CN109722525B - 一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法，涉及压力容器焊接技术领域，包括以下步骤：加大焊缝盖面宽度；打磨焊缝盖面；确定加热区，布设加热片和保温棉；采用六段三次对称加热方式进行焊后热处理。本发明的有益效果是，通过加大焊缝盖面宽度，结合机械打磨的方法，使焊缝盖面与母材光滑过渡，显著降低了超大压力容器大型插入板焊缝焊趾处的应力集中和拉伸焊接残余应力，焊后热处理采用六段三次对称加热方式，焊后热处理过程中较大的不协调变形，改善焊缝两侧变形的协调性，有效地降低了焊缝开裂的风险。
Description
技术领域
本发明涉及压力容器焊接技术领域，尤其涉及一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法。
背景技术
目前，随着世界能源与环境问题的加剧，压力容器亟需向大型化发展，但是，超大压力容器在焊接过程中因不均匀加热和冷却，会在其内部产生严重影响结构完整性的残余应力，经实验和数值模拟验证，拉伸焊接残余应力主要存在于焊缝近表面位置，尤其是焊趾部位。如，对于超大压力容器上的闸门等大型插入板与筒体焊接，由于前者厚度远大于后者，很难控制焊缝表面质量，易在焊趾部位形成尖锐的沟槽，导致应力集中。
超大压力容器大型插入板焊后热处理加热区通常设置为以焊缝为中心，在插入板与筒体两侧设置等宽度的主加热区，并在插入板(厚板)侧设置辅助加热区提高其升温速率。其加热方式如果采用整圈一次，所需电功率过大，现场实施难以实现。因此，超大压力容器大型插入板焊后热处理多采用三段三次加热方式，即将上述整圈加热区分为等分为三段，进行三次加热。但是，在焊后热处理过程中，靠近插入板侧的外表面焊趾处极易产生严重的纵向开裂现象，且纵向开裂多存在于插入板的上、下部位。现场检测和数值模拟均证明，插入板上、下部位的焊缝处变形较大，且由于插入板的刚度远大于筒体，其变形相比筒体小很多，导致焊缝处变形不协调性问题更加突出。
综上，超大型压力容器大型插入板在热处理过程中，由于焊缝焊趾处存在严重的应力集中，过大的不协调变形与拉伸残余应力的综合效应，使得焊趾处的应力很快达到一定温度下(通常是保温阶段)材料的断裂强度，最终导致焊缝开裂。因此，如何改善焊缝焊趾处的残余应力分布和降低应力集中，减少热处理过程中的不协调变形，进而降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂的风险，成为急需解决的一个问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法，包括以下步骤：
(1)加大焊缝盖面宽度；
(2)打磨焊缝盖面；
(3)确定加热区，布设加热片和保温棉；
(4)焊后热处理。
进一步地，加大焊缝盖面宽度：盖面焊道伸出坡口边缘距离为5-10mm，焊缝余高为3-4mm。
进一步地，打磨焊缝盖面：对整个焊缝盖面进行机械打磨，使得打磨后的焊缝圆滑过渡，焊缝余高控制在1-2mm，对焊趾处进行局部打磨，控制焊缝盖面与母材板面相切的圆弧半径大于20mm。
进一步地，步骤(2)中，焊趾处的母材打磨量为0.5-1mm。
进一步地，确定加热区，布设加热片和保温棉：
(1)确定主加热区和辅助加热区，以插入板与筒体连接的环焊缝为中心，宽度为600mm的整圈作为主加热区；插入板侧宽度为200mm的整圈作为插入板侧辅助加热区；将主加热区和辅助加热区等分为六段，并在第一次加热区的筒体侧增设4个保温温度分别为500℃、400℃、300℃、200℃的等弧度的轴向渐变温度辅助加热区，轴向渐变温度辅助加热区的宽度均为200mm；
(2)在主加热区上布设主加热片，插入板侧辅助加热区上布设插入板侧辅助加热片，在筒体侧的4个轴向渐变温度辅助加热区上分别布设500℃保温辅助加热片、400℃保温辅助加热片、300℃保温辅助加热片和200℃保温辅助加热片；保温棉完全包裹主加热区、辅助加热区和插入板侧辅助加热区。
进一步地，焊后热处理：采用六段三次对称加热方式对加热区进行热处理，即将加热区等分为六段，分三次进行加热，每次对两两对称的两段加热区进行加热。
进一步地，热处理过程：在温度427℃以下时，升温速率为135-145℃/小时，在温度427℃以上时，升温速率控制在50-56℃/小时，待温度升高至595℃后保温半小时，然后加热半小时温度升高至620℃，再620℃保温2-3小时，保温结束后，控制降温速率50-56℃/小时，直至温度降至427℃，最后自然冷却至室温。
