低温能承受压力的容器的质量首先取决于低温用钢材的质量。低温用钢按使用温度大体分为三大类:-40℃以上温度时,多用低碳(含碳里小于0.25%)碳锰钢;-40～-196℃时,多用中镍钢、铬镍奥氏体钢,-196～-273℃时,多用铬镍奥氏体钢。
钢材在低温下的主要失效形式是脆性断裂。钢材在温度不高于脆性转变温度(NDTT)时,在有足够尖锐的缺口或缺陷时就可能会引起低应力下的脆性断裂。这种断裂破坏是突然发生的,并可能会引起灾难性的后果。钢材在低温下的冲击值Akv,反映了钢材缺口尖端处的在低温下塑性变形力和对裂纹扩展的敏感性,即低温韧性。
材料采购首先应选择经过企业内部管理评审合格供方,同时为得到良好的冷热加工性能和低温韧性,采购时对所选的低温钢材在对冶炼方法、化学成分、钢材内部组织、热处理状态等诸方面均应加以严格规定和要求,以保证低温钢材的质量。
低温钢材在入厂后的复验对于保证材料的品质,从而在源头上保证低温能承受压力的容器的质量具有重大意义。低温能承受压力的容器用钢材在加工制造前须对低温冲击值进行复验。对低温三类能承受压力的容器和球罐用钢材还要进行全项目复验。即复验材料的化学成分、常温机械性能、低温冲击值以及钢材超声波检验测试复验。钢材复验按进行精确下料,确保筒体成形准确。对于封头及球壳板批进行,每批由同一牌号、同一炉罐号、同一规格尺寸、能、低温冲击值以及钢材超声波检验测试复验。钢材复验按批进行,每批由同一牌号、同一炉罐号、同一规格尺寸、同一热处理制度的钢材组成。
低温能承受压力的容器用焊条应选用化学成分和力学性能与母材相近的低氢碱性焊条,埋弧焊焊剂应选用碱性或中性焊剂,并且其低温冲击值不小于标准和母材的规定。所有用于低温钢的焊条应按批复验药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量。
建立严格的低温钢材料的发放、回收以及现场管理制度,对于低温能承受压力的容器的制造来讲是重要的质量保证手段。特别在制造现场,由于低温钢材与普通钢材容易混淆,如不严加管理会留下很大的事故隐患。低温钢材和焊条应专人专库管理,经技术交底后,实施工程人员和相关管理人员应熟识低温钢材和焊条的标识,以防与其他钢材混淆。
材料进出库要记录台帐,剩余材料要及时做标识移植。低温钢材表面上的质量要求高,低温钢材储运过程中应保护好表面并采用色标做标识。下料、切割应在材料管理人员监督下进行,并及时进行色标移植,低温钢材表而不允许打钢印作标识。钢板材、半成品按批号、规格分类上架堆放,预制,加工成形的材料用胎具支架存放,严禁低温钢材料特别是焊接材料直接置于地面。支架离地面和墙面的距离不应小于300mm 。
焊条库设置符合有关焊材管理规定,库内温度不能低于10℃ ,相对湿度不大于60% ,并做好记录。焊条使用前按规定温度烘干2 小时,烘干后放置于恒温干燥箱内(100～150℃)。
能承受压力的容器低温下的破坏除钢材本身质量因素外,制造及安装缺陷造成的内部应力集中也是引起低温脆性断裂的一个重要原因。特别在低温下,应力集中处较大的峰值应力与设备总体薄膜应力和弯曲应力相叠加,使低温压力容器在局部达到很高的应力水平,而低温下钢材的塑性变形力下降,自限性条件消失,从而引起钢材突然的脆性断裂。
此外,在制作的完整过程中,钢材冷态下加工变形率过大时,会出现强度和硬度增大,而塑性和韧性降低,脆性转变温度上升的冷作硬化现象,如不加以消除则会增加低温脆性破坏的危险。因此,在低温能承受压力的容器的制造、安装过程中,应采取一定的措施降低内部应力水平和冷作硬化现象。
