殷 俊

(中石化南京化工機械有限公司，江蘇 南京 210048)

裙座由于受力狀況比耳式支座、支承式支座合理，所以在許多立式容器中均得到應(yīng)用，尤其在塔器和大型立式設(shè)備上，應(yīng)用更為普遍。當(dāng)壓力容器殼體材料與裙座材料(裙座材料通常為Q245R、Q345R)不同時，可設(shè)置一段與設(shè)備同材質(zhì)的過渡段分別與設(shè)備下封頭和裙座筒體焊接。當(dāng)設(shè)備殼體需要焊后熱處理時，裙座通常與設(shè)備殼體組焊后一起進行整體焊后熱處理。由于設(shè)備焊后熱處理的制度(加熱溫度和保溫時間)是由設(shè)備殼體材質(zhì)和厚度決定的，因此，設(shè)備焊后熱處理有時對裙座材料力學(xué)性能有較大影響。如何處理此類影響則需要壓力容器設(shè)計和制造工作者在設(shè)計、制造過程中加以考慮。

1 實例

下面舉兩例進行說明。例1：1臺殼體材料為Q345R的立式容器，采用1個同材質(zhì)厚度為δ=40 mm的裙座支撐。設(shè)備要求整體焊后熱處理[焊后熱處理制度：(620±14 ℃)/2.5 h]。為了保證材料在設(shè)備焊后熱處理后的力學(xué)性能，對裙座筒體材料進行了(620±14 ℃)/2.5 h的模擬焊后熱處理。模擬焊后熱處理前、后的化學(xué)成分與力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

表1 Q345R材料模擬焊后熱處理前、后的化學(xué)成分

表2 Q345R材料模擬焊后熱處理前、后的力學(xué)性能

由表2可見，Q345R在模擬焊后熱處理后，抗拉強度和屈服強度均會下降。

例2：設(shè)備殼體材料為14Cr1MoR+S32168、厚度δ=(102+4)mm，裙座過渡段材料為14Cr1MoR、厚度δ=26 mm，裙座下段筒體材料為Q345R、厚度δ=26 mm。設(shè)備殼體焊后熱處理制度為(690±14 ℃)/6 h。Q345R(δ=26)材料熱軋狀態(tài)的化學(xué)成分見表3。Q345R(δ=26)材料熱軋狀態(tài)的力學(xué)性能和與設(shè)備同爐焊后熱處理[(690±14 ℃)/6 h]后進行母材試板的力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)見表4。裙座筒體與設(shè)備殼體組焊并經(jīng)過(690±14 ℃)/6 h的整體焊后熱處理后，由于加熱溫度很高、保溫時間很長，所以裙座筒體Q345R材料力學(xué)性能下降較大。由表4可見，其屈服強度下降了79 MPa，抗拉強度下降了58 MPa。

表3 Q345R(δ=26，熱軋狀態(tài))材料的化學(xué)成分

表4 Q345R(δ=26，熱軋狀態(tài))材料、焊后熱分處理后性能

2 分析與討論

2.1 焊后熱處理的作用

焊后熱處理的作用主要有2個：

1) 消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸和形狀；

2) 軟化熱影響區(qū)，增加焊縫金屬的延性，提高斷裂韌性，排出溶入的氣體(如氫氣)，改善蠕變性能，提高抗腐蝕性能以及增加疲勞強度。

顯然，焊后熱處理對承壓元件而言，既能消除殘余應(yīng)力，又能改善焊接接頭的組織和性能，對許多設(shè)備是十分必要的。中外壓力容器標(biāo)準也均對不同情況下的焊后熱處理提出了比較明確的規(guī)定。

2.2 特殊情況下焊后熱處理的弊端

焊后熱處理并非是絕對有利的，有時在焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化區(qū)有可能引起晶間開裂，對再熱裂紋敏感的材料，還可能引起再熱裂紋。對于焊后熱處理的加熱溫度較高、保溫時間較長的情況，材料的力學(xué)性能可能會有較大的下降，如實例1和實例2所反映出的現(xiàn)象。

