張圓磊

(威特立創(chuàng)能科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215122)

承壓設(shè)備被廣泛應(yīng)用于石油、石化等行業(yè)，在承壓設(shè)備的設(shè)計、制造過程中存在諸多問題。筆者對承壓設(shè)備制造過程中存在的一些問題進(jìn)行分析討論，并提出了個人建議。

1 冷成型母材熱處理試件

鋼材冷加工后都會發(fā)生冷作硬化，隨著變形量的增大，材料強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降[1]。在產(chǎn)品制造過程中，零部件成型產(chǎn)生的應(yīng)變會使材料韌性降低，使得設(shè)備部件在使用過程中易發(fā)生非延性失效[2]。GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》[3]中加強(qiáng)了對冷成型受壓元件的質(zhì)量控制要求，相關(guān)規(guī)定內(nèi)容見表1。

表1 GB 150.4—2011中對冷成型受壓元件質(zhì)量控制的相關(guān)規(guī)定

由表1可知，當(dāng)鋼板冷成型受壓元件成型后需進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理時，必須制備母材熱處理試件，且設(shè)計文件應(yīng)對恢復(fù)性能熱處理工藝進(jìn)行規(guī)定。

1.1 母材恢復(fù)性能熱處理試件制備

GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[4]中沒有明確規(guī)定如何制備母材恢復(fù)性能熱處理試件。通常制備的母材恢復(fù)性能熱處理試件是與其所代表的成型件母材爐批號相同的1塊平板，該平板僅隨冷成型件一起進(jìn)行了恢復(fù)性能熱處理，并未模擬冷成型工藝給母材力學(xué)性能帶來的惡化情況。低合金鋼在進(jìn)行去應(yīng)力熱處理或正火熱處理后，一般母材的抗拉強(qiáng)度會降低，沖擊韌性會提高。如果試件最初的力學(xué)性能良好，進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理后性能更佳，或僅是強(qiáng)度降低一些，即使這塊試件的力學(xué)性能合格，也無法證明冷成型件的力學(xué)性能是否得到徹底恢復(fù)，亦不能代表力學(xué)性能惡化的產(chǎn)品在恢復(fù)性能熱處理后的力學(xué)性能也合格。只有在恢復(fù)性能熱處理前使試件與冷成型件遭受相似的力學(xué)性能惡化，恢復(fù)性能熱處理后試件的力學(xué)性能合格，才能證明所代表產(chǎn)品的力學(xué)性能合格。因此，在恢復(fù)性能熱處理前宜先使試件的力學(xué)性能惡化。

1.2 母材恢復(fù)性能熱處理

GB 150.4—2011中要求設(shè)計單位在提供給制造單位的技術(shù)文件中應(yīng)規(guī)定如何進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理。但一般技術(shù)文件中，設(shè)計單位除了規(guī)定可能要進(jìn)行去應(yīng)力熱處理之外，基本上不會另外規(guī)定恢復(fù)性能熱處理工藝。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，恢復(fù)性能熱處理通常可以按NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[6]中表5的規(guī)定進(jìn)行選擇。但文獻(xiàn)[6]表5規(guī)定的是不同材質(zhì)的消應(yīng)力熱處理溫度，在該溫度下進(jìn)行熱處理能否完全恢復(fù)母材的力學(xué)性能，是否不管冷成型件變形率多大，只要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理都可以恢復(fù)母材力學(xué)性能，如何證明力學(xué)性能已經(jīng)恢復(fù)，這些問題都有待商榷。文獻(xiàn)[7]中指出，如果僅是進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力的焊后熱處理，不需要制備試件。這就說明對母材恢復(fù)性能熱處理試件進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，這樣的母材恢復(fù)性能熱處理試件是沒有必要制備的，即使制備了也達(dá)不到GB 150.4—2011控制冷成型受壓元件質(zhì)量的目的。