本发明的有益效果是，
1、基于焊缝焊趾处应力集中和拉伸焊接残余应力调控，通过加大焊缝盖面宽度，结合机械打磨的方法，使焊缝盖面与母材光滑过渡，并通过控制焊趾处母材的打磨量，消除热影响区表面微观裂纹，延迟裂纹萌生；
2、考虑到焊后热处理过程中焊缝两侧较大的不协调变形是导致焊缝开裂的重要原因，该方法焊后热处理采用六段三次对称加热方式，并在第一次加热时于筒体主加热区外侧设置轴向渐变温度辅助加热区，控制温度梯度，减小筒体的变形，进一步改善焊缝两侧变形的协调性。
本发明显著降低了超大压力容器大型插入板焊缝焊趾处的应力集中和拉伸焊接残余应力，以及焊后热处理过程中较大的不协调变形，有效地控制了焊缝开裂的风险。
附图说明
图1为本发明中未圆滑过渡加大焊缝盖面结构示意图；
图2为图1中Ⅰ处的局部放大图；
图3为本发明中圆滑过渡加大焊缝盖面结构示意图；
图4为图3中Ⅱ处的局部放大图；
图5本发明中的主加热区和插入板侧辅助加热区的位置示意图；
图6为图5中A-A剖面结构示意图；
图7为本发明中的六段三次对称加热结构分布示意图；
图8为本发明中带有轴向渐变温度辅助加热区的六段三次对称加热结构示意图；
图9为图8中B-B处剖面结构示意图；
图10为本发明中的主加热区热处理工艺曲线；
图11为本发明中的筒体侧轴向渐变温度辅助加热区热处理工艺曲线；
其中，1-插入板外侧；2-未圆滑过渡焊缝外侧盖面；3-筒体外侧；4-筒体内侧；5-未圆滑过渡焊缝内侧盖面；6-插入板内侧；7-圆滑过渡焊缝外侧盖面；8-圆滑过渡焊缝内侧盖面；9-筒体；10-焊缝；11-插入板；12-闸门套筒；13-保温棉；14-插入板侧辅助加热片；15-主加热片；16-500℃保温辅助加热片；17-400℃保温辅助加热片；18-300℃保温辅助加热片；19-200℃保温辅助加热片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法，包括以下步骤：
(1)加大焊缝盖面宽度
盖面焊道伸出坡口边缘距离为5-10mm，焊缝10余高为3-4mm；未圆滑过渡加大焊缝盖面结构如图1所示，由于超大压力容器大型插入板11的焊接工作量和焊接难度较大，难以保证焊缝10盖面的焊接质量，尤其是焊缝10焊趾处极易形成尖锐的沟槽，在插入板外侧1与未圆滑过渡焊缝外侧盖面2、插入板内侧6与未圆滑过渡焊缝内侧盖面5、筒体外侧3与未圆滑过渡焊缝外侧盖面2、筒体内侧4与未圆滑过渡焊缝内侧盖面5，焊缝盖面与钢板形成的沟槽如图2所示，造成严重的应力集中，存在较大的拉伸残余应力。
(2)打磨焊缝盖面
对整个的未圆滑过渡焊缝外侧盖面2和未圆滑过渡焊缝内侧盖面5进行机械打磨，使得打磨后的焊缝10圆滑过渡，焊缝10余高控制在1-2mm，如图3所示，对焊趾处进行局部打磨，即插入板外侧1与圆滑过渡焊缝外侧盖面7、插入板内侧6与圆滑过渡焊缝内侧盖面8、筒体外侧3与圆滑过渡焊缝外侧盖面7、筒体内侧4与圆滑过渡焊缝内侧盖面8处均圆滑过渡，控制焊缝盖面与母材板面相切的圆弧半径大于20mm，消除应力集中，如图4所示；焊趾处的母材打磨量为0.5-1mm，即可保证母材区域强度要求，又可消除热影响区微观裂纹，延迟裂纹萌生。
未圆滑过渡焊缝外侧盖面2和未圆滑过渡焊缝内侧盖面5的焊接残余应力主要集中于近表面，尤其是焊趾处，拉伸残余应力非常大，焊缝盖面打磨过程作为应力释放过程，极大的改善了焊缝10，尤其是焊缝10焊趾处的残余应力分布。
(3)确定加热区，布设加热片和保温棉
1、确定主加热区和辅助加热区，以插入板11与筒体9连接的环焊缝为中心，宽度为600mm的整圈作为主加热区，插入板11侧宽度为200mm的整圈作为插入板侧辅助加热区，如图5和6所示；将主加热区和辅助加热区等分为六段，如图7所示，基于焊缝10开裂和较大不协调变形位置处于插入板11上、下部位考虑，在第一次加热区的筒体9侧增设4个保温温度分别为500℃、400℃、300℃、200℃的等弧度的轴向渐变温度辅助加热区，轴向渐变温度辅助加热区的宽度均为200mm，如图8和9所示。
2、在主加热区上布设主加热片15，插入板侧辅助加热区上布设插入板侧辅助加热片14，在筒体侧的4个轴向渐变温度辅助加热区上分别布设500℃保温辅助加热片16、400℃保温辅助加热片17、300℃保温辅助加热片18和200℃保温辅助加热片19；保温棉完全包裹主加热区、辅助加热区和插入板侧辅助加热区，如图6所示。