隨著焊后熱處理的加熱溫度的升高、保溫時間的延長，材料的力學(xué)性能下降幅度增加。焊后熱處理制度對材料的力學(xué)性能的影響可用回火參數(shù)P來衡量。

P=T(20+logt)×10-3

(1)

式中：P——回火參數(shù)；

T——加熱溫度，K；

t——保溫時間，h。

由式(1)可見，加熱溫度對回火參數(shù)的影響更大，加熱溫度升高18 ℃大約相當(dāng)于保溫時間延長1倍。

2.3 EN 13445-4—2009【1】對鐵素體型異種鋼焊后熱處理后力學(xué)性能影響的控制規(guī)定

EN 13445-4—2009標(biāo)準規(guī)定的鐵素體型材料A的焊后熱處理溫度高于鐵素體型材料B該標(biāo)準將由二者組焊后進行的焊后熱處理的要求分為2大類。

一類是材料B按EN 13445-4—2009要求的焊后熱處理溫度上限高于材料A的焊后熱處理溫度下限，這種情況通常取接近于材料A焊后熱處理溫度下限,但對材料B應(yīng)提出模擬實際要求的焊后熱處理或帶母材試板隨設(shè)備同爐熱處理后檢測的要求，檢測結(jié)果應(yīng)符合材料B的原標(biāo)準要求。

另一類是材料B按EN 13445-4—2009要求的焊后熱處理溫度上限低于材料A的焊后熱處理溫度下限，則通常采取下述處理方法：

1) 采用過渡段材料，使各焊接接頭分別滿足各材料焊后熱處理要求在各自的最低至最高溫度范圍內(nèi)；

2) 采用奧氏體不銹鋼或鎳基材料堆焊過渡層，兩種材料各自焊后熱處理后組焊最終焊縫，最終焊縫不再焊后熱處理；

3) 按材料A要求進行焊后熱處理，但對材料B應(yīng)提出模擬實際要求的焊后熱處理要求，同時確定合適的力學(xué)性能并考慮較高溫度制度的焊后熱處理對材料沖擊性能和顯微組織的影響。

由此可見，不同鐵素體型材料的異種鋼焊接接頭按較高溫度制度進行焊后熱處理時，需要考慮較高溫度焊后熱處理對原要求較低溫度焊后熱處理的材料的力學(xué)性能、沖擊韌性和材料顯微組織的影響，以保證焊接接頭的安全可靠。

常用的方法是對材料提出較高溫度焊后熱處理制度的模擬焊后熱處理要求或帶一塊隨設(shè)備同爐熱處理的母材試板，并提出合理的檢測和合格指標(biāo)。

2.4 非承壓元件碳素鋼和低合金鋼需焊后熱處理的厚度

文獻【2】介紹了碳鋼的母材厚度和含碳量對焊后熱處理的必要性的影響，如圖1所示。

圖1 母材厚度和含碳量對碳鋼焊后熱處理必要性的影響

根據(jù)圖1可知，壁厚100 mm的Q245R一般不需要進行焊后熱處理。

據(jù)文獻【3】介紹，壁厚達50 mm的SPV24、SPV32、SPV36、SPV46、SPV50材料用于承壓部件，即使不進行焊后熱處理，其焊接接頭也有足夠的低溫抗脆性破壞韌性。因此，對于與上述日本材料相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)材料Q245R、Q345R，由于其淬硬傾向較小、組織比較穩(wěn)定，也可參照文獻【3】的規(guī)定，即當(dāng)Q245R、Q345R厚度≤50 mm時，可以不要求進行焊后熱處理。

綜合文獻【2】和文獻【3】的規(guī)定，從保守角度考慮并簡化分類，當(dāng)Q245R或Q345R用于裙座筒體時，可作如下統(tǒng)一規(guī)定：厚度≤50 mm的Q245R或Q345R均可不考慮進行焊后熱處理。

