2.10　熱處理

2.10.1　焊后消除應力熱處理

壓力容器的焊后消除應力熱處理（PWHT）是保證壓力容器內在質量的重要技術手段之一。其目的在于：消除焊接殘余應力、冷變形應力和組裝的拘束應力，軟化淬硬區，改善組織，減少含氫量，尤其對合金鋼，可以改善力學性能及耐蝕性，還可以穩定構件的幾何尺寸。

壓力容器的PWHT通常是將構件加熱到Ac1以下某一確定的溫度，保溫一段時間，然后在爐內冷卻至300～400℃出爐空冷。

以下為常用的PWHT方式。

2.10.1.1　爐內整體熱處理

對于高壓容器、中壓反應和儲存容器、盛裝混合液化石油氣的臥式儲罐、移動式壓力容器等應根據相關標準和設計圖樣采用爐內整體熱處理。這是對壓力容器進行PWHT的首選方式。熱處理裝置（爐）應配有自動記錄曲線的測溫儀表，并保證加熱區內最高與最低溫度之差不大于80℃。我國一些大型壓力容器制造廠的大型熱處理爐，對熱處理過程都配備有程序控制系統，在保溫期間，爐膛溫差大都可控制在±15℃以內。

對于需要進行整體PWHT的壓力容器而言，應安排在全部焊接工作已結束，竣工液壓試驗之前進行。

在PWHT中起主導作用的兩個因素是加熱溫度和保溫時間。對需要多次進行熱處理的構件，為表征這兩個因素重疊作用的程度，廣泛采用拉松-米勒（Larson-Miller）參數（又稱回火參數）P。其表示式為

P=T（C+lgt）×10-3　　（2-24）

式中　T——加熱溫度，K；

C——常數，約等于20；

t——保溫時間。

由該式可以看出，溫度比時間的作用大得多。不同的鋼材P值范圍不同。一個容器產品在制造過程中可能會有多次熱處理，且加熱溫度也不同，計算時可加以換算。對于1.25Cr-0.5Mo鋼，推薦P值為20.2～20.6。

鑒于壓力容器的最終PWHT在整個制造過程中的重要性，對PWHT全過程應進行有效控制，對熱處理裝置應配有自動記錄曲線的測溫儀表。

①裝爐時爐內溫度不得高于400℃。特殊情況下，如厚度大于60mm或結構復雜的容器，裝爐溫度可低于300℃。所有測溫點應保持與容器殼壁直接接觸。對于大型、厚壁容器，在爐前、爐中、爐后的三個橫截面各四個方位上均需設置測溫點，超厚筒體內壁尚應增加測點。加熱時還應采取措施，防止火焰直接噴向容器殼壁而可能造成局部過度氧化。

②升溫速度應是可控的，且不應超過5500/δ℃/h（δ為容器壁厚），且不得超過220℃/h，最小可為55℃/h。升溫期間，加熱區內任意長度為4600mm內溫差不得大于140℃。

③保溫期間，最高與最低溫度之差不宜大于80℃。不同鋼材的加熱溫度與保溫時間見表2-19。

①鋼質母材類別按NB/T 47014規定。

②Fe-1、Fe-3類別的鋼質母材，當不能按本表規定的最低保溫溫度進行焊后熱處理時，可按NB/T 47015—2011表6規定降低保溫溫度，延長保溫時間；Fe-9B類別的鋼質母材保溫溫度不得超過635℃，當不能按本表規定的最低保溫溫度進行焊后熱處理時，可按NB/T 47015—2011表6規定降低最低保溫溫度（最多允許降低55℃），延長保溫時間。