GB 151—1999《管殼式換熱器》[8]附錄A第4.2.3條規(guī)定，對經(jīng)過熱處理的管材，在進(jìn)行熱彎或彎曲半徑小于10倍換熱管外徑時的冷彎后，須重新進(jìn)行與原熱處理工藝相同的熱處理。說明當(dāng)冷成型變形率較大時，僅進(jìn)行消應(yīng)力熱處理是不能恢復(fù)母材力學(xué)性能的，必須進(jìn)行與原熱處理工藝相同的熱處理，如正火、固溶熱處理等。GB/T 151—2014《熱交換器》[9]中刪除了此條規(guī)定，也說明將恢復(fù)性能熱處理等同于消應(yīng)力熱處理是不合適的。

ASME BPVC-Ⅲ NCA—2019《核電站部件建造規(guī)范》[10]中規(guī)定，當(dāng)成型變形率大于臨界應(yīng)變率時，應(yīng)進(jìn)行成型工藝評定。不僅如此，應(yīng)把成型工藝評定得到的材料韌性降低的程度作為補(bǔ)償量附加到材料和焊接材料的采購要求中，以彌補(bǔ)成型應(yīng)變造成的韌性損失[11]。成型工藝評定步驟如下：①根據(jù)文獻(xiàn)[10]給出的公式計算成型件的成型變形率。②通過拉伸或輥卷的方法使材料試塊變形，變形率不得低于成型件的成型變形率。③若成型件需要進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理，應(yīng)對試塊模擬進(jìn)行相應(yīng)的恢復(fù)性能熱處理。④對試塊進(jìn)行理化試驗。

因此，筆者認(rèn)為，母材恢復(fù)性能熱處理試件宜參照文獻(xiàn)[10]中成型工藝評定的方法制備，即先對試件模擬冷成型件的變形，且變形率不得小于其所代表的冷成型件的最大變形率。這樣可以驗證制定的恢復(fù)性能熱處理工藝能否恢復(fù)母材的性能，若無法恢復(fù)，就需對冷成型件進(jìn)行正火或固溶熱處理等。

2 接管B類焊接接頭無損檢測

當(dāng)承壓設(shè)備的A、B類焊接接頭檢測方法不同時，GB 150.4—2011對接管B類焊接接頭的無損檢測要求見表2。

表2 承壓設(shè)備A、B類焊接接頭檢測方法不同時接管B類焊接接頭無損檢測要求[3]

對于DN<250 mm的接管B類焊接接頭，目前大部分設(shè)計單位并未嚴(yán)格按GB 150.4—2011的規(guī)定進(jìn)行額外的規(guī)定，只有部分設(shè)計單位在設(shè)計圖樣上設(shè)置專欄詳細(xì)規(guī)定接管B類焊接接頭的無損檢測要求。當(dāng)設(shè)計單位不進(jìn)行特別規(guī)定時，如果對設(shè)備主體A、B類焊接接頭要求進(jìn)行全部射線檢測或者超聲檢測，制造單位一般對此類接管B類焊接接頭僅進(jìn)行全部磁粉檢測或者滲透檢測；如果設(shè)備主體A、B類焊接接頭要求進(jìn)行局部射線檢測或超聲檢測，制造單位一般對此類接管B類焊接接頭不進(jìn)行任何無損檢測。這明顯有悖于GB 150.4—2011中的相關(guān)規(guī)定。筆者認(rèn)為，由于GB 150.4—2011中修改了對接管B類焊接接頭無損檢測的規(guī)定，因此設(shè)計單位宜在提供給制造單位的技術(shù)文件中明確對DN<250 mm的接管B類焊接接頭的無損檢測要求。

GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[12]第4.3.2條規(guī)定的載荷中可能屬于接管所受外載荷的有：①液柱靜壓力，當(dāng)液柱靜壓力小于設(shè)計壓力的5%時可忽略不計。②法蘭的重力載荷。③風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷。④連接管道和其他部件的作用力。⑤沖擊載荷，包括壓力急劇波動引起的沖擊載荷、流體沖擊引起的反力等。⑥運(yùn)輸或吊裝時的作用力。