2.5 裙座的實際工況

2.5.1 裙座的使用工況

除過渡段外，裙座很少存在蠕變問題，除大氣腐蝕外也無其他強腐蝕問題，且通常也無疲勞問題，因此裙座一般可不考慮與此相關(guān)問題要求的焊后熱處理。

與機器零件要求嚴格的尺寸精度和較高的尺寸穩(wěn)定性不同，壓力容器的裙座對尺寸的偏差要求總體相對寬松，一般也不需要用焊后熱處理來穩(wěn)定尺寸。

通常，根據(jù)母材的材質(zhì)和厚度或焊接結(jié)構(gòu)的拘束度等考慮是否需要采用消氫處理以達到去氫的目的。如果采用焊后熱處理的方法消氫，其經(jīng)濟性較差。而焊接接頭的殘余應(yīng)力只有與材料的淬硬組織、焊縫中的擴散氫共同作用時，才會促使熱影響區(qū)硬化，導(dǎo)致冷裂紋及延遲裂紋的產(chǎn)生。經(jīng)過消氫處理的焊接接頭可以減少殘余應(yīng)力的不良影響。

2.5.2 地腳螺栓承受的最大應(yīng)力

按NB/T 47041—2014《塔式容器》【4】中地腳螺栓承受的最大應(yīng)力σB取下面兩式中的較大值：

(2)

(3)

式中，σB1、σB2分別為最小操作質(zhì)量工況、正常操作工況下地腳螺栓承受的應(yīng)力，單位為MPa；其余各符號含義與NB/T 47041—2014中相同。

當(dāng)σB≤0 MPa時，立式容器自身穩(wěn)定，裙座筒體各處軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力。

3 特殊情況下裙座筒體焊后熱處理的取舍和建議

通常，對裙座的焊后熱處理可按承壓元件的要求進行判定。當(dāng)裙座筒節(jié)與設(shè)備組焊后一起進行最終焊后熱處理時，對Q245R、Q345R裙座材料，若焊后熱處理的參數(shù)超過620 ℃/3 h或回火參數(shù)P>18，則應(yīng)對裙座筒節(jié)材料提出模擬焊后熱處理要求(數(shù)據(jù)來自EN 13445-4—2009要求)或帶母材試板檢測。設(shè)備要求進行焊后熱處理時，在下列情況下可適當(dāng)考慮放寬要求。

3.1 裙座材料為Q245R或Q345R、地腳螺栓承受的最大應(yīng)力σB≤0 MPa的情況

當(dāng)?shù)啬_螺栓承受的最大應(yīng)力σB≤0 MPa時，由于裙座筒體各處軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，通常不可能發(fā)生脆性破壞，在滿足裙座強度要求的條件下，可只將一節(jié)筒節(jié)與設(shè)備一起進行整體焊后熱處理；對裙座與已焊到設(shè)備上的一節(jié)裙座筒節(jié)的焊接，只要焊接工藝能防止焊接超標(biāo)缺陷發(fā)生，可考慮只進行消氫處理而省去焊后熱處理。

3.2 裙座材料為Q245R或Q345R、地腳螺栓承受的最大應(yīng)力σB>0 MPa的情況

對于地腳螺栓承受的最大應(yīng)力σB>0MPa的情況，在滿足裙座強度要求的條件下，可只將一節(jié)裙座筒節(jié)與設(shè)備組焊后一起進行整體焊后熱處理；對裙座與已焊到設(shè)備上的一節(jié)裙座筒節(jié)的焊接，按ASME Ⅷ-1【5】中UCS-66規(guī)定，如果Q245R或Q345R按與之相當(dāng)?shù)拿绹牧吓铺柌閁CS-66M圖中對應(yīng)的曲線后可免于沖擊試驗，由于裙座不會出現(xiàn)脆性破壞，所以，裙座是否需要進行焊后熱處理可由焊接工藝防止焊接裂紋和焊接缺陷的要求而定，可考慮采用消氫處理或焊接后熱代替焊后熱處理，以避免出現(xiàn)焊接裂紋和焊接缺陷。如前所述，對Q245R、Q345R材料裙座，當(dāng)裙座筒體厚度≤50 mm時，也可不進行焊后熱處理。綜合上述兩方面因素，可取嚴者要求。對于不能免于沖擊試驗的情況，筆者認為，應(yīng)進行焊后熱處理。