③Fe-5A類、Fe-5B-1組的鋼質母材，當不能按本表規定的最低保溫溫度進行焊后熱處理時，最低保溫溫度可降低30℃，降低最低保溫溫度焊后熱處理最短保溫時間：

a.當δPWHT≤50mm時，為4h與（4δPWHT/25）h中的較大值；

b.當δPWHT>50mm時，為NB/T 47015—2011表6中最短保溫時間的4倍。

④Fe-6、Fe-7中的06Cr13、06Cr13Al型不銹鋼，當同時具備下列條件時，無需進行焊后熱處理：

a.鋼材中碳含量不大于0.08％；

b.用能產生Cr-Ni奧氏體熔敷金屬或非空氣淬硬的Ni-Cr-Fe熔敷金屬的焊條施焊；

c.焊接接頭母材厚度不大于10mm，或母材厚度為10～38mm且保持230℃預熱溫度；

d.焊接接頭100％射線透照檢測。

⑤Fe-8、Fe-10H類鋼質母材焊接接頭既不要求，也不禁止采用焊后熱處理。

⑥焊件溫度高于或等于650℃時，冷卻速度不應大于55℃/h，低于650℃后迅速冷卻，冷卻速度應足以防止脆化。

⑦Fe-5B-2類焊后熱處理保溫溫度與焊縫金屬成分密切相關，表中所列數值尚需調整。

④降溫速度不得超過7000/δ℃/h，且不得超過280℃/h，最小可為55℃/h。

⑤出爐時的爐溫不得高于400℃，北方地區在冬季，可適當降低出爐溫度。出爐后應在靜止的空氣中冷卻。

對于結構復雜或封閉性好的厚壁容器，在加熱與降溫期間速度宜取低值，以防止過大的溫差對結構造成危害。

2.10.1.2　爐內分段熱處理

壓力容器應盡可能進行整體焊后熱處理，這對提高產品的使用性能有很大的好處。對于較長的產品，由于受爐子長度的限制，不能進行整體熱處理時，也可以進行調頭分段熱處理。此時，重疊加熱長度至少為1500mm。爐口應為隔熱，容器的爐外部分應用絕熱材料包覆起來，以控制縱向溫度梯度。距爐口處，殼壁的溫度不宜小于近爐口處殼壁溫度的一半（R為殼體內半徑，S為厚度，均以mm為單位）。但產品的分段熱處理不一定能保證與整體工業爐處理有同等的耐應力腐蝕性能。

如更長者，可將產品分成幾段制造，各段組焊完畢，分別進爐進行熱處理，然后再將各段用環縫組焊起來，焊完后可對其環縫進行環帶局部熱處理。

2.10.1.3　焊縫局部熱處理

超長容器的分段制造、分段爐內熱處理后，再進行總裝環縫的組裝焊接。對于總裝環縫只能采用環帶加熱局部熱處理。局部熱處理的加熱溫度和保溫時間與進爐熱處理相同。保溫環帶寬度從環縫的最大寬度邊緣算起，每側寬度應不小于筒體壁厚或50mm，取兩者較小值。加熱帶以外的殼體延伸段應采用保溫材料包覆起來，以控制縱向溫度梯度。距保溫溫度環帶邊緣3倍壁厚處（外側），殼壁的溫度不宜低于環帶邊緣處實際溫度的一半（圖2-79）。

對于管道或短管的環帶局部加熱，加熱帶寬度在焊縫中心線兩側均不小于完工焊縫最大寬度的3倍。對于一個包含接管或其他焊接附件的需焊后進行環帶局部熱處理的容器，環形帶應包圍整個容器圓周，并包括接管或焊接附件，自接管或附件與容器連接的焊縫算起，環形加熱帶寬度至少比器壁厚度寬出6倍。為了避免溫度梯度的危害，該加熱環帶應進行有效保溫。加熱溫度及保溫時間按要求進行。對容器上的縱、環焊縫返修后的局部熱處理，也可照此辦理。

焊縫局部熱處理的加熱元件近年來大量采用遠紅外電加熱元件組成的履帶式加熱器。對于管道或接管環縫的局部熱處理可采用繩狀電紅外加熱器。大型容器現場組裝環焊縫的局部熱處理，國內外已普遍采用瓣式燃氣（油）加熱爐，熱處理的效果得到較大改善。

焊縫局部熱處理的全過程也應嚴格控制，即應設置測溫點，對加熱升溫、保溫、降溫應有自動記錄和顯示，并可隨時進行監控與調整。

2.10.2　其他焊后熱處理

2.10.2.1　電渣焊焊后熱處理

電渣焊作為一種高效的焊接工藝方法，被廣泛使用于大型壓力容器制造廠，尤其是厚壁容器的筒節縱縫、封頭拼板焊縫。其優點在于：①焊接是垂直狀態下進行的，所以焊縫中不易產生氣孔及夾渣；②可以不開坡口而一次焊成，生產率高，焊接厚板時尤其明顯；③除了采用單絲、多絲電渣焊外，對于異形斷面，可以采用熔嘴電渣焊。但是，電渣焊的最大弊端是焊縫和熱影響區晶粒粗大，由于焊縫和熱影響區在高溫停留時間長，這是電渣焊工藝特點所決定的。因此，對于電渣焊縫，焊后必須進行細化晶粒的正火處理。正火的目的是均勻組織，細化晶粒，改善焊縫的綜合性能。當容器筒節與封頭上的A類焊縫采用電渣焊時，對其進行正火處理的方式是多種多樣的。