(1)钢板材下料时必须严格按照经计算的排版尺寸进行精确下料,确保筒体成形准确。对于封头及球壳板进行二次下料,以保证精度。在运送过程中应采用合适的胎具进行夹固,防止发生变形,现场组对安装前,应进行尺寸复查,对复查超标的板材,应重新进行压制或校圆,确保组对质量。如果偏差超标而强行组对,就会产生很大的组装应力,这对于低温能承受压力的容器是很不利的。因此组对壳体时不得强行组对、组装。
(2)为避免钢材冷作硬化,低温能承受压力的容器的零部件在常温下成形或矫形时,应控制钢板的冷塑性变形率≤2% ,并且不允许用铁锤敲打成形或校形。当环境和温度低于 -10℃时,不得进行冷变形加工。对于容器筒体应控制最小弯曲半径并进行多次辊压成形。对于球壳板应采用合适的胎具多次多点压制成形,而对于椭圆形封头,其冷作硬化最严重的是变形最大的过渡区和直边部分,为消除冷作硬化,压制之前或中间对板坯进行退火处理以便软化组织,防止断裂。在冷压后还应进行与原母材相同的热处理,以恢复低温韧性。
(3)在组对时,应将各筒节的偏差均匀分布,不得集中至某一侧或某一段,以免引起过大的形状突变,减少应力集中水平。对于不等厚的对接,应将厚板削薄并圆滑过渡至与薄板齐平。对于低温球形罐,应采用分片散装法逐片组装,减少不均匀的偏差和形状突变,确保组对错变量、棱角度、圆度等指标符合要求。
(4)容器壳体、受压元件表面均不得用钢印做各种标识,只允许用油漆作标识。
低温能承受压力的容器的焊接质量是影响低温能承受压力的容器制造质量的另一个主要的因素。低温钢的焊接除了防止焊接裂纹外,关键是要保证焊缝及热影响区的低温韧性,这是低温钢焊接工艺质量控制的一个主要环节。
低温钢冷裂纹产生的原因是应力、淬硬组织和焊缝金属扩散氢含量共同作用的结果。低温钢材料中的杂质、焊接区域中的油污、铁锈、大气中的水汽等在电弧高温作用下分解出氢原子进人熔池中,在焊缝冷却过程中以过饱和状态扩散、析集于熔合线附近的热影响区,在焊接应力及淬硬组织的共同作用下,极易产生冷裂纹。另外,一些工艺缺陷如咬边、未焊透等也促成冷裂纹的产生。在我厂的制造中,采取如下措施防止冷裂纹产生,收到了良好的效果:
(1)减少氢的来源。选用低氢型焊条,甚至超低氢型焊条其次焊条必须彻底烘干,放人手提式保温筒内随用随取,筒内温度保持在100～150℃。焊条置于空气中4h,必须再烘干,再烘干不允许超出一次。焊接坡口附近焊前必须用砂轮机打磨干净,要彻底去除锈蚀、油污和水汽及其它污物,检查合格后方可施焊。
(2)选取合适的焊界线能量。线能量过小,则热影响区易出现淬硬组织。线能量大,有利于消除冷裂纹,但易形成过热组织,影响低温韧性,故焊接线)严格检查组对工序的质量,错边量、棱角度等缺陷超标时不得进行焊接、同时严禁强制装配组对,减少装配应力。另外,合理的安排焊接顺序,将焊接时产生的拘束度和应力减至最小。
(4)焊前预热、焊后缓冷。避免淬硬组织和减少焊接应力,并及时进行焊后热处理。如不能及时进行焊后消应力热处理,焊后应立即进行消氢处理,300～350℃,保温2～6h。但应注意对一些回火脆性倾向大的钢种处理时应避开其回火脆性温度区间。
(5)严禁在壳体非焊接部位随意点焊、引弧。由于点焊、引弧处的冷却速度低于正常的焊接冷却速度,更易产生冷裂纹。而且有些引弧疤痕不易发现,更易留下安全风险隐患。对于弧坑、焊疤,机械损伤等应打磨清除干净,修磨部分与母材圆滑过渡,修磨斜度至少为1:3,然后焊补并打磨至与母材齐平,进行100%磁粉或着色检查。
热裂纹的产生则与应力、杂质和化学成分有关。焊缝中的有害元素硫、磷及其它易形成低熔点共晶物的元素共同作用,产生严重偏析,从而形成热裂纹。特别是9Ni 钢的焊接,采用与母材不同的奥氏体型的填充材料,更易产生热裂纹。另外,焊接时形成的焊接熔池形状与热裂纹有关。熔池深而窄,则偏析多集中于焊缝中间,易形成热裂纹,熔池浅而宽,而且呈圆形,则抗热裂性好。防止热裂纹我们采取如下措施保证焊接质量:
