CN103290192A - 一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺，属于大锻件热处理工艺技术领域。将超大型管板分成三块形状不同的锻件分别锻造成型，经锻造热处理和性能热处理，开坡口拼焊成超大型管板。分块锻件的锻后热处理工艺采用正火+正火+高温回火。分块锻件的性能热处理工艺采用淬火+高温回火。本发明将超大型管板进行分块锻造，可以减小钢锭尺寸，降低单件锻件的重量，增大锻造比，提高锻透性，避免夹杂性裂纹等内部缺陷，降低废品率。采用正火+正火+高温回火的锻后热处理工艺，与传统的1次正火+回火工艺相比，可以进一步细化和均匀晶粒，提高晶粒度等级，并为后序的热处理准备良好的组织条件。采用淬火+高温回火的性能热处理工艺，以获得良好的综合性能指标。

Description

一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺

技术领域

本发明涉及石化装置压力容器超大型管板热处理工艺，尤其涉及一种压力容器拼焊式超大型管板热处理工艺，属于大锻件热处理工艺技术领域。

背景技术

压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。反应器、换热器、分离器和贮运器等均属压力容器。压力容器在工艺中有着极其广泛的应用，各种规格的压力容器广泛应用于石油、天然气、石油化工和化工等。

目前许多高温、高压、氢腐蚀、超高压关键设备如核压力壳、大型加氢反应器、EO/EG装置反应器等压力容器，都采用锻焊式。如大型乙烯反应器采用超大型固定管板式厚壁换热器，管板是在反应器内，用于支撑壳体和管子的零件。

超大型管板的制造特点为成本高、性能要求高、生产难度大。需要通过合理的热处理工艺提高管板锻件的各项性能指标,满足用户使用要求。传统的管板锻件制造中，大型管板通常采用整体式制造，易造成晶粒粗大和夹杂性裂纹等缺陷，导致废品率较高，容易造成巨大经济损失。如何提高大型管板的内部质量，提高产品合格率，一直是影响大型压力容器国产化的难题之一。

热处理是将金属工件加热到一定的温度，并在该温度下保温一定时间后，放入油或水中以不同速度冷却，通过改变金属材料表明或内部组织来控制其性能的一种工艺。

管板锻件传统热处理工艺不足之处表现为：

（1）大型管板通常采用整体锻造，易造成晶粒粗大和夹杂性裂纹等缺陷，导致废品率较高。

（2）锻后热处理工艺，大多采用正火+回火，在100倍下观察金相组织仍与正火的相似，为块状铁素体和珠光体，只是高倍下观察,珠光体已大部分球化。对细化晶粒不够充分。对于较厚的管板锻件，由于冶炼条件、偏析严重，内部晶粒相对粗大，则需增加一次正火和一次过冷，使基体组织更加细化和均匀，为后续热处理及机械加工做好组织准备。

（3）性能热处理时冷却不充分。传统工艺淬火通常冷却至150℃，即达到马氏体相变点（220℃）以下就开始进行后续的回火处理，造成冷却不够充分。采用回火温度为600～630℃，低于640℃回火，容易造成硬度高且不均匀，脆性高，冲击值低，韧性差。难以获得良好的综合性能指标。

大型锻件往往存在晶粒粗大且不均匀、较多的气体和夹杂物、较大的锻造应力等，需制定合理的热处理工艺参数以修复缺陷。20MnMoNb低合金高强度钢锻件锻造后，如果热处理工艺不当，不能很好地改善材料的机械性能，组织晶粒粗大，容易造成后续焊接过程中形成应力集中现象。

发明内容

本发明涉及一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺，热处理包括两个阶段，锻后热处理和性能热处理，满足超大型管板良好综合力学性能要求。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