（1）封頭電渣焊拼縫的正火

①封頭拼接焊縫焊后應先正火一次，以便對焊縫先進行超聲預檢測。

②封頭熱成形可以在正火溫度下進行。當加熱爐無法保證正火加熱要求時，必須在沖壓成形后重新正火處理。

③正火加熱宜采用熱裝爐，既可縮短加熱時間，也可減少鋼板表面氧化和燒損。通常裝爐溫度≤850℃，加熱溫度可參照表2-10，加熱速度一般不大于200℃/h，保溫時間以工件與爐壁顏色一致時算起，一般為1.5～2.5min/mm（工件厚度），升溫時任意測溫點間溫差不應大于50℃，保溫時溫差不應大于25℃。

④正火處理應遵循“產品熱處理工藝卡”的規定，熱處理工藝應有焊接工藝評定支持。工藝卡應注明帶焊接拼縫試板及母材試板。這兩種試板可按模擬方式進行回火及PWHT熱處理，然后對力學性能及焊縫金相組織進行檢測，以評價焊縫正火處理的效果。只有當試板的性能指標滿足技術要求時，封頭才能轉入下道工序。

⑤當正火處理空冷的冷卻速度不能滿足要求時，可采取正火后加速冷卻工藝。加速冷卻方式可以采用噴淋或水槽中冷卻。封頭直徑不大于1600mm時可采取水槽中冷卻，大于1600mm時采用專用噴淋裝置進行噴淋冷卻（圖2-80）。

1—進水槽；2—內噴淋；3—外噴淋；4—封頭；5—上噴淋；6—內筒

a.水槽中冷卻方式：封頭應焊好吊耳及十字支撐，試板可點焊于支撐上。把加熱好的封頭迅速吊入水槽中，上下擺動，使工件快速冷卻下來，但會在工件表面產生大量蒸汽，形成一層緊密包圍工件的蒸汽膜，將工件與介質隔絕，使工件冷卻速度下降，加之工件入水有先后，冷卻速度不一致，致使工件硬度不均，變形加大，同時水溫也很快升高。為了克服上述缺點，目前廣泛采用噴淋冷卻方式。

b.采用噴淋方式：在我國已使用20多年。噴淋用工裝比較復雜，但遠較水槽淬火優越，尤其是旋轉式噴淋裝置，效果更好。

噴淋裝置可根據工件大小形狀而定。噴淋孔的大小與數量取決于進水量和水壓，噴淋孔直徑一般為2～3mm。裝置的旋轉是靠噴水的反作用力產生的。

噴淋淬火的用水量見表2-20。

噴淋時間按t≈3S估算。其中，t為噴淋時間，s；S為工件厚度，mm。

（2）筒節電渣焊縱縫的正火

①大直徑筒節如采用電渣焊拼板，當要進行冷卷或中溫卷板時，應對拼縫先進行一次正火和超聲預檢測，以防止成形時焊縫開裂。

②筒節熱成形的溫度可參照表2-10，其他工藝參數要求同封頭。

③筒節縱縫電渣焊后可按正火處理要求進行熱校圓，為減少表面壓坑，也可采取冷校或中溫校圓，但也應在正火加超聲檢測之后。縱縫焊接試板的1/3可經模擬后序熱處理后送檢，另外2/3應伴隨產品的熱處理全過程。

④筒節直徑≤1400mm時采取水罐冷卻。直徑>1400mm進可采用噴淋加速冷卻。

經正火后加速冷卻的封頭、筒節電渣焊接頭，σb≥540MPa及Cr-Mo鋼材質，最好能在24h內進行回火處理。

除電渣焊焊縫必須經細化晶粒的正火處理外，氣電立焊（簡稱EGW）近年也已被廣泛采用。它是由普通的GMAW和電渣焊發展而形成的一種熔化極氣體保護電弧焊方法。其主要優點是可不開坡口焊接厚板，生產率高，成本低。焊縫在垂直狀態下一次焊成，從而也會形成熱輸入大，熱影響區寬等弊端，對這一類焊接接頭，也應進行正火處理以改善接頭的金相組織與綜合性能。