當(dāng)對承壓設(shè)備A、B類焊接接頭進(jìn)行局部射線檢測或者超聲檢測時，以上載荷是否可以忽略不計，是否認(rèn)為其屬于接管承受的外載荷，這些問題如果設(shè)計單位不在技術(shù)文件中加以明確，制造單位則很難清楚DN≥250 mm接管B類焊接接頭是否滿足GB 150.4—2011第10.3.2.e)條的規(guī)定。當(dāng)DN≥250 mm的接管不承受外載荷時，GB 150.4—2011未對此類接管B類焊接接頭的檢測做出任何規(guī)定，甚至未提出由設(shè)計單位來制定。筆者認(rèn)為，設(shè)計單位宜在技術(shù)文件中明確哪些接管承受了外載荷，并規(guī)定DN≥250 mm且不承受外載荷的接管B類焊接接頭的無損檢測要求。

3 預(yù)熱溫度和道間溫度定義

國內(nèi)外一些標(biāo)準(zhǔn)中對焊接時的預(yù)熱溫度和道間溫度的定義有所不同，見表3。

表3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對焊接時預(yù)熱溫度及道間溫度的定義

從表3可以看出，美國標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)最顯著的區(qū)別在于對預(yù)熱溫度的定義，GB/T 18591—2001對預(yù)熱溫度和道間溫度的定義基本上是參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)的。

筆者認(rèn)為，宜按ASME BPVC.Ⅸ—2019中的定義來理解預(yù)熱溫度和道間溫度。比如在進(jìn)行焊接工藝評定時，若按GB/T 18591—2001理解預(yù)熱溫度，那么僅需記錄第1道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度；而如果按照ASME BPVC.Ⅸ—2019理解預(yù)熱溫度，則必須記錄每道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度。對于雙面焊焊接工藝評定，第1道焊縫金屬可能會部分或全部被清除。不管是NB/T 47014—2011還是ASME BPVC.Ⅸ—2019，都把預(yù)熱溫度比評定合格值降低50 ℃(ASME BPVC.Ⅸ—2019中為55 ℃)作為一個主要變素，即認(rèn)為預(yù)熱溫度的降低會影響焊接接頭的力學(xué)性能和彎曲性能。若第1道焊縫金屬在清根時被完全清除，那么第1道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度對接頭的力學(xué)性能和彎曲性能將沒有任何作用，此時再把第1道焊縫施焊前的預(yù)熱溫度當(dāng)成評定的最低預(yù)熱溫度是不合適的。

當(dāng)焊道較長時，1道焊道可能會有多次引熄弧，應(yīng)按焊接工藝規(guī)程(WPS)中對預(yù)熱溫度和道間溫度的要求，控制每次引弧前的瞬時溫度。對于連續(xù)施焊的環(huán)向螺旋焊道，例如接管內(nèi)壁的堆焊焊道，1層只是1道焊縫，但隨著電弧熱的不斷輸入，待堆焊焊道的溫度會不斷升高，甚至達(dá)到400 ℃。我公司曾進(jìn)行過的試驗表明，此時側(cè)彎試驗的試件發(fā)生了直接脆斷。因此焊接時宜時時監(jiān)測待堆焊區(qū)域內(nèi)的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)溫度偏高，應(yīng)采取必要措施使溫度控制在道間溫度要求的范圍內(nèi)。

4 Cr-Mo鋼焊接接頭中間熱處理

對Cr-Mo鋼焊接接頭，尤其是12Cr2Mo1R接頭，若焊后不能立即進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，一般宜立即進(jìn)行中間熱處理。中間熱處理對Cr-Mo鋼焊接接頭有3種作用：①降低焊接接頭的最大殘余應(yīng)力。由于焊接加熱不均勻，焊接結(jié)構(gòu)在焊后存在一定的殘余應(yīng)力，若焊縫中有小裂紋，殘余應(yīng)力較大時容易使裂紋擴(kuò)大[18]。②去除焊縫中的氫，避免產(chǎn)生冷裂紋。一般對焊接接頭進(jìn)行620 ℃×2 h的中間熱處理后，可以極大降低焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量。③部分恢復(fù)焊縫的沖擊韌性，提高焊縫的抗裂能力。2.25Cr-1Mo焊縫在焊態(tài)下的沖擊韌性很差，中間熱處理可以部分恢復(fù)焊縫的沖擊韌性。

