这种方法称为渗透检测。一般探测出的缺陷深度约o02mm，宽度约0001mm。涡流检测的原理是电磁感应。当工件接近一个带有交变磁场的测量线圈时，这个磁场在工件中产生涡流状的感应电流，工件中缺陷的存在会影响涡流磁场的变化，因而通过涡流磁场的变化量的测试可检测工件中存在的缺陷。按热处理目的可分为焊后热处理，恢复或改善性能（力学性能，耐腐蚀性能，加工性能）热处理两类；按热处理对象可分为原材料热处理，零部件热处理，产品热处理三种。焊后热处理 利用金属在高温下屈服强度的降低，使内应力高的地方产生塑性流变-,从而达到消除或者降低焊接残余应力目的的一种热处理，属去应力退火。主要作用：消除或者降低焊接残余应力和冷作硬化，提高接头抗脆断能力;改善焊接接头的塑性和韧性，提高抗应力腐蚀能力；稳定焊接构件形状，避免或者减少在焊后机加工和使用过程中的变形；促使焊缝中的氢向外扩散，提高安全性。消氢处理 焊后立即将焊件加热到较高温度，提高氢在钢中的扩散系数，使焊缝金属中过饱和状态的氢原子加速扩散逸出，以降低容器产生延迟可能性的一种热处理。通常加热到200350，保温时间一般应少于0.5h。一般需要消氢处理的压力容器需要进行焊后热处理，而需要焊后热处理的设备不一定都需要消氢处理。冷成形及中温成形后恢复性能热处理 当冷成型及中温成形受压元件变形量较大时会产生加工硬化，使钢材的塑性，韧性降低，同时还会产生较大的内应力。为恢复钢材的性能，消除或者降低残余加工应力，必要时应对冷成形及中温成形受压元件进行恢复性能热处理。对于碳素钢和低合金钢制受压元件，这种热处理相当于去应力退火或再结晶退火。热加工后恢复性能热处理 热加工可改变钢材的供货状态，可根据设计要求的钢材使用状态对热加工后的受压元件进行必要的热处理。热加工后的受压元件一般可不重新进行热处理；正火加回火使用状态的钢材，热加工后需重新进行正火加回火处理。调质状态使用的钢材，受压元件热加工后应重新进行调质处理；经电渣焊的焊缝组织，应进行正火处理，以达到恢复力学性能和消除应力目的。固溶处理 固溶处理是为获得单相奥氏体组织的一种热处理。奥氏体不锈钢的正常交货状态就是固溶状态。在压力容器中，固溶处理的作用：对于非超低碳奥氏体不锈钢，固溶处理是防止晶间腐蚀的重要手段；对于经热成形的受压元件可采用固溶处理达到恢复原有性能的目的；对于冷成形或使用工况改变了其奥氏体组织状况时，可以根据实际情况通过固溶处理予以恢复原有性能。稳定化处理 是将含有稳定化元素的奥氏体不锈钢加热 到850930的高温，经充分保温后，使已在钢中加入的稳定化元素等比较充分的从基体中析出，以TiC NbC等碳化物的形式沉淀于晶粒边界，使稳定化元素充分发挥作用的一种热处理。调质 可以使低合金钢具有较好的综合力学性能。如高压紧固件通常采用40MnB、35CrMoA等合金钢通过调质处理才能达到要求的力学性能。中间退火 为消除工件形变强化效应，改善塑性，便于实施后续工序而进行的工序间退火。如，在非应力腐蚀环境下，换热管与管板采用强度胀接连接方式时，可以采用管端局部退火方式降低换热管的硬度，以满足换热管材料的硬度低于管板材料硬度的胀接工艺要求。正火（加回火）、淬火（加回火）、固溶处理（加稳定化处理）的共同特点是在高温适当保温后快速冷却，对于具有密闭空间的压力容器产品是难以实现的，其他冷却速度较为平缓的热处理过程在压力容器产品中是可以实现的。要针对压力容器制造过程中的两类热处理分别明确热处理对象（原材料、零部件、产品），避免错将针对原材料或零部件的热处理与压力容器整体热处理合并进行。有些压力容器制造过程中的热处理难题可以通过改变选材方案、更新结构设计、调整加工工艺、更换工装设备等措施予以解决。