实际过程中，保温棉13完全包裹主加热区、辅助加热区和插入板侧辅助加热区，保温棉13伸出两侧加热区边缘各约为500mm；若插入板侧辅助加热区边缘距离闸门套筒12小于500mm，保温棉13的伸出长度可根据实际情况确定。
(4)焊后热处理
为减少焊后热处理过程中的变形，采用六段三次对称加热方式对加热区进行热处理，即将加热区等分为六段，如图7所示，分三次加热，每次对两两对称的两段加热区进行加热，第一次对分段1和分段4加热，第二次对分段2和分段5加热，第三次对分段3和分段6加热。
主加热区热处理过程：
在温度427℃以下时，升温速率为135-145℃/小时，在温度427℃以上时，升温速率控制在50-56℃/小时，待温度升高至595℃后保温半小时，然后加热半小时温度升高至620℃，再620℃保温2-3小时，保温结束后，控制降温速率50-56℃/小时，直至温度降至427℃，最后关闭电源自然冷却至室温，工艺曲线如图10所示。
轴向渐变温度辅助加热区热处理过程：
500℃保温辅助加热区、400℃保温辅助加热区、300℃保温辅助加热区和200℃保温辅助加热区的不同保温温度曲线在同时间段内升温速率和降温速率与主加热区的热处理工艺曲线一致，且同时关闭电源自然冷却至室温，工艺曲线如图11所示。
插入板侧辅助加热区热热处理过程：
热处理过程与500℃保温辅助加热区热处理过程相同，工艺曲线与图11所示的500℃保温曲线一致。
采用本发明的方法进行热处理，经现场试验和数值模拟分析得出结论：
超大压力容器大型插入板11焊后热处理过程中，焊缝10附近的最大变形由130mm降至95mm，降低幅度达到26.9％，变形不协调性也得到明显改善；保温阶段焊缝10焊趾处的最大应力由408MPa降至205MPa，低于该温度下的材料屈服强度，降低幅度达到49.7％。
综上，本发明可有效控制超大压力容器大型插入板11焊后热处理过程中焊缝10开裂的风险。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加大焊缝盖面宽度；
(2)打磨焊缝盖面；
(3)确定加热区，布设加热片和保温棉；
(4)焊后热处理；
加大焊缝盖面宽度：盖面焊道伸出坡口边缘距离为5-10mm，焊缝余高为3-4mm；
打磨焊缝盖面：对整个焊缝盖面进行机械打磨，使得打磨后的焊缝圆滑过渡，焊缝余高控制在1-2mm，对焊趾处进行局部打磨，控制焊缝盖面与母材板面相切的圆弧半径大于20mm；步骤(2)中，焊趾处的母材打磨量为0.5-1mm；
确定加热区，布设加热片和保温棉：
(1)确定主加热区和辅助加热区，以插入板与筒体连接的环焊缝为中心，宽度为600mm的整圈作为主加热区；插入板侧宽度为200mm的整圈作为插入板侧辅助加热区；将主加热区和辅助加热区等分为六段，并在第一次加热区的筒体侧增设4个保温温度分别为500℃、400℃、300℃、200℃的等弧度的轴向渐变温度辅助加热区，轴向渐变温度辅助加热区的宽度均为200mm；
(2)在主加热区上布设主加热片，插入板侧辅助加热区上布设插入板侧辅助加热片，在筒体侧的4个轴向渐变温度辅助加热区上分别布设500℃保温辅助加热片、400℃保温辅助加热片、300℃保温辅助加热片和200℃保温辅助加热片；保温棉完全包裹主加热区、辅助加热区和插入板侧辅助加热区。
2.如权利要求1所述的一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法，其特征在于，焊后热处理：采用六段三次对称加热方式对加热区进行热处理，即将加热区等分为六段，分三次进行加热，每次对两两对称的两段加热区进行加热。
3.如权利要求2所述的一种降低超大压力容器大型插入板焊后热处理过程中焊缝开裂风险的方法，其特征在于，热处理过程：在温度427℃以下时，升温速率为135-145℃/小时，在温度427℃以上时，升温速率控制在50-56℃/小时，待温度升高至595℃后保温半小时，然后加热半小时温度升高至620℃，再620℃保温2-3小时，保温结束后，控制降温速率50-56℃/小时，直至温度降至427℃，最后自然冷却至室温。
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