2.10.2.2　旋壓成形封頭消除應力熱處理

對于冷旋壓成形的各類封頭（除奧氏體不銹鋼封頭外），都必須進行消除應力（簡稱SR）熱處理，這不但可消除冷變形應力，還可降低硬度，使原有塑性、韌性指標得以恢復。通常可采取整體退火處理。封頭應預先加焊防變形支撐，退火爐的加熱、保溫、冷卻全過程應能控制并可自動記錄。

2.10.2.3　金屬墊片的熱處理

壓力容器的密封結構中采用的各種金屬墊片，在保證密封的可靠性中擔負著重要角色。金屬墊片一般為經退火的軟鋁、軟銅與黃銅、軟鋼、蒙耐爾或某些鉻鋼制成，經固熔化處理的奧氏體不銹鋼也被廣泛用于制作墊片。絕大部分墊片材料可選用退火狀態供貨的，以達到降低硬度的基本要求。也有在加工制造過程中，因冷變形致使材料硬度升高而不能滿足墊片的技術要求，需要對墊片坯料進行退火處理。由于墊片材料的多樣化，對墊坯料進行軟化退火的工藝也各不相同。常用于制作墊片的材料退火溫度見表2-21。

2.10.2.4　螺栓、螺母的熱處理

壓力容器的密封結構中，螺栓和螺母是重要的承載零件，螺栓和螺母的力學性能與韌性指標是保證設備安全運行的兩大因素。螺栓與螺母所用材質的選用與容器的操作壓力、溫度、耐蝕要求及密封墊類型等工況有關。除選用部分碳素鋼如20鋼、35鋼外，絕大部分選用合金結構鋼中的Mn-B、Mn-V-B、Cr、Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Ni-Mo等鋼種系列。上述材料中，Q235A是熱軋狀況使用的，35鋼需經正火而45鋼及合金結構鋼是必須經調質處理（淬火+回火）后才能使用。壓力容器用螺栓的材質按GB 150.2—2011規定有40MnB、35CrMoA、25Cr2MoVA、40CrNiMoA等11種，此外，奧氏體不銹鋼及部分馬氏體不銹鋼也可以用作螺栓、螺母材料。螺母材質的強度級別應比螺栓低一個級別。用作螺栓、螺母的材料首先需經鍛制，然后按GB/T 3077《合金結構鋼》中規定的熱處理規范先進行淬火處理，再進行回火。在熱處理前，鍛坯應先進行初加工經調質處理后再精加工。經調質處理的高強鋼制螺栓、螺母，在進行螺紋加工前應做磁粉檢驗。每個熱處理爐批均應制備試樣若干件，以驗證零件經調質后的力學性能和沖擊韌性。

2.10.2.5　封頭、彎管的熱處理

壓力容器承壓元件中的封頭、彎管等承壓零件，對所用材料如板材、管材的使用狀態都有相關要求。如鋼板GB 150.2中規定Q245R、Q345R厚度大于36mm，應在正火狀態下使用。

Q370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、16MnDR、09MnNiDR、15CrMoR及高強鋼、低溫鋼、Cr-Mo鋼等任意厚度應在正火、正火+回火或調質狀態下使用。

鋼管所涉及的多項標準中對供貨狀態都有明確規定，其中大多數合金鋼管均以正火、正火+回火、退火等熱處理狀態下供貨，而奧氏體不銹鋼管均為固溶化狀態供貨的。

當封頭、彎管在制造過程中由于成形的方式、方法不同，致使技術條件所規定的熱處理狀態遭到破壞，從而必須對其重新進行熱處理。

（1）封頭

①如采用冷成形，當符合下列a～e中任意條件之一，且變形率超過表2-22的范圍，應于成形后進行相應熱處理恢復材料的性能。

①當設計溫度低于-100℃，或高于675℃時，變形率控制值為10％。

注：雙向拉伸（如封頭成形）變形率（％）=75δ［1-（Rf/Ro）］/Rf 式中，δ為板材厚度，mm；Rf為成形后中面半徑，mm；Ro為成形前中面半徑（對于平板為∞），mm。