（1）管板分块：

将超大型管板分为三块，即圆弧形块Ⅰ、矩形块和圆弧形块Ⅱ，圆弧形块Ⅰ、矩形块和圆弧形块Ⅱ分别进行锻造成型；

分块锻件的所述制造流程为：电炉冶炼→精炼→真空浇注→锻造→锻后热处理→粗加工→性能热处理→半精加工。

（2）锻后热处理：

大型锻件由于结晶缓慢、偏析严重，再结晶晶粒粗大而且不均匀，内外温度差，所以容易造成奥氏体晶粒粗大、不均匀。多次正火是细化及均匀化大锻件晶粒的有效方法。

分块锻件的所述锻后热处理，采用正火+正火+高温回火工艺流程，与传统的1次正火+回火工艺相比，其优点是进一步细化晶粒，最大程度地提高晶粒度。细化晶粒度不仅可以减少夹杂性裂纹的产生，并为后序的热处理准备良好的组织条件，有利于提高锻件的机械性能。

分块锻件的锻后热处理具体步骤为：

①第一次正火

第一次正火前，锻件温度在600～650℃，保温7小时，然后进行升温开始第一次正火；第一次正火升温至930±20℃，保温6小时；吊下台车空冷至400～450℃。第一次正火目的是消除锻造过程中形成的应力，改善显微组织。

第一次正火，奥氏体化的温度较高，为Ac3+(50～100℃)，以割断锻件组织中粗大晶粒与新生晶粒之间的联系，但这时所得奥氏体晶粒仍较粗大，需进行二次正火进一步细化晶粒。20MnMoNb为压力容器锻造用钢，Ac3温度为840～860℃,所以选择正火温度930±20℃。

②第二次正火

入炉300±20℃，保温10小时,升温至670±10℃，保温7小时，因锻件尺寸较大、合金元素较多，其目的是减小锻件的内外温差和内应力。然后开始升温进行第二次正火。第二次正火升温至880±20℃，保温7小时。吊下台车空冷至400～450℃。第二次正火进行重结晶，目的是为了得到更细的晶粒，以便改善锻件的组织和性能。

第二次正火，奥氏体化的温度较低，通常为Ac3+(25～50℃)。20MnMoNb为压力容器锻造用钢，Ac3温度为840～860℃,所以选择第二次正火温度为880±20℃,低于或高于正火温度，不利于得到较细晶粒。奥氏体的晶粒度与加热条件有直接关系，晶粒尺寸随着加热温度升高或保温时间延长不断长大。如果加热温度明显高于临界温度时，使奥氏体晶粒长大，冷却后形成粗晶组织。所以正火温度不能过高。

针对大型锻件，采用两次正火通常是消除钢在冶炼过程中产生的晶粒粗大、成分偏析等缺陷，消除锻件在锻造过程中形成的应力，改善显微组织，最大程度地提高晶粒度。

③高温回火

第二次正火后冷却至400～450℃,入炉300±20℃保温12小时,继续加热进行高温回火。高温回火升温至640±20℃，保温50小时后冷却至低于150℃，出炉，完成分块锻件的锻后热处理工艺。20MnMoNb含较高的Mo，回火稳定性优良，经高温回火后得到回火索氏体，具有较高的韧性和强度。大锻件正火后，以高温回火可以消除内应力并改善组织和性能。正火后高温回火可以消除应力，细化晶粒，降低硬度。正火后塑性较低，通过高温回火塑性有较大提高。所以使得锻件具有一定强度和硬度，又具有塑性和韧性的良好综合力学性能。

（3）性能热处理：

分块锻件的性能热处理，采用淬火＋高温回火工艺流程，它是决定管板组织、硬度分布、应力分布和综合性能的关键工序。

分块锻件的性能热处理具体步骤为：

①淬火

升温至650±10℃，保温6小时后，升温至淬火温度920±10℃，保温10小时，然后水冷至室温。其优点：①合金钢加热至900～960℃时，合金元素已大量溶入基体内使得材料的淬透性良好。因此选择加热至920±10℃，采用水冷能获得较好的组织与较高的硬度。②淬火冷却速度快且冷却充分，能获得高强度和硬度。