(1)考虑母材对焊缝金属的稀释作用,焊条中所含的增加低温韧性及防裂纹的合金含量应比母材高,而硫、磷含量还应更低。另外提高焊条和焊剂中的碱度,可改善焊缝中的偏析程度,提高抗裂能力。
(2)适当预热,并制定合理的焊接次序,减少焊接接头的刚度,降低焊接应力。
(4)如果出现裂纹,应用碳弧气刨或砂轮将裂纹彻底打磨清除干净,不能采用后继焊道熔化来消除裂纹。
焊接是最直接产生残余应力的热加工过程。焊接残余应力主要是在焊接过程中,由焊接热应力和结构拘束应力造成。另外焊缝金属及热影响区母材在焊接过程中发生相变而产生的相变应力,还有加工成形及组对装配中产生的附加应力等与焊接残余应力叠加,从而使能承受压力的容器的应力状态更为复杂。各种内部应力的存在增加了低温下的脆性断裂的危险。
低温能承受压力的容器焊后进行消除应力热处理除了消除焊接残余应力之外,还能去除焊缝金属中的氢气,软化热影响区和加工变形区的组织,提高其低温韧性,是保证低温能承受压力的容器质量的重要手段。低温能承受压力的容器焊后消除应力热处理方法主要有:局部热处理、炉内整体热处理、炉内分段热处理、整体内部热处理四种。其中,以整体热处理处理效果最好,残余应力消除率可达90%以上。
为了保证焊后热处理的制造质量,制定焊后热处理工艺参数时要考虑的因素很多,受压工件材料及其原始组织状态、热处理要达到的目的、加热方式(加热速度)、工件尺寸及冷却方式等。由于各种各样的因素的差异,制订的热处理工艺参数也不完全一样,但其确定条件是相同的。
(l)调质的高强度低温钢,如果焊后加热温度超过原调质回火温度时,会失去调质效果,使强度和韧性降低。特别是镍系低温钢,易产生回火脆性,使低温韧性下降。对于含有较多合金元素的低温钢来说,焊后热处理往往会产生回火脆性(即再热脆化),进而降低焊缝和热影响区的韧性。
(2)保温温度范围确定条件为相变点以下,再结晶温度以上。使晶格崎变和硬化组织通过恢复和再结晶得以消除,残余应力得到充分松弛和释放,同时不致使母材及焊接区造成再热脆化等不良后果。对于调质或正火+回火钢,其保温温度应在回火温度以下30℃左右为宜,以免破坏其性能,降低韧性和强度。
(1)一定的保温时间可使焊缝及母材的残余应力得以充分松弛,改善焊接区的性能同时在消除残余应力时又不至于产生新的温差应力,因而是必需的。
(2)当所采用的加热温度比要求的加热温度低时,在现行的各种规范中,都采取延长保温时间的办法来达到消除应力的效果,以弥补温度的不足。但试验研究表明,应力下降在保温开始阶段较为明显,随后应力下降便趋于缓慢,保温时间过长,反而会使焊缝金属晶粒粗大化,脱碳层厚度增加,从而造成低温韧性的下降。
(3)一般来说保温时间不能短于最少保温时间,而且只要达到规定的保温时间和温差要求就能很好地消除残余应力而不可能会产生大的温差应力。为得到最小的保温温差而过分延长保温时间也是不合理的。
加热、冷却速度应随着钢中合金元素及厚度的增加、结构复杂程度的提高而降低,以避免产生新的温差应力。按照我国标准规范规定,升温速度≤200℃/h, 降温速度≤260℃/h。对于大尺寸结构、复杂结构等,为了尽最大可能避免加热温差,应采用较小的加热、冷却速度。
一般对于碳素钢最低可为50℃/h,合金结构钢最低可为20℃/h。同时可采取补强或加固支撑等措施以防变形。另外,对某些回火脆性倾向大的钢种,应最好能够降低在回火脆性温度区间的停留时间,升,降温速度也不应太小。
被加热件人炉或出炉时的温度,一般规定在400℃以下。而对某些超厚或复杂的结构有时要采用200℃以下的人炉和出炉温度。应根据被加热件的形状和尺寸特点以及现场环境条件以不再产生较大残余应力,无变形和裂纹为原则。