對于需要進(jìn)行中間熱處理的設(shè)備，技術(shù)文件中通常會要求必須在爐內(nèi)進(jìn)行中間熱處理。但此規(guī)定大多數(shù)制造單位無法做到，或者需要投入更高的成本才能做到。部分制造單位為了滿足此規(guī)定，通常會在接頭焊接完畢后先用電加熱方式對焊接接頭進(jìn)行局部中間熱處理，待完成一部分筒節(jié)中間熱處理后，再進(jìn)行一次爐內(nèi)中間熱處理。這種做法達(dá)不到中間熱處理的最佳效果，用局部電加熱進(jìn)行中間熱處理甚至可能產(chǎn)生不良影響，比如產(chǎn)生不可接受的變形，而且往往也達(dá)不到降低接頭最大殘余應(yīng)力的目的。最后再進(jìn)行的爐內(nèi)中間熱處理也沒有太大的必要性，甚至可以最后一起進(jìn)行最終焊后熱處理。文獻(xiàn)[19]雖然用試驗證明可以用局部電加熱方法對B類焊接接頭進(jìn)行熱處理，但試驗僅證明了試件的力學(xué)性能是合格的，對于實(shí)際產(chǎn)品焊接接頭殘余應(yīng)力的分布情況則很難用試件來證明。除球形封頭與筒體的A類焊接接頭外，GB 150.4—2011中規(guī)定不允許對A類焊接接頭進(jìn)行局部熱處理，因此也不宜對A類焊接接頭進(jìn)行局部中間熱處理。API TR 934-B—2011《Fabrication Considerations for Vanadium-modified Cr-Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels》[20]中也指出，當(dāng)無法在爐內(nèi)進(jìn)行中間熱處理時，宜對焊縫進(jìn)行消氫處理。

5 預(yù)焊接工藝規(guī)程

預(yù)焊接工藝規(guī)程(pWPS)是為進(jìn)行焊接工藝評定所擬定的焊接工藝文件，一份完整的pWPS應(yīng)包括所采用的每一種焊接方法，所有的通用焊接因素以及專用焊接因素中的重要因素、補(bǔ)加因素和次要因素[21]。但是如何評定pWPS，目前尚缺少統(tǒng)一的指導(dǎo)原則。通常編制的pWPS基本與產(chǎn)品WPS相同，若根據(jù)pWPS焊接的試件評定合格，是否就可以證明整個pWPS的焊接規(guī)范是合格的，這仍然值得探討。采用pWPS中某一范圍焊接線能量焊接的試板性能合格，就認(rèn)為整個焊接線能量范圍都合格，顯然不合理。焊接工程師在編制pWPS時，需要考慮預(yù)熱溫度、道間溫度、線能量和其他因素對焊接接頭性能的影響，有針對性地對某些因素進(jìn)行規(guī)定，以達(dá)到使評定覆蓋范圍盡可能廣和施焊更容易控制的目的。特別是當(dāng)焊接工程師無法親自指導(dǎo)評定施焊時，其他人員能否正確理解焊接工程師的評定意圖，pWPS就顯得尤為重要。因此筆者認(rèn)為，用于指導(dǎo)焊接工藝評定的pWPS和用于指導(dǎo)生產(chǎn)的WPS應(yīng)該是不同的。

6 結(jié)語

對承壓設(shè)備制造中產(chǎn)生的問題進(jìn)行了討論，并提出個人建議：①冷成型恢復(fù)性能熱處理宜模擬冷成型對母材性能的惡化過程，當(dāng)消應(yīng)力熱處理無法恢復(fù)母材的力學(xué)性能時，應(yīng)采用相應(yīng)的熱處理來恢復(fù)冷成型件的性能。②設(shè)計單位宜在技術(shù)文件中明確接管B類焊接接頭的無損檢測要求。③宜按ASME規(guī)范對預(yù)熱溫度和道間溫度的定義來理解預(yù)熱溫度和道間溫度，并注意其對焊接工藝評定及產(chǎn)品焊接質(zhì)量控制帶來的影響。④Cr-Mo鋼焊接接頭的中間熱處理宜在爐內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)無法在爐內(nèi)進(jìn)行時，宜改用消氫處理。⑤指導(dǎo)工藝評定焊接的pWPS與指導(dǎo)生產(chǎn)的WPS應(yīng)該是不同的，在編制時要有針對性。