②高温回火

升温至350±10℃，保温12小时后，升温至回火温度640±10℃，保温16小时，空冷至室温，获得回火索氏体。以彻底消除内应力，提高金属的塑性和韧性，获得高强度和韧性的优良综合力学性能。

合金钢加热至900～960℃淬火后回火时，随回火温度升高硬度有所下降。当回火温度高于580℃时，硬度下降的趋势明显。所以采用640±10℃高温回火以降低硬度，提高韧性。

本发明涉及一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺，将超大型管板分为三块形状不同的锻件进行分别锻造成型，并经锻后热处理和性能热处理，开坡口拼焊成超大型管板。采用分块制造其优点在于减小钢锭尺寸，降低单件锻件重量，增大锻造比，提高锻透性，避免夹杂性裂纹等常见内部缺陷，降低废品率。

分块锻件的锻后热处理，采用正火+正火+高温回火的工艺流程，与传统的1次正火+回火工艺相比，其优点是进一步细化和均匀晶粒，最大程度地提高晶粒度,并为后序的热处理准备良好的组织条件。

分块锻件的性能热处理，采用淬火+高温回火的工艺流程，其优点是淬火入水速度快，水冷时间长，充分冷却至室温，能获得较好的组织与较高的硬度。采用640℃高温回火，获得良好的综合性能。

附图说明

图1是实施例中超大型管板尺寸图。

图2是实施例中超大型管板分块示意图，图中，虚线为分块锻件；

图中，1、圆弧  形块Ⅰ，2、矩形块，3、圆弧形块Ⅱ。

具体实施例

给出本发明实施例，对本发明加以说明，但不构成对本发明的任何限制。本发明所述的超大型管板锻件是指直径大于6米的管板，所述压力容器超大型管板采用20MnMoNb钢；

（1）管板分块

针对直径超过6米的超大型管板锻件，为了提高超大型管板的制造质量稳定性，将超大型管板分为三块即圆弧形块Ⅰ1、矩形块2和圆弧形块Ⅱ3，所述圆弧形块Ⅰ1和圆弧形块Ⅱ3与所述超大型管板锻件同心且半径相同，所述矩形块2的长度与所述超大型管板锻件的直径相同，所述矩形块2的长度方向的两个端面为圆弧形。所述圆弧形块Ⅰ1、矩形块2和圆弧形块Ⅱ3分别进行锻造成型、锻后热处理和性能热处理，开坡口拼焊形成所述超大型管板锻件。

（2）锻后热处理

分块锻件的所述锻后热处理，采用正火+正火+高温回火的工艺流程。与传统的1次正火+回火的锻后热处理工艺相比，可以进一步细化晶粒，最大程度地提高晶粒度级别，为后序的机械性能热处理提供好的条件，有利于提高锻件的机械性能。所述分块锻件的锻后热处理具体步骤为：

①第一次正火

第一次正火前，锻件温度保持在600～650℃，7小时，然后升温开始第一次正火。第一次正火升温至930±20℃，保温6小时。吊下台车空冷至400～450℃。第一次正火目的是消除锻造过程中形成的应力，改善显微组织。第一次正火，奥氏体化的温度较高，为Ac3+(50～100℃)，以割断锻件组织中粗大晶粒与新生晶粒之间的联系，但这时所得奥氏体晶粒仍较粗大，需进行二次正火进一步细化晶粒。20MnMoNb为压力容器锻造用钢，Ac3温度为840～860℃,所以选择正火温度930±20℃.