a.盛裝毒性為極度或高度危害介質的容器；

b.圖樣注明有應力腐蝕的容器

c.對碳鋼、低合金鋼，成形前厚度大于16mm者；

d.對碳鋼、低合金鋼，成形后減薄量大于10％者；

e.對碳鋼、低合金鋼，材料要求做沖擊試驗者。

②當封頭采用熱沖壓成形時，如加熱裝置及加熱過程控制能滿足正火要求時，可以在正火熱處理狀態下沖壓，否則應在成形后再進行正火處理。奧氏體不銹鋼封頭應在固溶化溫度下沖壓。封頭正火熱處理制度可參照電渣焊拼縫正火的規定。封頭單獨正火時，需對其進行支撐加固，以防止變形。封頭的正火處理必須帶隨爐母材試板。對高強鋼制的封頭，正火后應及時回火處理。同樣，做正火處理的封頭，如有拼接焊縫時，對其拼縫應有相應的WPS支持。

（2）彎管

①常用的彎管方法見表2-15，凡符合冷彎條件者，應盡量進行冷彎。為防止應力腐蝕破壞，奧氏體不銹鋼U形管冷彎后，應對U形管彎曲部位進行固溶化處理。固溶化處理的主要過程是把U形管彎曲部位當成一個電阻負載而直接通電，紅熱狀態的彎頭達到固溶化溫度后保持一段時間，然后在管內吹掃氮氣加速冷卻。

②采用表2-17中的彎制工藝彎制的彎管，由于是環形加熱后噴水急冷，對于高強鋼、Cr-Mo等具有淬硬傾向的合金鋼管而言是十分不利的，所以應在短時間內對其做回火處理，再對其外表做除銹處理和磁粉檢測。

③如采用型模壓制法制作高壓厚壁彎頭，與上述封頭熱成形一樣，應對彎頭進行正火或正火+回火處理。也可以在正火狀態下壓形，對于高強鋼制彎頭，正火后應及時做回火處理。

2.10.2.6　不銹鋼的穩定化處理

穩定化處理：將含有強烈碳化物形成元素的奧氏體不銹鋼，如06Cr18Ni11Ti，加熱至840～900℃，并保溫一定時間，然后較快地冷卻，使各自形成穩定的碳化物而把碳固定住，以避免Cr23C6沿晶界析出而影響耐蝕性能，這樣的處理方法稱為穩定化處理。

對于壓力容器中的奧氏體不銹鋼零部件，如需進行熱加工制作（含SR熱處理），應盡量選用含穩定化元素（Ti、Nb等）的材料對有應力腐蝕傾向的不銹鋼構件進行穩定化處理，這樣不但可提高抗晶間腐蝕的能力，而且應力解除的效果也更理想［17］。對于那些需在奧氏體不銹鋼危險溫度（敏化溫度）范圍（450～850℃）內長期服役的設備，首先應選用含Ti、Nb不銹鋼，如能進行一次穩定化處理，可進一步提高其使用壽命。

2.10.2.7　不銹鋼的固溶化處理

固溶化處理：就是將一般奧氏體不銹鋼加熱至高溫，使所有碳化物盡快地溶入奧氏體中并進行擴散使之均勻化，而后以適當的冷卻速度使之冷卻，以防止碳化物重新沉淀析出，以獲得碳化物完全固溶于奧氏體基體內均勻的單相組織，從而得到高的耐蝕性和最好的延展性。

碳化物完全溶于奧氏體的溫度一般高于900℃。奧氏體不銹鋼的碳化物主要是鉻的碳化物，它在鋼中的溶解相當緩慢，欲使之在較短時間內完全溶解并均勻化，必須采用更高的溫度。但溫度太高，晶粒粗化，影響韌性，故生產中一般采用1000～1500℃，裝爐溫度≥850℃，保溫時間一般按1～1.5min/mm計算。

現行標準中規定，幾乎所有奧氏體不銹鋼材料，其供貨狀態均為固溶化，對于奧氏體不銹鋼構件的熱加工，通常也被要求在固溶化溫度下進行，所以它一種使用最廣泛的熱處理方法。