3.3 裙座筒體與設(shè)備殼體材料不同，且設(shè)備殼體要求焊后熱處理的情況

裙座筒體與設(shè)備殼體材料不同時，裙座通常都有過渡段，此時裙座是否與設(shè)備殼體組焊后一起進行整體焊后熱處理應(yīng)根據(jù)設(shè)備殼體焊后熱處理制度對裙座材料性能的影響綜合考慮。若設(shè)備殼體焊后熱處理制度對裙座材料性能的影響不大，則裙座可以與設(shè)備殼體組焊后一起進行整體焊后熱處理。按EN 13445-4—2009的規(guī)定，對于裙座材料為Q245R、Q345R的情況，在熱處理制度為620 ℃/3 h或回火參數(shù)P≤18時，裙座可以直接與設(shè)備殼體組焊后一起進行整體焊后熱處理；若熱處理制度超過620 ℃/3 h或回火參數(shù)P>18時，對裙座材料應(yīng)提出模擬焊后熱處理狀態(tài)下材料力學(xué)性能不低于材料標(biāo)準的要求。

對于設(shè)備殼體焊后熱處理制度為較高參數(shù)的情況(如殼體材料為Cr-Mo鋼，裙座材料為Q345R)，設(shè)備殼體焊后熱處理制度的加熱溫度較高、保溫時很長，裙座材料在焊后熱處理后力學(xué)性能下降較多，即使對裙座筒體用材提出模擬焊后熱處理的要求，也會給裙座材料的生產(chǎn)和采購帶來困難，有時需要專門開發(fā)特制，造成生產(chǎn)進度的延遲。

此時可考慮先將裙座過渡段與設(shè)備殼體組焊后進行設(shè)備部分的整體焊后熱處理，然后組焊裙座過渡段與裙座，再進行過渡段與裙座焊接接頭的局部焊后熱處理。局部焊后熱處理的制度按過渡段要求選定。一般來說，裙座過渡段的厚度比設(shè)備筒體薄，局部焊后熱處理保溫時間可以縮短，從而減小焊后熱處理對裙座材料力學(xué)性能的影響。

對于按過渡段要求進行局部焊后熱處理后裙座材料力學(xué)性能還是下降很多的情況，當(dāng)?shù)啬_螺栓承受的最大應(yīng)力σB≤0 MPa且查ASME Ⅷ-1 UCS-66M圖中對應(yīng)的曲線過渡段與裙座筒體的焊接接頭可免于沖擊試驗時，可考慮按過渡段中間熱處理的要求選擇局部焊后熱處理的可能性，如：針對例2，過渡段與裙座焊接接頭的局部焊后熱處理可考慮采用(620±14 ℃)/2 h的熱處理制度，這樣可保證在不出現(xiàn)脆性破壞的情況下，又不致使降低太多裙座強度。

4 結(jié)語

綜上分析，對裙座的焊后熱處理可按承壓元件的要求進行判定，當(dāng)裙座筒節(jié)與設(shè)備組焊后一起進行最終焊后熱處理時，對Q245R、Q345R裙座材料，若焊后熱處理的參數(shù)超過620 ℃/3 h或回火參數(shù)P>18，則應(yīng)對裙座筒節(jié)材料提出模擬焊后熱處理要求。設(shè)備要求焊后熱處理，在特殊情況下可考慮適當(dāng)放寬裙座焊后熱處理的要求。當(dāng)設(shè)備殼體焊后熱處理的加熱溫度較高和/或保溫時間較長且裙座筒體材料為Q245R、Q345R時，應(yīng)先進行設(shè)備殼體與裙座過渡段組焊后的設(shè)備部分整體焊后熱處理，然后進行裙座過渡段與裙座組焊后的局部焊后熱處理。局部焊后熱處理的制度按該焊接接頭的實際情況確定。對于設(shè)備殼體焊后熱處理保溫時間、過渡段與裙座筒體焊接接頭焊后熱處理保溫時間相差較大的情況，更應(yīng)將裙座過渡段與裙座焊接接頭單獨進行局部焊后熱處理。一味要求包括裙座在內(nèi)的設(shè)備進行整體焊后熱處理有時是不合適的可能會造成技術(shù)難題，也可能存在安全隱患。