②第二次正火

入炉300±20℃,升温至670±10℃，保温7小时，然后继续升温开始第二次正火。第二次正火升温至880±20℃，保温7小时,吊下台车空冷至400～450℃。第二次正火，奥氏体化的温度较低，通常为Ac3+(25～50℃)，选择正火温度为880±20℃，其目的是为了得到更细的晶粒。低于或高于正火温度，不利于获得较细晶粒。

③高温回火

第二次正火后冷却至400～450℃,入炉300±20℃保温12小时后,继续加热进行高温回火。高温回火温度为640±20℃，保温50小时后冷却至低于150℃，出炉，完成分块锻件的锻后热处理工艺。20MnMoNb含较高的Mo，回火稳定性优良，经高温回火后得到回火索氏体，具有较高的韧性和强度。大锻件正火后，以高温回火可以消除内应力并改善组织和性能。正火后高温回火可以消除应力，细化晶粒，降低硬度。正火后塑性较低，通过高温回火塑性有较大提高。所以使得锻件具有一定硬度和强度，又具有良好塑性和韧性的综合力学性能。

（3）性能热处理

分块锻件的所述性能热处理，采用淬火+高温回火工艺。具体步骤为：

①淬火

升温至650±10℃，保温6小时后，升温至淬火温度920±10℃，保温10小时。然后进行水冷至室温，要求淬火入水速度快，水冷时间长，水冷充分，冷却至室温。其优点：①由于合金钢加热至900～960℃时，合金元素已大量溶入基体内使得材料的淬透性良好，因此选择加热至920±10℃。采用水冷能获得较好的组织与较高的硬度。②淬火冷却速度快且冷却充分，获得高强度和硬度。

②高温回火

升温至350±10℃，保温12小时后，升温至回火温度640±10℃，保温16小时，空冷至室温，获得回火索氏体。以彻底消除内应力，提高金属的塑性和韧性，以获得高强度和韧性的优良综合力学性能。

与传统的性能热处理工艺相比，由于淬火冷却速度快且冷却充分，有利于提高锻件强度；而且采用高于640℃的高温回火，有利于获得良好综合力学性能。

按照上述工艺生产直径达7m超大型管板锻件，材质为20MnMoNb，经超声波符合压力容器探伤JB4730.3-2005标准I级要求。根据GB/T6394-2002标准，晶粒度等级达到8级，各项性能指标（硬度、强度、延伸率、抗冲击性能）满足要求。

Claims (2)

1.一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺，所述压力容器超大型管板采用20MnMoNb钢；其特征在于：

将超大型管板分为三块，即圆弧形块Ⅰ（1）、矩形块（2）和圆弧形块Ⅱ（3），圆弧形块Ⅰ（1）、矩形块（2）和圆弧形块Ⅱ（3）分别进行锻造成型；

分块锻件的锻后热处理工艺为正火+正火+高温回火：

第一次正火温度为930±20℃；第二次正火温度为880±20℃；高温回火温度为640±20℃，完成分块锻件的锻后热处理；采用两次正火+回火的锻后热处理工艺，可以细化晶粒，最大程度地提高晶粒度级别,并为后序的热处理准备良好的组织条件，有利于提高锻件的机械性能；

分块锻件的性能热处理工艺为淬火+高温回火：

淬火温度为900±10℃,水冷至室温，以获得良好的综合机械性能；高温回火温度为640±10℃，保温16小时，空冷至室温，以获得高强度和韧性的良好综合性能。

2.按照权利要求1所述的压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺，其特征在于：

分块锻件的锻后热处理工艺具体步骤为：

①第一次正火

第一次正火前，锻件温度在600～650℃，保温7小时，然后进行升温开始第一次正火；第一次正火升温至930±20℃，保温6小时；吊下台车空冷至400～450℃；

②第二次正火

入炉300±20℃，保温10小时,升温至670±10℃，保温7小时，然后开始升温进行第二次正火；第二次正火升温至880±20℃，保温7小时；吊下台车空冷至400～450℃；

③高温回火

第二次正火后冷却至400～450℃,入炉300±20℃保温12小时,继续加热进行高温回火；高温回火升温至640±20℃，保温50小时后冷却至低于150℃，出炉，完成分块锻件的锻后热处理工艺；

分块锻件的所述性能热处理具体步骤为：

①淬火

升温至650±10℃，保温6小时后，升温至淬火温度920±10℃，保温10小时，然后水冷至室温；

②高温回火

升温至350±10℃，保温12小时后，升温至回火温度640±10℃，保温16小时，空冷至室温。

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